Диоды Ганна

1.

НИУ МЭИ
Кафедра Полупроводниковой электроники
Дисциплина:
Полупроводниковые СВЧ приборы
Тема 7.
Диоды Ганна
Рис. 40 в

2.

История открытия
(диод с междолинным переходом электронов, МЭП-диод;
TED – Transferred-Electron Device)
Идею получения отрицательной дифференциальной проводимости
предложили Ридли и Уоткинс в 1961 г.
Генерацию СВЧ колебаний в образце GaAs наблюдал Ганн в 1963 г.
Связь наблюдаемого явления с предложенной ранее моделью
установил Кремер в 1964 г.
После работы Кремера новые приборы начали бурно развиваться
Рис. 40 г

3.

Зонная структура GaAs
E
T = 300 K ;
Образец n-типа
Eg 1,45 эВ;
Ec1
1 = 8000 см2 /(В с);
Ec2
Eg
0,36 эВ
2 = 180 см2 /(В с)
m1* 0,07 m0 ; m2* 1,2 m0 ; Nc1 << Nc2
k
q n1 1 n 2 2 q n0
n n
1 1 2 2
n0
Ev
Рис. 41 а
n1 n 2 n0 T const

4.

Формирование участка отрицательной диффер. проводимости
vn · 10–7, см/с
4
a
d <0
2
0
2
b
1
эксп.
3
20
Рис. 41 б
ℰ, кВ/см
1. E << ; n1 >> n2 ;
1
2. E >> ; n2 >> n1 ;
2
3. E ; d < 0 ; d < 0
Для однородного образца
I = q n0 vn S ; U = ℰ L
Кривая отражает ВАХ с участком ОДП

5.

Образование домена сильного поля
L
К
ℰ
ℰ0
ℰd
А
+U0
ℰ0
vd
ℰ'
x
n
x t1
n
n0
0 x1 x2 x3
ℰ'
ℰ0
n0
L
0
Рис. 42
x1 x2
x3 L
t2

6.

Флуктуации тока в образце в пролетном режиме
В однородном образце повышаем U0 до ℰa · L (пунктир)
1. Зарождение домена у катода
i
1
5
2
2. Движение и рост домена
3. Движение стационарн. домена
4
3
4. Выход домена в анод
5. Зарождение нового домена
t
Рис. 43 а
T tпр L ;
vd
f
vd
L

7.

Зарождение и рост домена
-
2
2
ε ε0
εs
x
x1
x2
x
n0
x2
x2
εs
dx
x x
x1
1
1
2
v1
Q
x
εs ε 2 ε1 Q
dQ
q n0 v1 v 2
dt
v2
Рис. 43 б
dQ
qn v v
0 1 2 Q
εs ε2 ε1
dt
v1 v 2 ;
d
ε2 ε1
q n0 d
εs
1
d
d Q
1
t
Q ; Q Q 0 exp
dt
d
d
При d < 0 d < 0

8.

Характеристика в режиме стационарного домена
v
εd
v v0 d ε
ε0
a
v0
d (v )
b
0
d
Рис. 44 а

9.

Доменные режимы работы диода Ганна
1. Пролетный режим. Изменение U мало; мал; f 0.
2. Режим подавления (гашения) домена. Домен исчезает, не доходя до
анода, из-за снижения U. 15 %; f n %.
3. Режим задержки домена. Домен исчезает в аноде, но образование
следующего задерживается на часть периода. 30 %; f n %.
Для доменных режимов:
εs
εs
n0
с
1
d < T ;
;
105 3 для GaAs – низкоомные образцы
q n0 d f f q d
см
d < пр при d >> 0 .
T tпр L – перестройка f незначительна.
vd
Рис. 44 б