Исследование генератора СВЧ на диоде Ганна. Основные теоретические положения. Принцип действия и устройство СВЧ диодов Ганна, страница 2

Для получения эффекта междолинного переноса электронов полупроводник должен иметь зонную структуру определенного типа. Такая структура схематически показана на рис. 4.2 для GaAs. На рисунке указаны значения эффективной массы электронов  и , а также значения энергетических промежутков. Зона проводимости характеризуется наличием нескольких подзон (долин).

В обычных условиях электроны занимают состояние с малой энергией и малой эффективной массой. В небольших электрических полях эти электроны обладают высокой подвижностью, и плотность тока проводимости, создаваемого этими электронами под действием электрического поля, равна произведению заряда электрона  на концентрацию электронов n₀ и их среднюю дрейфовую скорость :

.                                              (4.1)

«Разогрев» электронов нижней долины под действием приложенного к образцу электрического поля может привести к «забрасыванию» электронов на более высокие уровни. Когда энергия этих электронов достигает величины 0,35 эв, электроны переходят на энергетические уровни верхней долины, где эффективная масса электронов выше, и, следовательно, их подвижность  и дрейфовая скорость  ниже. В результате происходит постепенное снижение плотности тока проводимости до  по мере увеличения электрического поля выше порогового значения, составляющего примерно величину 3,5 КВ/см для GaAs и 10 КВ/см для JnP. На рис. 4.3а показаны зависимости дрейфовой скорости электронов в GaAs от напряженности электрического поля при комнатной температуре и при концентрации ионизированных примесей N = n₀ = 2·10⁵ см ^-3 и зависимость анодного тока ДГ от напряжения смещения для равномерно легированного ненагруженного прибора с величиной произведения Nl = 6,8·10¹² см ^-2  [3].

Как видно из рис. 4.3б, вольт-амперная характеристика диода Ганна имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления (), но, как показал Ридли, «эту характеристику нельзя наблюдать непосредственно», то есть снимать в статическом режиме. Появление участка характеристики с отрицательным сопротивлением связано с формированием в образце нестабильностей электрического поля - доменов, что требует включения диода Ганна в резонансную систему, которую можно сформировать на основе линии передачи любого типа. Наиболее употребительны коаксиальные, волноводные и полосковые конструкции. Схематическое изображение ГДГ дано на рис. 4.4.

Процесс образования нестабильностей по длине образца поясняется на рис. 4.1. Напряженность поля по длине образца, создаваемая за счет  , близка, но недостаточна для междолинного переноса электронов, поэтому образование доменов происходит на тех участках образца, где вследствие малой неоднородности донорной примеси, либо поперечного сечения образца, или просто вследствие малой флуктуации поля, электрическое поле превысило среднее значение (участок ). Поскольку поле внутри этого участка больше , то скорость в нем падает с ростом поля. К этим замедлившимся электронам начнут, догоняя их, притекать носители со стороны катода. Будет происходить накопление отрицательного объемного заряда вблизи участка  со стороны катода и обеднение носителями слоя, примыкающего к участку со стороны анода. Увеличение объемного заряда приведет к ещё большему росту поля в области флуктуации, к ещё большему замедлению электронов и т.д. Если напряжение, приложенное к образцу, поддерживается постоянным, то с ростом дипольного слоя (домена) поле вне домена будет падать, поэтому будет уменьшаться также и дрейфовая скорость электронов вне области флуктуации, степень обеднения носителями переднего фронта домена начнет снижаться. Нарастание поля в домене прекратится тогда, когда его скорость станет равной скорости электронов вне домена. При этом по образцу будет распространяться с постоянной скоростью (для GaAs V_др=10⁷см/сек) сформировавшийся дипольный слой - стабильный домен сильного поля. Поле в домене может во много раз превышать поле вне его (до 200 - 300 кВ/см  в  GaAs).