Энергия и эффективная масса электронов в боковой долине 2 больше, чем в центральной долине 1.При комнатной температуре и отсутствии внешних воздействий практически все электроны находятся в долине 1. При наличии в полупроводнике электрического поля возрастает скорость хаотического движения электронов. Часть электронов переходит в долину 2. Вследствие различия эффективных масс электронов существенно различаются и их подвижности. Отношение подвижностей электронов в центральной и боковой долинах достигает 80. С увеличением поля растет число электронов в долине 2 и при некоторой пороговой напряженности поля большинство электро нов переходит в боковую долину. Так как переход электронов из долины 1 в долину 2 с ростом поля сопровождается уменьшением подвижности электронов и их дрейфовой скорости, то это приводит к появлению участка отрицательного дифференциального сопротивления. В этой области напряженность поля возрастает и происходит переход электронов из центральной в боковую долину.
Рис. 21. Распределение напряженности электрического поля вдоль образца до образования домена и движение домена
В результате при движении электронов ( рис. 21 ) в левой части участка наблюдается избыток электронов ( отрицательный объемный заряд ), а в правой недостаток электронов, т.е. объемный заряд положительный. Двойной электрический слой объемного заряда называется электрическим доменом. Так как электроны в образце двигаются, то домен перемещается в том же направлении. Когда домен достигает конца образца, он рассасывается и образуется следующий домен. При однородном полупроводнике домен образуется у катода, так как здесь за счет меньшей площади катода напряженность поля выше пороговой Eпор.
Периодичность прихода доменов к аноду определяется длиной образца. Расчеты показывают, что при коротких образцах период импульсов тока во внешней цепи соответствует частотам диапазона СВЧ. Следует отметить, что в образце образуется только один домен, так как повышение напряженности поля внутри него за счет перераспределения объемного заряда приводит к снижению напряженности поля вне домена, что препятствует образованию нового домена.
Диапазон генерируемых частот снизу ограничивается возможностями создания однородных достаточно длинных образцов, а сверху технологическими трудностями создания очень коротких кристаллов. При L=0,1 мм fн=1 ГГц, а при L=1 мкм fв=100 ГГц.
Различают несколько режимов работы генераторов на диодах Ганна. Доменные режимы характеризуются наличием полностью сформировавшихся доменов, двигающихся через полупроводниковый образец. Статическая ВАХ диода в доменных режимах может быть приближенно представлена в виде отрезков прямых ( рис. 22 ).
Рис. 22. Статическая характеристика диода в доменных режимах
При малых напряжениях на диоде домена нет, и ток линейно растет с ростом напряжения. Выше порогового напряжения Uпор происходит формирование домена и ток падает. Напряжение исчезновения ( гашения ) Uгаш домена меньше, чем Uпор из-за сильного внутреннего поля домена. Изменением сопротивления нагрузки можно получить три различных доменных режима: пролетный, с задержкой домена, с гашением домена. Пролетный режим существует при работе на малую нагрузку, когда сопротивление нагрузки порядка сопротивления диода Ганна. При этом амплитуда колебаний напряжения мала и не оказывает заметного влияния на образование и движение домена.
Частота колебаний определяется толщиной кристалла: fпр = 0,1 LЕ-1.
С повышением питающего напряжения частота несколько падает из-за уменьшения скорости движения доменов. Из-за низкого КПД ( менее 10 % ) пролетный режим используется редко. Режим с задержкой домена реализуется, когда нагрузкой является параллельный резонансный контур с высоким входным сопротивлением, а время пролета домена меньше периода колебаний. Частота колебаний определяется настройкой резонатора, поэтому возможна механическая или, применяя варикапы, электрическая перестройка частоты. В режиме с задержкой образования домена КПД теоретически достигает 25%. Частота
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.