Белов Л.А., Благовещенский М.В., Богачев В.М. и др. Радиопередающие устройства. Под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина (1982) (1095868), страница 63
Текст из файла (страница 63)
За весьма малое время, которое будет оценено далее, оно становится неравномерным. При этом вдоль оси ДГ возникают области с повышенной напряженностью поля, называемые доменами сильного поля или просто доменами. Рассмотрим образование домена в диоде Ганна, питаемом генератором ЭДС. В каждом сечении такой цепи полный ток 1 складывается из токов конвекции, диффузии и смещения, сумма которых постоянна (закон непрерывности полного тока). В рабочей области между катодом и анодом суммарная плотность тока равна д (Ол), дЕ 1'=- — =- ейо — е +е— 5 ~ дх дЕ где ось х направлена от катода к аноду; е — модуль заряда электрона; Лг (х) = Л', + Л'» — суммарная концентрация электронов проводимости в сечении х; 0 — коэффициент диффузии; е = е,а, — диэлектрическая проницаемость.
В арсениде галлия О = 200 ... 400 см»/о при 300 К, е„ж 12,5. Для проведения анализа воспользуемся также теоремой Гаусса дЕ (х,!) е = — ()У (х, () — Лге), дх е связывающей пространственные вариации Е в используемой одномерной модели ДГ с изменением концентрации электронов. Равновесная концентрация электронов Лге практически равна концентрации доноров. Примем для простоты, что профиль легирования диода однородный, т. е.
Лгь = сопя( в пределах активного слоя и увеличивается скачком на 1 — 2 порядка в контактных областях (рис.!9,4,а). При подаче на такой диод внешнего смещения Е, электрическое поле первоначально однородно и его напряженность равна Е, = Е,Ы. Допустим теперь, что на отрезке (х„х,) почему-либо произошло ло. кальпое нарушение однородности поля (рис, 19,4, б). Выясним, как 272 будет изменяться во времени возникшая флуктуация поля. Поскольку вне отрезка (х„ х,) Е = Е, и, следовательно, й/ = Л'„ то в области а равномерным полем дЕа /(Еа) =/и= ЕМаон (Еа)+в — ' Вследствие непрерывности полного тока значение /а равно току в области флуктуации, определяемому (19.8), так что /, — / [Е (х) ! = О.
Отсюда, используя (19.9), имеем а — ' = еКо [од (Еа) — анр (Е)[+ е — — ео —, (19.11) д(Š— Е ) д (0У) дЕ дх дх Интегрируя уравнение (19,11) по х от хь до ха и замечая, что вследствие принадлежности граничных точек области однородного поля х1 Е(х,)=Е, (Е)/У) [х, =(Т)д/) [,, и ~ опр(Е) — ((х= ~ о„р(Е) (/Е=-О, х~ Е (х1) = Е, (19. 12) получаем уравнение, определяющее поведение флуктуации поля, — ~ (Š— Ее) ((х = — ' ) [оьр(Ео) — одр(Е)1 ((х, д (' сна (19.13) Пусть возмущение мало. Тогда о (Е) о (Е,) -1- пр ~ (Š— Ео) (19. 14) е, и уравнение (19.13) превращается в обыкновенное дифференциальное уравнение относительно избыточного напряжения ил области пространственной флуктуации поля: ((иа/Ж = — иа/т, (19,15) Л где иа = ! (Š— Е,) ((х по определению, а т = е(ей/ар') '— величина, называемая временем диэлекгприческо() релаксации, Решение уравнения (19.15) имеет вид иа (/) = иаа ехр ( — 1/т).
(19,16) При т > О начальное возмущение иле затухает, а при т~ ' О возрастает со временем. /Тля р' = р, 7,5 10" см'/(В с) т = = т, = 1 1Оа/й/а с, где й/а измерено в см-'. Наибольшая кру- а( л а) а( х( д/ х Рис. \Ваи ))деализнрованныя( профиль легирования диода Ганна (а) и начальное распределение электрического поля (б) 2УЗ Е. Еам й гагр Ег пия ууа б х, 6 и х Рис !95.
Различные формы доменов сильного поля в виоле Ганна (а, б, в) и распределение пространственного заряда, отвечающее дипольному домену (г) тизна падающего участка хтрачтеристики скорость — поле ппр (Е) порядка — рт/3, так чю соответствующая ей постоянная времени т, определяющая максимальную скорость роста пространственной флуктуации поля, составляет т — Зтт. Чем больше концентрация доноров, тем быстрее перестраивается поле в кристалле. Чаще всего Ув = 1 ° 10" см а что дает т, ж 10-" с.
В зависимости от ряда факторов развитие неустойчивости в области ОДП приводит либо к установлению постоянного во времени пространственно неоднородгюго распределения электрического поля, характеризующегося наличием стаптического домена (рис. 19.5, а)„ либо к периодическим пульсациям поля в пространстве и во времени, связанным с возникновением и исчезновением движущихся домегон сильного поля, принимающих форму слоя накопления (рис. 19.5.
б) или дипольного домена (рис, 19.5, в). Перераспределение поля приводит в согтветствии с теоремой Гаусса к неоднородному распределению пространственного заряда вдоль ДГ, а при движущихся доменах сопровождается также периодическим изменением тока во внешней цепи. Домен типа слоя накопления (рис. 19.5, б) формируется только в ДГ со строго однородным профилем легирования и равномерным тгпло. еым профилем, т. е. приблизительным постоянством температурьз вдоль слоя. Начало домену дает случайное повышение концентрации члектронов в окрестности некоторой точки.
Поле сгустка электронов накладывается на равномерное поле, созданное источником питания, причем на участке от катода до сгустка результирующее поле убывает, 274 а п сторону анода, наоборот, увеличивается. При Е, ) Е„р подобное изменение Е (х) вызывает относительный рост онр со стороны катода н замедляет электроны, находящиеся со стороны анода. В результате исходный сгусток начинается адсорбировать электроны, формируя домен сильного поля.
Увеличивающийся сгусток электронов (слой накопления) движется к аноду со скоростью оз, промежуточной между о„и о„„. Если длина диода достаточно велика (практически )~ 50 мкм), в конце концов достигается стационарное состояние, характеризуемое завершением формирования домена. Если пренебречь диффузией, это происходит, когда скорости электронов слева и справа от слоя накопления выравниваются, что прекращает дальнейшее изменение пространственного заряда. Достигнув анода, сгусток электронов втягивается в него.
Исчезновение слоя накопления сопровождается восстановлением высокой напряженности поля во всем объеме полупроводника, что создает условия для повторения процесса. Слой накопления неустойчив н на первой же достаточно большой неоднородности переходит в днпольный домен, который является основным типом двнжущегося домена. Сформировавшийся днпольный домен имеет форму размытого треугольннма (рнс. !9.5, а).
Он состоит нз слоя накопления (рнс, 19.5, г), концентрацня электронов 1г' в котором может превышать Мэ в десятка раз, н продолжающего его положнтельно эаряженйого слоя обеднения, где М С Мь Йнпольный домен в целом электрнческн нейтрален. Поэтому ширина слоя накоплення гораздо мемьше, чем ширина слоя обеднения Прн !З = сопы скорость сформнровавшегося днпольного домена иэ равна скорости электронов вне домена.
Учет зависимости О от полн показывает, ето скорость домена несколько выше скорости электронов в остальной части диода, причем разность скоростей увеличивается вместе с йге, достнгэя !0...20$э прн бгэ 1 10гь !Раъ РЕЖИМЫ РАВОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ НА ДИОДАХ ГАННА Т аблнца 19.1 Режнмы работы генератора на диоде Ганна !(о~~нные Отрицательной и роэоднмостн Гибридные ОНОЗ а задержкой пролетный домена с гашсннем домена Схема ГДГ образуется последовательным соединением ДГ, сопротивления нагрузки Х„и источника питания Е,(рис. !9.б).
В зависимости от параметров кристалла, свойств нагрузки, температуры и питающего напряжения ГДГ может работать в одном из нескольких существенно различных режимов (табл. !9.!). Среди характеристик диода, влияющих на вид режима, важной является произведенйе концентрации легирующей примеси Мэ на длину диода д. При Ея ям (2 ...
3) (г',„э, где (э'„р — пороговое на пряжение, скорость сформировавшегося домена близка к скорости 7м гнат Рнс. 196 Стена генератора на диоде Ганна Рис. !9.7. Идеализированная вольт-ампернаи характеристика диода Ганна в доменном режиме 9 1Гам ааг Хта насыщения сь,о. Говорить о существовании домена имеет смысл толь. ко в том случае, если он успеет сформироваться за время пролета тнр д'анас. (19.17) Время формирования домена тФ (5 ... 20) )т ) = (1,5 ...
6) 104/Мо (19.18) увеличивается с ростом питающего напряжения. Сравнивая ть и т р, получаем первое условие существования домена: йгой ) (1,5 ... 6) 10"см в. (19.19) С другой Ьт)з)гоны, ть не должно превышать половины периода колебания СВЧ поля. Отсюда возникает второе условие существования движущегося домена: Фо)~ =.- 2 (1 5 ... 6) 10о с см-а (19,20) Обсудилг вначале особенности доменных режимсе, для которых характерно существование сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Статическую вольтамперную характеристику (ВАХ) диода Ганна в доменных режимах можно приближенно представить двумя отрезками прямых (рис. 19.7).
При малых напряжениях на диоде домена нет и ток линейно растет вместе с приложенным напряжением. При переходе и через пороговое значение У,р происходит формирование домена, в результате чего ток падает от максимального значения Гм до значения (н„, соответствующего равенству пдр — — сн„. Перепад тока определяется характеристикой сдр (Е). Особенностью ВАХ на рис. 19.7 является гистерезисная зона, возникновение которой обусловлено тем, что напряжение исчезновения (гашения) У„,ж образовавшегося, домена меньше Ув,р.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
