Гунновский диод: принцип работы и применение.

Введение

Форма диода

Диод Ганна, также известный как устройство с переносом электронов (TED), является типом диода – двухвыводного полупроводникового электронного компонента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, используемого в высокочастотной электронике. Он основан на "эффекте Ганна", открытом в 1962 году физиком Дж. Б. Ганном. Основное применение – в электронных генераторах для создания микроволн, в таких устройствах, как радарные пистолеты для измерения скорости, передатчики микроволновых ретрансляционных линий связи и автоматические открыватели дверей. Его внутренняя конструкция отличается от других диодов тем, что он состоит только из полупроводникового материала с N-типа допированием, в то время как большинство диодов содержат области с P- и N-типа допированием. Следовательно, он проводит ток в обоих направлениях и не может выпрямлять переменный ток, как другие диоды, поэтому некоторые источники не используют термин "диод", а предпочитают TED. В диоде Ганна выделяют три области: две сильно допированные N-типа на каждом выводе, между которыми расположен тонкий слой слабо допированного N-типа материала. При подаче напряжения на устройство электрический градиент будет максимальным в тонком среднем слое. При увеличении напряжения ток в слое сначала возрастает, но в конечном итоге, при более высоких значениях поля, проводящие свойства среднего слоя изменяются, увеличивая его удельное сопротивление и приводя к уменьшению тока. Это означает, что диод Ганна имеет область отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперной характеристике, где увеличение приложенного напряжения вызывает уменьшение тока. Это свойство позволяет ему усиливать сигнал, функционируя как радиочастотный усилитель, или становиться неустойчивым и генерировать колебания при смещении постоянным напряжением.

Оцилляторы с диодами Ганна

Отрицательное дифференциальное сопротивление, в сочетании со временными характеристиками промежуточного слоя, определяет основное применение диода: в электронных генераторах на микроволновых частотах и выше. Микроволновый генератор можно создать, просто приложив постоянное напряжение для смещения устройства в область отрицательного сопротивления. Фактически, отрицательное дифференциальное сопротивление диода компенсирует положительное сопротивление внешней цепи, создавая тем самым цепь с нулевым дифференциальным сопротивлением, которая генерирует спонтанные колебания. Частота колебаний частично определяется свойствами среднего слоя диода, но может быть настроена внешними факторами. В практических генераторах обычно добавляется электронный резонатор для управления частотой, в виде волновода, микроволновой резонаторной полости или YIG-сферы. Диод обычно монтируется внутри резонаторной полости. Диод компенсирует сопротивление потерь резонатора, генерируя колебания на его резонансной частоте. Частоту можно настраивать механически, изменяя размеры полости, или, в случае YIG-сфер, изменяя магнитное поле. Диоды Ганна используются для создания генераторов в диапазоне частот от 10 ГГц до ТГц. Диоды Ганна на основе арсенида галлия изготавливаются для частот до 200 ГГц, а материалы на основе нитрида галлия могут достигать 3 терагерц.

История

Диод Ганна основан на эффекте Ганна, и оба названы в честь физика Дж. Б. Ганна. В 1962 году, работая в IBM, он обнаружил этот эффект, отказавшись считать противоречивые экспериментальные результаты в арсениде галлия просто "шумом" и определив их истинную причину. Алан Чайноут из Bell Telephone Laboratories в июне 1965 года показал, что только механизм перенесенных электронов может объяснить полученные экспериментальные данные. Стало ясно, что колебания, которые он обнаружил, объясняются теорией Ридли – Уоткинса – Хилсума, названной в честь британских физиков Брайана Ридли, Тома Уоткинса и Сирила Хилсума, которые в 1961 году в своих научных работах показали, что объемные полупроводники могут демонстрировать отрицательное сопротивление, то есть увеличение приложенного напряжения приводит к уменьшению тока. Эффект Ганна и его связь с эффектом Уоткинса – Ридли – Хилсума вошли в электронную литературу в начале 1970-х годов, например, в книгах о приборах с перенесенными электронами и, в последнее время, о нелинейных волновых методах переноса заряда.

Принцип

Структура электронных полос некоторых полупроводниковых материалов, включая арсенид галлия (GaAs), содержит дополнительную энергетическую полосу или подполосу помимо валентной и проводимости, обычно используемых в полупроводниковых приборах. Эта третья полоса имеет более высокую энергию, чем обычная полоса проводимости, и остается пустой до тех пор, пока не будет подана энергия для перевода электронов в нее. Энергия поступает от кинетической энергии баллистических электронов, то есть электронов в полосе проводимости, движущихся с достаточной кинетической энергией для достижения третьей полосы. Эти электроны либо начинают движение ниже уровня Ферми и получают достаточно длинную среднюю длину свободного пробега для приобретения необходимой энергии при приложении сильного электрического поля, либо инжектируются катодом с соответствующей энергией. При приложении прямого напряжения уровень Ферми в катоде перемещается в третью полосу, а отражения баллистических электронов, начинающихся вблизи уровня Ферми, минимизируются путем согласования плотности состояний и использования дополнительных интерфейсных слоев для обеспечения деструктивной интерференции отраженных волн. В GaAs эффективная масса электронов в третьей полосе выше, чем в обычной полосе проводимости, поэтому их подвижность или скорость дрейфа в этой полосе ниже. С увеличением прямого напряжения все больше электронов достигают третьей полосы, что замедляет их движение и уменьшает ток через прибор. Это создает область отрицательного дифференциального сопротивления в вольт-амперной характеристике. При приложении к диоду достаточно высокого потенциала плотность носителей заряда вдоль катода становится нестабильной и формируются небольшие сегменты с низкой проводимостью, в то время как остальная часть катода обладает высокой проводимостью. Большая часть падения напряжения на катоде происходит на этом сегменте, создавая в нем высокое электрическое поле. Под действием этого поля сегмент перемещается вдоль катода к аноду. Сбалансировать заполнение обеих полос невозможно, поэтому тонкие области с высокой напряженностью поля всегда существуют на фоне областей с низкой напряженностью. На практике при небольшом увеличении прямого напряжения на катоде формируется сегмент с низкой проводимостью, сопротивление возрастает, сегмент перемещается к аноду, где поглощается, и на катоде формируется новый сегмент для поддержания постоянного общего напряжения. Любой существующий сегмент гасится при снижении напряжения и повторном уменьшении сопротивления. Угловая фотоэмиссионная спектроскопия является одним из лабораторных методов, используемых для отбора материалов при производстве диодов Ганна.

The electronic band structure of some semiconductor materials, including gallium arsenide (GaAs), have another energy band or sub band in addition to the valence and conduction bands which are usually used in semiconductor devices. This third band is at higher energy than the normal conduction band and is empty until energy is supplied to promote electrons to it. The energy comes from the kinetic energy of ballistic electrons, that is, electrons in the conduction band but moving with sufficient kinetic energy such that they are able to reach the third band. These electrons either start below the Fermi level and are given a sufficiently long mean free path to acquire the needed energy by applying a strong electric field, or they are injected by a cathode with the right energy. With forward voltage applied, the Fermi level in the cathode moves into the third band, and reflections of ballistic electrons starting around the Fermi level are minimized by matching the density of states and using the additional interface layers to let the reflected waves interfere destructively. In GaAs, the effective mass of the electrons in the third band is higher than those in the usual conduction band, so the mobility or drift velocity of the electrons in that band is lower. As the forward voltage increases, more and more electrons can reach the third band, causing them to move slower, and the current through the device decreases. This creates a region of negative differential resistance in the voltage/current relationship. When a high enough potential is applied to the diode, the charge carrier density along the cathode becomes unstable and will develop small segments of low conductivity, with the rest of the cathode having high conductivity. Most of the cathode voltage drop will occur across the segment so that it will have a high electric field. Under the influence of this electric field, it will move along the cathode to the anode. It is impossible to balance the population in both bands, so thin slices of high field strength will always be in a background of low field strength. So in practice, with a slight increase in forward voltage, a low conductivity segment is created at the cathode, resistance increases, the segment moves along the bar to the anode, and when it reaches the anode, it is absorbed, and a new segment is created at the cathode to keep the total voltage constant. Any existing slice is quenched if the voltage is lowered and resistance decreases again. The laboratory methods used to select materials for manufacturing Gunn diodes include angle resolved photoemission spectroscopy.

Приложения

Из-за их высокой быстродействия диоды Ганна в основном используются на микроволновых частотах и выше. Они способны выдавать одну из самых высоких выходных мощностей среди всех полупроводниковых приборов на этих частотах. Чаще всего они применяются в генераторах, но также используются в микроволновых усилителях для усиления сигналов. Поскольку диод является однопортовым (двухвыводным) устройством, схема усилителя должна разделять исходящий усиленный сигнал и входящий входной сигнал, чтобы избежать обратной связи. Распространенной схемой является усилитель отражения, который разделяет сигналы с помощью циркулятора. Для изоляции тока смещения от высокочастотных колебаний необходим разделительный фильтр.

Датчики и измерительные приборы

Диодные осцилляторы Ганна генерируют микроволновую мощность для: бортовых радаров предотвращения столкновений, антиблокировочных систем тормозов, датчиков контроля транспортного потока, автомобильных радаров-детекторов, систем безопасности пешеходов, регистраторов пройденного расстояния, датчиков движения, датчиков малой скорости (для обнаружения движения пешеходов и транспорта со скоростью до 85 км/ч (50 миль/ч)), контроллеров светофоров, автоматических открывателей дверей, автоматических шлагбаумов, оборудования для контроля технологических процессов, сигнализаций и оборудования для обнаружения проникновения, датчиков предотвращения схода поездов с рельсов, дистанционных датчиков вибрации, тахометров вращающейся скорости, датчиков влажности.

Радиолюбительское использование

Благодаря своей работе при низком напряжении, диоды Ганна могут использоваться в качестве генераторов микроволновой частоты для маломощных (несколько милливатт) микроволновых приемопередатчиков, называемых Gunnplexers. Британские радиолюбители впервые начали их использовать в конце 1970-х годов, и многие конструкции Gunnplexer были опубликованы в журналах. Как правило, они состоят из волновода длиной около 3 дюймов, в который монтируется диод. Для управления диодом используется источник питания постоянного тока низкого напряжения (менее 12 вольт), который может быть соответствующим образом модулирован. Волновод заблокирован с одного конца для формирования резонансной полости, а другой конец обычно подключен к рупорной антенне. В волновод вставляется дополнительный "диод-микшер", который часто подключается к модифицированному FM-приемнику для прослушивания других любительских станций. Gunnplexers наиболее часто используются в любительских диапазонах 10 ГГц и 24 ГГц, а иногда сигнализации безопасности 22 ГГц модифицируются, поскольку диод(ы) могут быть помещены в слегка расстроенную полость со слоями медной или алюминиевой фольги на противоположных краях для перехода в лицензируемый любительский диапазон. Если диод-микшер цел, он повторно используется в существующем волноводе, и эти компоненты хорошо известны своей крайней чувствительностью к статическому электричеству. На большинстве коммерческих устройств эта часть защищена параллельным резистором и другими компонентами, а подобный вариант используется в некоторых атомных часах на основе рубидия. Диод-микшер полезен для приложений на более низких частотах, даже если диод Ганна ослаблен в результате использования, и некоторые радиолюбители использовали его в сочетании с внешним генератором или диодом Ганна длиной волны λ/2 для поиска спутников и других целей.

Радиоастрономия

Осцилляторы Ганна используются в качестве гетеродинов для радиоастрономических приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Диод Ганна монтируется в резонаторе, настроенном на резонанс на частоте, вдвое превышающей фундаментальную частоту диода. Длина резонатора изменяется с помощью микрометрической регулировки. Доступны осцилляторы Ганна, способные генерировать мощность более 50 мВт в диапазоне перестройки 50% (в пределах одной волноводной полосы). Для применения в субмиллиметровом диапазоне частота осциллятора Ганна умножается диодным умножителем частоты.