Gunn diode

Gunn diode -  en type halvlederdioder , der ikke har pn-junctions i strukturen , bruges til at generere og konvertere svingninger i mikrobølgeområdet ved frekvenser fra 0,1 til 100 GHz . Baseret på Gunn-effekten  - fænomenet med strømsvingninger i en flerdalsleder, når et stærkt elektrisk felt påføres den, opdaget af John Gunn i 1963 .

I modsætning til andre typer dioder er princippet for drift af Gunn-dioden ikke baseret på processer i pn-forbindelsen, det vil sige, at alle dens egenskaber ikke bestemmes af de virkninger, der opstår ved krydsene mellem to forskellige halvledere, men af ​​den iboende ikke-lineære egenskaber af det anvendte halvledermateriale.

I sovjetisk litteratur blev Gunn-dioder kaldt enheder med bulk ustabilitet eller med interval elektronoverførsel, da de aktive egenskaber af dioder skyldes overgangen af ​​elektroner fra den "centrale" energidal (energiminimum) til "side"-dalen, hvor de har allerede lav mobilitet og en stor effektiv masse. I udenlandsk litteratur kaldes Gunn-dioden TED ( Transferred Electron Device  - en enhed med elektronoverførsel).

På baggrund af Gunn-effekten er der skabt generator- og forstærkerdioder, der bruges som pumpegeneratorer i parametriske forstærkere, heterodyner i superheterodyne modtagere, generatorer i laveffektsendere og i måleteknologi.

Konstruktion og funktionsprincip

Gunn-dioden er traditionelt en rektangulær galliumarsenidplade med ohmske kontakter på modsatte sider. Den aktive del af Gunn-dioden - længden af ​​højmodstandslaget har sædvanligvis en længde på 1 til 100 μm med doteringsdonorurenhedskoncentrationer på 10 14 -10 16 cm -3 . I dette materiale, i ledningsbåndet , er der to energiminima, som svarer til to elektroner  - de såkaldte "tunge" og "lette" elektroner. Derfor, med en stigning i den elektriske feltstyrke, stiger den gennemsnitlige drifthastighed af elektroner, indtil feltet når en vis kritisk værdi, og falder derefter, med tendens til mætningshastigheden.

Hvis der således påføres en spænding til dioden, som overstiger produktet af den kritiske feltstyrke og tykkelsen af ​​galliumarsenidlaget i dioden, bliver den ensartede fordeling af styrken over lagtykkelsen ustabil. Så, hvis en lille stigning i feltstyrken forekommer selv i et tyndt område, vil elektronerne, der er placeret tættere på anoden , "trække sig tilbage" fra dette område til det, da de er mindre mobile, og elektronerne placeret nær katoden vil forsøge at " indhente" med det resulterende dobbeltlag, der bevæger sig mod anodeladningerne. Ved bevægelse vil feltstyrken i dette lag konstant stige, og uden for det vil den falde, indtil den når ligevægtsværdien.

Et sådant bevægeligt dobbeltlag af ladninger med en høj elektrisk feltstyrke indeni kaldes et stærkt feltdomæne , og spændingen, ved hvilken det opstår, er tærskelspændingen.

På tidspunktet for domænekimdannelse er strømmen gennem dioden maksimal. Efterhånden som domænet dannes, falder strømmen og når sit minimum i slutningen af ​​formationen. Når man når anoden, ødelægges domænet, og strømmen stiger igen. Men så snart det når sit maksimum, dannes et nyt domæne ved katoden. Frekvensen, hvormed denne proces gentages, er omvendt proportional med længden af ​​halvlederkrystallen, direkte proportional med hastigheden af ​​domænet og kaldes transitfrekvensen .

På CVC'en af ​​en halvlederenhed er tilstedeværelsen af ​​en faldende sektion en utilstrækkelig betingelse for forekomsten af ​​mikrobølgeoscillationer i den, men en nødvendig. Forekomsten af ​​oscillationer betyder, at der udvikles ustabilitet i halvlederkrystallen. Arten af ​​denne ustabilitet afhænger af halvlederens parametre (dopingprofil af krystallen, dens dimensioner, bærerkoncentration osv.).

Når Gunn-dioden er placeret i resonatoren, er andre genereringstilstande mulige, hvor oscillationsfrekvensen kan gøres både lavere og højere end transitfrekvensen. Effektiviteten af ​​en sådan generator er relativt høj, men den maksimale effekt overstiger ikke 200-300 mW .

Virkningen af ​​ohmske (ikke ensretter) kontakter til krystallen er betydelig. Der er to tilgange til at skabe ohmske kontakter med lav modstand, der er nødvendige for at levere strøm til at betjene Gunn-dioder:

• den første af dem består i at vælge en acceptabel teknologi til at afsætte sådanne kontakter direkte på en højmodstands galliumarsenidkrystal;
• i den anden tilgang er enhedens krystal lavet flerlags. I dioder med en sådan struktur dyrkes epitaksiale lag af lavresistens højdoteret galliumarsenid med n-type ledningsevne på begge sider af et lag højresistens lavdoteret galliumarsenid med elektronisk ledningsevne. Disse stærkt doterede lag tjener som overgangssubstrater fra den arbejdende del af krystallen til metalelektroderne.

Udover galliumarsenid (GaAs) og indiumphosphid (InP, anvendes ved frekvenser op til 170 GHz ), bruges epitaksial vækst til fremstilling af dioder, galliumnitrid (GaN) bruges også til fremstilling af Gunn-dioder . I dioder lavet af dette materiale blev den højeste oscillationsfrekvens opnået - op til 3 THz .

Ansøgning

Gunn-dioden kan bruges til at skabe en oscillator med genereringsfrekvenser fra hundredvis af kilohertz til enheder af terahertz. Ved frekvenser under 1 GHz har Gunn diodeoscillatorer og forstærkere ingen fordele i forhold til traditionelle transistoroscillatorer og bruges derfor sjældent. Genereringsfrekvensen bestemmes hovedsageligt af længden af ​​halvlederpladen, men kan indstilles i et bestemt frekvensområde, normalt med 20-30% af centerfrekvensen. Kendte generatorer med et frekvensindstillingsområde på 50 % [1] .

Ved frekvenserne ved brug af Gunn-dioder er traditionelle oscillerende kredsløb lavet af induktorer og kondensatorer med klumpede parametre ineffektive, derfor er resonatorer ved disse frekvenser lavet i form af koaksiale strukturer, i form af bølgeledersegmenter eller resonatorer på mikrostriplinjer .

Indstilling af genereringsfrekvensen og forstærkningsfrekvensen i sådanne systemer udføres både ved at ændre de geometriske dimensioner af resonanshulrummene og elektrisk inden for små grænser ved at ændre forsyningsspændingen.

Gunn-dioder har et lavt niveau af amplitudestøj og en lav driftsforsyningsspænding - fra enheder til titusinder af volt.

Levetiden for Gunn-generatorer er relativt kort, hvilket er forbundet med den samtidige effekt på halvlederkrystallen af ​​sådanne faktorer som et stærkt elektrisk felt og overophedning af enhedens halvlederkrystal af den strøm, der frigives i den.

Driftstilstande for generatorer på Gunn-dioden

Der er flere forskellige måder at bruge generatorer på baseret på Gunn-dioden afhængigt af forsyningsspændingen, temperaturen, belastningens art: domænetilstand, hybridtilstand, begrænset volumen ladningsakkumuleringstilstand og negativ konduktivitetstilstand, der giver generering i frekvensområdet 1-100 GHz .

I den kontinuerlige generationstilstand har generatorer baseret på Gunn-dioder en effektivitet på omkring 2-4% og giver udgangseffekt fra nogle få milliwatt til et par watt. Når du bruger enheden i en pulserende tilstand med en høj arbejdscyklus , øges effektiviteten med 2-3 gange. Specielle bredbåndsresonanssystemer gør det muligt at tilføje højere harmoniske svingninger til styrken af ​​det nyttige udgangssignal og tjener til at øge effektiviteten. Denne driftsform for generatoren kaldes afslapning.

Den mest almindeligt anvendte tilstand er domænetilstanden, hvor et domæne eksisterer i krystallen i det meste af oscillationsperioden. Domænetilstanden kan implementeres i tre forskellige former: forbigående, med en forsinkelse i dannelsen af ​​domæner og med domæneudryddelse. Overgangen mellem disse typer sker, når belastningsmodstanden og forsyningsspændingen ændres.

For Gunn-dioder blev metoden til begrænsning og akkumulering af rumladning også foreslået og implementeret. Denne tilstand foregår ved store spændingsamplituder over dioden og ved frekvenser, der er flere gange større end transitfrekvensen og ved gennemsnitlige konstante spændinger over dioden, som er flere gange højere end tærskelværdien. Der er dog visse krav til implementering af denne tilstand: diodens halvledermateriale skal have en meget ensartet dopingprofil. I dette tilfælde er den ensartede fordeling af det elektriske felt og elektronkoncentrationen langs prøvens længde sikret på grund af den høje spændingsændringshastighed over dioden.

Noter

1. ↑ Carlstrom JE, Plambeck RL og Thornton DD A Continuously Tunable 65-115 GHz Gunn Oscillator, IEEE, 1985 [1]

Litteratur

• Avaev N. A., Shishkin G. G. Elektroniske enheder. Forlaget MAI, 1996.
• Zee S. M. Halvlederenheders fysik (i 2 bøger). M., Mir, 1984, bind 2, side 226-269.
• Lebedev AI Fysik af halvlederenheder. M., Fizmatlit, 2008.
• Kuleshov V. N., Udalov N. N., Bogachev V. M. et al. Generering af svingninger og dannelse af radiosignaler. - M. : MPEI, 2008. - 416 s. - ISBN 978-5-383-00224-7 .

Links

• Gunn Diode Model Arkiveret 17. oktober 2010 på Wayback Machine -programmet med kildekode (C++, kører på Windows)
• Generatordioder Arkiveret 8. november 2011 på Wayback Machine
• Hann-effekten // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
• Gann Effect Arkiveret 17. juni 2013 på Wayback Machine

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	GND : 4158553-7