Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 74
Текст из файла (страница 74)
Распределение концентрации электронов и напрнженностн электрического поля в кристалле генератора Ганна в первый момент после подачи постоянного иапрнже- ння 354 Это обеспечит образование «тяжелых» электронов около катода, которые, двигаясь относительно медленно к аноду„создают отрицательный заряд. «Легкие» электроны в остальной части кристалла движутся к аноду быстрее «тяжелых». Поэтому около пакета «тяжелых» электронов со стороны анода получается недостаток электронов, что равносильно образованию некоторого положительного заряда, состоящего из нескомпенсированных ионнзированных доноров (рис.
8.3). Таким образом образуется домен, состоящий из двух слоев: слой со стороны катода нз-за избытка «тяжелых» электронов имеет отрицательный заряд, слой со стороны анода из-за недостатка электронов имеет положительный заряд. Домен обладает своим электрическим полем Е„„, направленным в ту же сторону, что и поле, созданное внешним напряжением. В результате по мере образования домена поле в ием растет, а за пределами домена уменьшается, т. е. скорость движения «тяжелых» электронов внутри домена увеличивается, а скорость движения «легких» электронов за пределами домена уменьшается. В некоторый момент времени скорость движения «тяжелых» электронов (скорость домена) оказывается равной скорости движения «легких» электронов: п,=пэ, илн ььгЕ,= = уьэЕэ, где пг — скоРость движениЯ электРонов за пРеделами домена; оэ — скорость движения электронов внутри домена, что соответствует скорости движения домена от катода к аноду.
Очевидно, что пг(по, так как Ег с Ео. Поэтому после образования домена плотность тока через кристалл уменьшится до 1мгс = цлоп~ . 1 маа Минимальное значение плотности тока через кристалл будет сохраняться в течение всего времени движения домена через кристалл илн в те- и чение времени пролета 1ч = 1/пэ Рнс. 8.4. Завнсимоссь тока, где 1 — длина кристалла.
проходяпгего через генератор При достижении анода домен ис- Г'нна ог вэемени: чезает н плотность тока возрастает до ЗНаЧЕНИЯ /маг, СООТВЕТСТВУЮЩЕГО ОТ" домена: Ь вЂ” момент времеви, сутствию домена. Сразу после этого у аюгветствумшиа окончвянв о. рвэоввияя домена, П вЂ” момент катода формируется новый домен, и времена, сов вегсгвуммнй иве»- процесс повторяется. На рнс, 84 по- луисчевяовеввядомеяа ва вводе; казана зависимость тока, проходящего через кристалл, от времени. рассмотренный механизм действия втоРого домене на катоде прибора с междолинным переходом электронов соответствует пролетному режиму работы. В этом режиме работы, как было отмечено, электрическое поле в домене растет во время его формирования при одновременном уменьшении напряженности электрического поля за пределамн домена, По этой причине в кристалле может образоваться только один домен, так как переход электронов нз центральной долины в боковую может происходить только в домене, где суммарная напряженность электрического поля превышает пороговое значение.
Время формирования домена определяется временем максвелловской релаксации (т=кеоо). Время пролета домена от катода до анода должно быть больше времени его формирования. Поэтому условие возникновения колебаний тока в генераторе Ганна можно сформулировать следующим образом: 1„р — — 1/и ееоо, нли ло1Ъ евон/(гт1ьэ) . 355 Прн скорости насыщенна для электронов в арсеннде галлия иж 1О' см/с правая часть неравенства имеет значение около 1О" см Е ВЗ. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ГАННА Несмотря на принципиальную простоту конструкции генератора Ганна, представляющего собой однородный кристалл арсеннда галлня с электропроводиостью л-тнпа с двумя контактами, нанесенными иа противоположные стороны кристалла, в производстве таких приборов встречаются трудностн, связанные прежде всего с необходимостью создания тонких слоев однородно легированного арсеннда галлия (нлн другого полупроводникового материала).
В генераторах Ганна, имеющих толщину кристалла с высоким удельным сопротивлением более 200 мкм н работающих в пролетном режиме, колебания получаются, как правило, некогерентными. Это вызвано наличием в каждом нз кристаллов нескольких дефектов, на которых могут зарождаться домены. Путь, пробегаеиый доменом от места его зарождення до анода, определяет пернод колебаний. Поэтому если домены зарождаются на различных неоднородностях кристалла, т. е.
на разлнчных расстояниях от анода, то колебання будут иметь шумовой характер. Применение прнборов с междолннным переходом электронов практически оправдано в диапазоне частот более 1 ГГц, что соответствует толщине высокоомного полупроводника !(100 мкм. В свою очередь, наименьшая толщина кристаллов полупроводннка с высоким удельным сопротивлением для генераторов Ганна кроме технологических трудностей ограничена тем, что для перехода электрона нз центральной в боковую долину необходима дополнительная энергия, которую электрон может приобрести в электрическом поле после прохождения некоторого расстояния.
Так, дополнительную энергию (0,3 эВ) электрон может приобрести в арсеннде галлия прн пороговой напряженности электрического поля, равной 3 кВ/см, только на расстоянии 1 мкм, Сам домен также имеет некоторую протяженность, определяемую в основном толщиной слоя положительной частн домена, так как плотность положительного заряда в обедненном электронамн слое ограничена концентрацией доноров в высокоомном полупроводнике (Ф„= 10"...!О ' см ').
Ограничение минимальной толщины высокоомного кристалла приводит к ограннченню максимальной частоты генерации в пролетном режиме для генераторов Ганна нз арсеннда галлия значениями около 50 ГГц. Первые приборы на эффекте междолннного перехода электронов изготовляли нз арсенида галлия н фосфнда индия со снлавнымн омнческнмн переходами между кристаллом полупроводника н электродами. Но методом вплавлення трудно получнть с вос- 356 пронзводнмымн результатами малую толщину полупроводника между омнческнмн переходами.
Поэтому в настоящее время для этих целей используют эпнтакснальные слои, наносимые на снльнолегнрованную подложку с электропроводиостью н-тнпа. Многослойные структуры и+-л-н+ удобны, во-первых, прн создании невыпрямляющнх электрических переходов между металлическими электродами н снльнолегнрованнымн слоямн полупроводника. Во-вторых, пластина с такой структурой достаточно механически прочна прн резке ее на отдельные кристаллы, прн пайке выводов и монтаже в корпус.
й Е.З. ПАРАМЕТРЫ И СВОЛСТВА ГЕНЕРАТОРОВ ГАННА Как любой генератор СВЧ-диапазона, генератор Ганна характеризуется генерируемой мощностью (при импульсной н непрерывной работе), длиной волны нлн частотой генерируемых колебаний, коэффициентом полезного действия, уровнем частотных н амплитудных шумов н другнмн параметрами. Выходная непрерывная мощность генераторов Ганна в пролетном режиме обычно составляет десятки — сотнн мнллнватт, а прн импульсной работе достигает сотен ватт. Рабочая частота в пролетном режиме обратно пропорциональна длнне илн толщине высокоомной частн кристалла (/ = е/!). Связь между генерируемой мощностью н частотой можно представить в виде Р = (I'/г = Е'! /г = —, гр Отсюда следует, во-первых, что мощность генерируемых СВЧ-колебаний зависит от полного сопротивления г нлн от площади рабочей части высокоомного слоя полупроводника. Во-вторых, приведенное соотношение указывает на то, что ожидаемое изменение мощности с частотой пропорционально 1/1'.
Усредненные зависимости генерируемых мощностей от частоты различных генераторов Ганна нз арсеннда галлия и нз фосфида нндня приведены на рнс, 8.5. Генераторы Ганна из арсеннда галлия могут генерировать СВЧ-колебания от 1 до 50 ГГц (каждый прибор рассчитан на свою частоту). Несколько ббльшне частоты получены на генераторах Ганна из фосфнда индия в связи с большими значениями максимальных скоростей электронов, но качество приборов нз этого матернала значительно ннже из-за недостаточной отработки технологии изготовления материала.
Преимущество фосфнда индия перед арсенидом галлия как исходного материала для приборов на эффекте междолннного перехода электронов— большее значение пороговой напряженности электрнческого поля (10,5 и 3,2 кВ/см соответственно). Это отличие должно прнвестн к созданию нз фосфнда индия генераторов Ганна со значительно 357 большими выходными мощностями. Для создания генераторов Ганна с еще большнмн частотами генерируемых колебаний, но с меньшими мощностями представляют интерес тройные соединения Оа!и 8Ь, так как в них дрейфовые скорости электронов велики, на меньше пороговые напряженности электрического поля.
Коэффициент полезного действия генераторов Ганна может быть различным (ат ! до ЗОо~~), так как существенно отличаются технологии изготовления приборов н качество исходного полупроводникового материала. В связи с возможным наличием в кристалле генератора Ганна нескольких неоднородностей зарождение домена, как от- мечалось в $ 8.2, может происходить в Ран различные моменты времени на разном сам расстоянии от анода. Поэтому частота Г колебаний будет изменяться, т, е. мойр гут возникать частотные шумы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
