Диод Ганна , также известный как устройство с переносом электронов ( TED ), представляет собой разновидность диода , двухконтактного полупроводникового электронного компонента с отрицательным дифференциальным сопротивлением , используемого в высокочастотной электронике . Он основан на «эффекте Ганна», открытом в 1962 году физиком Дж. Б. Ганном . Его основное применение — в электронных генераторах для генерации микроволн , в таких устройствах, как радары , микроволновые релейные передатчики каналов передачи данных и автоматические открыватели дверей.
Его внутренняя конструкция отличается от других диодов тем, что она состоит только из полупроводникового материала , легированного N , тогда как большинство диодов состоят как из областей, легированных P, так и из N. Следовательно, он проводит в обоих направлениях и не может выпрямлять переменный ток, как другие диоды, поэтому некоторые источники не используют термин « диод» , а предпочитают TED. В диоде Ганна существуют три области: две из них сильно легированы N на каждом выводе, а между ними находится тонкий слой слегка легированного N материала. Когда к устройству приложено напряжение, электрический градиент будет наибольшим в тонком среднем слое. Если напряжение увеличивается, сначала увеличивается ток слоя. Тем не менее, в конечном итоге, при более высоких значениях поля проводящие свойства среднего слоя изменяются, увеличивая его удельное сопротивление и вызывая падение тока. Это означает, что диод Ганна имеет область отрицательного дифференциального сопротивления на своей вольт-амперной характеристике , в которой увеличение приложенного напряжения вызывает уменьшение тока. Это свойство позволяет ему усиливаться , функционируя как усилитель радиочастоты, или становиться нестабильным и колебаться при смещении постоянного напряжения.
Отрицательное дифференциальное сопротивление в сочетании с временными свойствами промежуточного слоя отвечает за самое широкое применение диода: в электронных генераторах на микроволновых частотах и выше. СВЧ-генератор можно создать, просто приложив постоянное напряжение для смещения устройства в область отрицательного сопротивления. По сути, отрицательное дифференциальное сопротивление диода нейтрализует положительное сопротивление цепи нагрузки, создавая таким образом цепь с нулевым дифференциальным сопротивлением, которая будет вызывать спонтанные колебания. Частота колебаний частично определяется свойствами среднего диодного слоя, но может регулироваться внешними факторами. В практических генераторах для управления частотой обычно добавляется электронный резонатор в форме волновода , микроволнового резонатора или сферы YIG . Диод обычно монтируется внутри резонатора. Диод нейтрализует сопротивление потерь резонатора, создавая колебания на его резонансной частоте . Частоту можно настроить механически, регулируя размер полости или, в случае сфер YIG, изменяя магнитное поле . Диоды Ганна используются для создания генераторов в диапазоне частот от 10 ГГц до ТГц .
Диоды Ганна из арсенида галлия изготавливаются для частот до 200 ГГц, материалы из нитрида галлия могут достигать частот до 3 ТГц . [1] [2]
Диод Ганна основан на эффекте Ганна, и оба названы в честь физика Дж. Б. Ганна . В IBM в 1962 году он обнаружил этот эффект, поскольку отказался принять противоречивые экспериментальные результаты по арсениду галлия как «шум», и определил причину. Алан Чайновет из Bell Telephone Laboratories показал в июне 1965 года, что только механизм переносимых электронов может объяснить экспериментальные результаты. [3] Стало понятно, что обнаруженные им колебания объяснялись теорией Ридли-Уоткинса-Хилсума , названной в честь британских физиков Брайана Ридли , Тома Уоткинса и Сирила Хилсума , которые в научных работах в 1961 году показали, что объемные полупроводники могут проявлять отрицательное сопротивление , то есть что увеличение приложенного напряжения приводит к уменьшению тока .
Эффект Ганна и его связь с эффектом Уоткинса-Ридли-Хилсума вошли в литературу по электронике в начале 1970-х годов, например, в книгах по устройствам с переносом электронов [4] и, совсем недавно, по нелинейным волновым методам переноса заряда. [5]
Электронная зонная структура некоторых полупроводниковых материалов, включая арсенид галлия (GaAs), имеет еще одну энергетическую зону или подзону в дополнение к валентной зоне и зоне проводимости , которые обычно используются в полупроводниковых устройствах . Эта третья зона имеет более высокую энергию, чем нормальная зона проводимости, и пуста до тех пор, пока не будет подана энергия для продвижения в нее электронов. Энергия исходит из кинетической энергии баллистических электронов , то есть электронов в зоне проводимости, но движущихся с достаточной кинетической энергией, так что они могут достичь третьей зоны.
Эти электроны либо начинаются ниже уровня Ферми , и им предоставляется достаточно длинная длина свободного пробега, чтобы получить необходимую энергию за счет приложения сильного электрического поля, либо они инжектируются катодом с нужной энергией. При приложении прямого напряжения уровень Ферми на катоде перемещается в третью зону, а отражения баллистических электронов, начинающиеся вокруг уровня Ферми, минимизируются за счет согласования плотности состояний и использования дополнительных интерфейсных слоев, позволяющих отраженным волнам деструктивно интерферировать.
В GaAs эффективная масса электронов в третьей зоне выше, чем в обычной зоне проводимости, поэтому подвижность или скорость дрейфа электронов в этой зоне ниже. По мере увеличения прямого напряжения все больше и больше электронов могут достичь третьей зоны, заставляя их двигаться медленнее, и ток через устройство уменьшается. Это создает область отрицательного дифференциального сопротивления в соотношении напряжение/ток.
Когда к диоду прикладывается достаточно высокий потенциал, плотность носителей заряда вдоль катода становится нестабильной и образуются небольшие сегменты с низкой проводимостью, тогда как остальная часть катода имеет высокую проводимость. Большая часть катодного падения напряжения будет происходить на сегменте, поэтому он будет иметь сильное электрическое поле. Под действием этого электрического поля он будет двигаться вдоль катода к аноду. Невозможно сбалансировать заселенность в обоих диапазонах, поэтому тонкие слои с высокой напряженностью поля всегда будут находиться на фоне низкой напряженности поля. Так на практике при незначительном увеличении прямого напряжения у катода создается участок низкой проводимости, сопротивление увеличивается, отрезок движется по стержню к аноду, а при достижении анода поглощается, и образуется новый отрезок. создается на катоде для поддержания постоянного общего напряжения. Любой существующий срез гасится, если напряжение снижается и сопротивление снова уменьшается.
К лабораторным методам выбора материалов для изготовления диодов Ганна относится фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением .
Из-за своих высокочастотных возможностей диоды Ганна в основном используются на микроволновых частотах и выше. На этих частотах они могут производить одну из самых высоких выходных мощностей среди всех полупроводниковых устройств. Чаще всего они используются в генераторах , но они также используются в микроволновых усилителях для усиления сигналов. Поскольку диод представляет собой однопортовое (двухконтактное) устройство, схема усилителя должна отделять исходящий усиленный сигнал от входящего входного сигнала, чтобы предотвратить связь. Одна общая схема представляет собой усилитель отражения , который разделяет сигналы с помощью циркулятора . Тройник смещения необходим для изоляции тока смещения от высокочастотных колебаний.
Диодные генераторы Ганна генерируют микроволновую энергию для: [6] бортовых радаров предотвращения столкновений , антиблокировочной системы тормозов , датчиков для контроля потока транспорта, автомобильных радаров , систем безопасности пешеходов, регистраторов пройденного расстояния, детекторов движения , «медленной скорости». датчики (для обнаружения движения пешеходов и транспорта со скоростью до 85 км/ч (50 миль в час)), контроллеры светофоров, автоматические открывания дверей, автоматические ворота, аппаратура управления технологическими процессами для контроля пропускной способности, охранная сигнализация и оборудование для обнаружения нарушителей, датчики для во избежание схода поездов с рельсов, дистанционные датчики вибрации, тахометры скорости вращения, мониторы влажности.
Благодаря своей работе при низком напряжении диоды Ганна могут служить генераторами микроволновых частот для очень маломощных (несколько милливатт) микроволновых приемопередатчиков, называемых Ганнплексерами . Британские радиолюбители впервые использовали их в конце 1970-х годов, и многие конструкции Gunnplexer были опубликованы в журналах. Обычно они состоят из волновода диаметром примерно 3 дюйма, в который установлен диод. Для управления диодом используется источник постоянного тока низкого напряжения (менее 12 В), который можно соответствующим образом модулировать . Волновод заблокирован на одном конце, образуя резонансную полость, а другой конец обычно питает рупорную антенну . В волновод вставляется дополнительный « диод -смеситель », и его часто подключают к модифицированному приемнику FM-вещания , чтобы можно было прослушивать другие любительские станции. Gunnplexers чаще всего используются в любительских диапазонах 10 ГГц и 24 ГГц , а иногда охранные сигнализации 22 ГГц модифицируются, поскольку диод(ы) можно поместить в слегка расстроенный резонатор со слоями медной или алюминиевой фольги на противоположных краях для перемещения к лицензированная любительская группа. Если диод смесителя не поврежден, его повторно используют в существующем волноводе, а эти части хорошо известны своей чрезвычайной чувствительностью к статическому электричеству. В большинстве коммерческих устройств эта часть защищена параллельным резистором и другими компонентами, а в некоторых атомных часах используется такой вариант. Диод смесителя полезен для низкочастотных применений, даже если диод Ганна ослабляется в результате использования, и некоторые радиолюбители использовали его в сочетании с внешним генератором или диодом Ганна с длиной волны n/2 для поиска спутников и других приложений.
Генераторы Ганна используются в качестве гетеродинов радиоастрономических приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн. Диод Ганна установлен в резонаторе, настроенном на резонанс на удвоенной основной частоте диода. Длина полости изменяется микрометрической регулировкой. Доступны генераторы Ганна, способные генерировать мощность более 50 мВт в диапазоне настройки 50% (одна полоса волновода). [7]
Частота генератора Ганна умножается на диодный умножитель частоты для приложений субмиллиметрового диапазона волн.
