Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме
Министерство образования Российской Федерации
Орловский Государственный Технический Университет
Кафедра физики
РЕФЕРАТ
на тему: «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме».
Дисциплина: «Физические основы микроэлектроники»
Выполнил студент группы 3–4
Сенаторов Д.Г.
Руководитель:
Оценка:
Орел. 2000
Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме.
Для усиления и генерации колебаний СВЧ-диапазона может быть использована аномальная зависимость скорости электронов от напряженности электрического поля в некоторых полупроводниковых соединениях, прежде всего в арсениде галлия. При этом основную роль играют процессы, происходящие в объеме полупроводника, а не в p-n-переходе. Генерацию СВЧ-колебаний в однородных образцах GaAs n-типа при напряженности постоянного электрического поля выше порогового значения впервые наблюдал Дж. Ганн в 1963 г. (поэтому такие приборы называют диодами Ганна). В отечественной литературе их называют также приборами с объемной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов, поскольку активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из «центральной» энергетической долины в «боковую», где они характеризуются большой эффективной массой и малой подвижностью. В иностранной литературе последнему названию соответствует термин ТЭД (Transferred Electron Device).
В слабом поле подвижность электронов велика и составляет 6000–8500 см2/(Вс). При напряженности поля выше 3,5 кВ/см за счет перехода части электронов в «боковую» долину средняя дрейфовая скорость электронов уменьшается с ростом поля. Наибольшее значение модуля дифференциальной подвижности на падающем участке примерно втрое ниже, чем подвижность в слабых полях. При напряженности поля выше 15–20 кВ/см средняя скорость электронов почти не зависит от поля и составляет около 107 см/с, так что отношение , а характеристика скорость–поле может быть приближенно аппроксимирована так, как показано на рис.1. Время установления отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) складывается из времени разогрева электронного газа в «центральной» долине (~10–12 с для GaAs), определяемого постоянной времени релаксации по энергии и времени междолинного перехода (~5-10–14 с).
Можно было бы ожидать, что наличие падающего участка характеристики в области ОДП при однородном распределении электрического поля вдоль однородно легированного образца GaAs приведет к появлению падающего участка на вольт-амперной характеристике диода, поскольку значение конвекционного тока через диод определяется как , где ; –площадь сечения; –длина образца между контактами. На этом участке диод характеризовался бы отрицательной активной проводимостью и мог бы использоваться для генерирования и усиления колебаний аналогично туннельному диоду. Однако на практике осуществление такого режима в образце полупроводникового материала с ОДП затруднено из-за неустойчивости поля и объемного заряда. Как было показано в § 8.1, флюктуация объемного заряда в этом случае приводит к нарастанию объемного заряда по закону
,
где –постоянная диэлектрической релаксации; –концентрация электронов в исходном n-GaAs. В однородном образце, к которому приложено постоянное напряжение , локальное повышение концентрации электронов приводит к появлению отрицательно заряженного слоя (рис. 2), перемещающегося вдоль образца от катода к аноду.
Рис.1.
Аппроксимированная зависимость дрейфовой скорости электронов от напряженности
электрического поля для GaAs.
Рис.2. К пояснению процесса формирования слоя накопления в однородно легированном GaAs.
Под катодом понимается контакт к образцу, на который подан отрицательный потенциал. Возникающие при этом внутренние электрические поля и накладываются на постоянное поле , увеличивая напряженность поля справа от слоя и уменьшая ее слева (рис.2, а). Скорость электронов справа от слоя уменьшается, а слева – возрастает. Это приводит к дальнейшему нарастанию движущегося слоя накопления и к соответствующему перераспределению поля в образце (рис.2, б). Обычно слой объемного заряда зарождается у катода, так как вблизи катодного омического контакта имеется область с повышенной концентрацией электронов и малой напряженностью электрического поля. Флюктуации, возникающие вблизи анодного контакта, вследствие движения электронов к аноду не успевают развиться.
Однако такое распределение электрического поля неустойчиво и при наличии в образце неоднородности в виде скачков концентрации, подвижности или температуры может преобразоваться в так называемый домен сильного поля. Напряженность электрического поля связана с концентрацией электронов уравнением Пуассона, которое для одномерного случая имеет вид
(1)
Повышение электрического поля в части образца будет сопровождаться появлением на границах этого участка объемного заряда, отрицательного со стороны катода и положительного со стороны анода (рис.3, а). При этом скорость электронов внутри участка падает в соответствии с рис.1. Электроны со стороны катода будут догонять электроны внутри этого участка, за счет чего увеличивается отрицательный заряд и образуется обогащенный электронами слой. Электроны со стороны анода будут уходить вперед, за счет чего увеличивается положительный заряд и образуется обедненный слой, в котором . Это приводит к дальнейшему увеличению поля в области флюктуации по мере движения заряда к аноду и к возрастанию протяженности дипольной области объемного заряда. Если напряжение, приложенное к диоду, поддерживается постоянным, то с ростом дипольного домена поле вне его будет уменьшаться (рис.3, б). Нарастание поля в домене прекратится, когда его скорость сравняется со скоростью электронов вне домена. Очевидно, что . Напряженность электрического поля вне домена (рис.3, в) будет ниже пороговой напряженности , из-за чего становится невозможным междолинный переход электронов вне домена и образование другого домена вплоть до исчезновения сформировавшегося ранее на аноде. После образования стабильного домена сильного поля в течение времени его движения от катода к аноду ток через диод остается постоянным.
Рис.3. К пояснению процесса формирования дипольного домена.
После того как домен исчезнет на аноде, напряженность поля в образце повышается, а когда она достигнет значения , начинается образование нового домена. При этом ток достигает максимального значения, равного (рис.4, в)
(2)
Такой режим работы диода Ганна называют пролетным режимом. В пролетном режиме ток через диод представляет собой импульсы, следующие с периодом . Диод генерирует СВЧ-колебания с пролетной частотой , определяемой в основном длиной образца и слабо зависящей от нагрузки (именно такие колебания наблюдал Ганн при исследовании образцов из GaAs и InР).
Электронные процессы в диоде Ганна должны рассматриваться с учетом уравнений Пуассона, непрерывности и полной плотности тока, имеющих для одномерного случая следующий вид:
; (3)
. (4)
Рис.4. Эквивалентная схема генератора на диоде Ганна (а) и временные зависимости напряжения (б) и тока через диод Ганна в пролетном режиме (в) и в режимах с задержкой (г) и гашением домена (д).
Мгновенное напряжение на диоде . Полный ток не зависит от координаты и является функцией времени. Часто коэффициент диффузии считают не зависящим от электрического поля.
В зависимости от параметров диода (степени и профиля легирования материала, длины и площади сечения образца и его температуры), а также от напряжения питания и свойств нагрузки диод Ганна, как генератор и усилитель СВЧ-диапазона, может работать в различных режимах: доменных, ограничения накопления объемного заряда (ОНОЗ, в иностранной литературе LSA–Limited Space Charge Accumulation), гибридном, бегущих волн объемного заряда, отрицательной проводимости.
Доменные режимы работы.
Для доменных режимов работы диода Ганна характерно наличие в образце сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Характеристики стационарного дипольного домена подробно рассмотрены в [?], где показано, что из (1), (3) и (4) следует, что скорость домена и максимальная напряженность поля в нем связаны правилом равных площадей
. (5)
В соответствии с (5) площади, заштрихованные на рис.5, а и ограниченные линиями , являются одинаковыми. Как видно из рисунка, максимальная напряженность поля в домене значительно превышает поле вне домена и может достигать десятков кВ/см.
Рис.5.
К определению параметров дипольного домена.
На рис.5, б приведена зависимость напряжения домена от напряженности электрического поля вне его, где –длина домена (рис.3, в). Там же построена «приборная прямая» диода длиной при заданном напряжении с учетом того, что полное напряжение на диоде . Точка пересечения А определяет напряжение домена и напряженность поля вне его . Следует иметь в виду, что домен возникает при постоянном напряжении , однако он может существовать и тогда, когда в процессе движения домена к аноду напряжение на диоде уменьшается до значения (пунктирная линия на рис.5, б). Если еще более понизить напряжение на диоде так, что оно станет меньше напряжения гашения домена , возникший домен рассасывается. Напряжение гашения соответствует моменту касания «приборной прямой» к линии на рис.5, б.
Таким образом, напряжение исчезновения домена оказывается меньше порогового напряжения формирования домена. Как видно из рис.5, вследствие резкой зависимости избыточного напряжения на домене от напряженности поля вне домена поле вне домена и скорость домена мало изменяются при изменении напряжения на диоде. Избыточное напряжение поглощается в основном в домене. Уже при скорость домена лишь немного отличается от скорости насыщения и можно приближенно считать , а , поэтому пролетная частота, как характеристика диода, обычно определяется выражением:
