Диод Ганна – это пассивный полупроводниковый прибор с двумя выводами, который состоит только из полупроводникового материала с примесью n-типа, в отличие от других диодов, которые содержат p-n-переход. Диоды Ганна могут быть изготовлены из материалов, которые состоят из множества изначально пустых близкорасположенных энергетических областей в зоне проводимости, таких как арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP), нитрид галлия (GaN), теллурид кадмия (CdTe), сульфид кадмия (CdS), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb) и селенид цинка (ZnSe).
Стандартная производственная процедура создания диода Ганна включает выращивание эпитаксиального слоя на вырожденной подложке n+ с образованием трех полупроводниковых слоев n-типа, как показано на следующем рисунке слева, причем крайние слои сильно легированы по сравнению со средним активным слоем.
Кроме того, на обоих концах диода Ганна предусмотрены металлические контакты для облегчения смещения. Обозначение диода Ганна показано на верхнем рисунке справа и отличается от обычного диода, чтобы указать на отсутствие p-n перехода.
При приложении постоянного напряжения к выводам диода Ганна на его слоях возникает электрическое поле, большая часть которого возникает в центральной активной области. На начальных этапах проводимость увеличивается за счет движения электронов из валентной зоны в нижнюю область зоны проводимости.
Соответствующий график вольт-амперной характеристики (ВАХ) показан кривой в области 1 (окрашенной в розовый цвет) на следующем рисунке. Однако после достижения определенного порогового значения (Vth) ток проводимости через диод Ганна уменьшается, как показано с помощью кривой в области 2 (окрашенной в синий цвет) рисунка.
Это связано с тем, что при более высоких напряжениях электроны из нижней области зоны проводимости перемещаются в ее более высокую область, где их подвижность уменьшается из-за увеличения их эффективной массы. Уменьшение подвижности снижает проводимость, что приводит к уменьшению тока, протекающего через диод. В результате говорят, что диод демонстрирует область отрицательного сопротивления (область, охватывающую от точки пика до точки впадины) на кривой ВАХ. Этот эффект называется эффектом перенесенных электронов, поэтому диоды Ганна также называются устройствами с переносом электронов.
Далее следует отметить, что эффект перенесенных электронов также называется эффектом Ганна и назван в честь Джона Баттискомба Ганна (Дж. Б. Ганн) после его открытия в 1963 году, которое показало, что можно генерировать микроволны, прикладывая постоянное напряжение к микросхеме n-полупроводник типа GaAs. Однако важно отметить, что материал, используемый для изготовления диодов Ганна, обязательно должен быть n-типа, поскольку эффект перенесенных электронов действует только для электронов, а не для дырок.
Кроме того, поскольку GaAs является плохим проводником, диоды Ганна выделяют чрезмерное тепло и поэтому обычно имеют теплоотвод. Кроме того, на микроволновых частотах через активную область проходит импульс тока, который инициируется при определенном значении напряжения. Это движение импульса тока через активную область уменьшает градиент потенциала на ней, что, в свою очередь, предотвращает формирование дополнительных импульсов тока.
Следующий импульс тока может быть сгенерирован только тогда, когда ранее сгенерированный импульс достигнет дальнего конца активной области, снова увеличивая градиент потенциала. Это указывает на то, что время, необходимое импульсу тока для прохождения через активную область, определяет скорость, с которой генерируются импульсы тока, и, таким образом, фиксирует рабочую частоту диода Ганна. Таким образом, чтобы изменять частоту колебаний, необходимо изменять толщину центральной активной области.
Кроме того, следует отметить, что характер отрицательного сопротивления, проявляемого диодом Ганна, позволяет ему работать как в качестве усилителя, так и в качестве генератора, последний из которых известен как генератор на диоде Ганна или осциллятор Ганна.
К преимуществам диодов Ганна можно отнести:
- Они являются самым дешевым источником микроволн (по сравнению с другими вариантами, такими как клистронные трубки)
- Они компактны по размеру
- Они работают в широкой полосе частот и обладают высокой частотной стабильностью
К недостаткам диодов Ганна можно отнести:
- У них высокое напряжение включения
- Они менее эффективны ниже 10 ГГц
- Они обладают плохой температурной стабильностью
Диоды Ганна применяются:
- В электронных генераторах для генерации СВЧ-частот.
- В параметрических усилителях в качестве источников накачки заряда.
- В полицейских радарах.
- В качестве датчиков в системах открывания дверей, системах обнаружения вторжений, системах безопасности пешеходов и т. д.
- В качестве источника микроволновых частот в автоматических открывателях дверей, контроллерах светофора и т. д.
- В схемах СВЧ-приемника.
- В радиосвязи.
- В военных системах.
- В качестве удаленных датчиков вибрации.
- В тахометрах.
- В импульсных генераторах.
- В микроэлектронике в качестве управляющего оборудования.
- В радарах скоростных орудий.
- В качестве микроволновых релейных передатчиков линии передачи данных.
- В доплеровских радарах непрерывного действия.
© digitrode.ru