Диод Ганна , также известный как устройство с переносом электронов ( TED ), представляет собой разновидность диода , двухконтактный полупроводниковый электронный компонент с отрицательным дифференциальным сопротивлением , используемый 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 приложениях, как радары для измерения скорости , микроволновые релейные передатчики данных и автоматические открыватели дверей.
Его внутренняя конструкция отличается от других диодов тем, что он состоит только из легированного примесью N полупроводникового материала, тогда как большинство диодов состоят из легированных примесью P и N областей. Поэтому 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 существует три области: две сильно легированы примесью N на каждом выводе, с тонким слоем слабо легированного примесью n материала между ними. Когда к устройству прикладывается напряжение, электрический градиент будет наибольшим через тонкий средний слой. Если напряжение увеличивается, ток слоя сначала увеличится. 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 радиочастот, или становиться нестабильным и колебаться, когда он смещен постоянным напряжением.
Отрицательное дифференциальное сопротивление в сочетании с временными свойствами промежуточного слоя отвечает за самое большое использование диода: в электронных генераторах на микроволновых частотах и выше. Микроволновый генератор можно создать, просто прикладывая постоянное напряжение для смещения устройства в область его отрицательного сопротивления. По сути, отрицательное дифференциальное сопротивление диода компенсирует положительное сопротивление цепи нагрузки, тем самым создавая цепь с нулевым дифференциальным сопротивлением, которая будет производить спонтанные колебания. Частота колебаний частично определяется свойствами среднего слоя диода, но может быть настроена внешними факторами. В практических генераторах для управления частотой обычно добавляется электронный резонатор в виде волновода , микроволновой полости или сферы ЖИГ . Диод обычно устанавливается внутри полости. Диод компенсирует сопротивление потерь резонатора, создавая колебания на его резонансной частоте . Частоту можно настраивать механически, регулируя размер полости или, в случае сфер ЖИГ, изменяя магнитное поле . Диоды Ганна используются для создания генераторов в диапазоне частот от 10 ГГц до ТГц .
Диоды Ганна на основе арсенида галлия рассчитаны на частоты до 200 ГГц, материалы на основе нитрида галлия могут достигать частот до 3 терагерц . [1] [2]
Диод Ганна основан на эффекте Ганна, и оба названы в честь физика Дж. Б. Ганна . В IBM в 1962 году он открыл эффект, потому что отказался принимать противоречивые экспериментальные результаты в арсениде галлия как «шум», и определил причину. Алан Чиновет из Bell Telephone Laboratories показал в июне 1965 года, что только механизм перенесенных электронов может объяснить экспериментальные результаты. [3] Было установлено, что обнаруженные им колебания объясняются теорией Ридли–Уоткинса–Хилсума , названной в честь британских физиков Брайана Ридли , Тома Уоткинса и Сирила Хилсума , которые в научных работах 1961 года показали, что объемные полупроводники могут проявлять отрицательное сопротивление , что означает, что увеличение приложенного напряжения приводит к уменьшению тока .
Эффект Ганна и его связь с эффектом Уоткинса-Ридли-Хилсума появились в литературе 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 определяют полупроводниковый материал и которые используются для проектирования полупроводниковых приборов . Эта третья зона (их может быть больше) имеет более высокую энергию, чем обычная зона проводимости, и обычно пуста при комнатной температуре до тех пор, пока не будет подана энергия для продвижения электронов в нее. Энергия поступает из кинетической энергии баллистических электронов , то есть электронов в зоне проводимости, но движущихся с достаточной кинетической энергией, чтобы они могли достичь более высокой зоны. Дополнительная кинетическая энергия обычно обеспечивается электрическим полем, приложенным извне к устройству.
Эти электроны либо начинаются ниже уровня Ферми и получают достаточно длинный средний свободный пробег, чтобы получить необходимую энергию путем приложения сильного электрического поля, либо они инжектируются катодом с правильной энергией. При приложении прямого напряжения уровень Ферми в катоде перемещается в третью зону, а отражения баллистических электронов, начинающихся около уровня Ферми, минимизируются путем согласования плотности состояний и использования дополнительных интерфейсных слоев, чтобы позволить 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 зоны с более высокой энергией, заставляя их двигаться медленнее (хотя они имеют более высокую энергию), 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 будут образовываться небольшие сегменты с низкой проводимостью, в то время как остальная часть катода будет иметь высокую проводимость. Большая часть падения напряжения на катоде будет происходить поперек сегмента, так что он будет иметь высокое электрическое поле. Под влиянием этого электрического поля оно будет двигаться вдоль катода к аноду. Невозможно сбалансировать заселенность в обеих зонах, поэтому тонкие слои с высокой напряженностью поля всегда будут находиться на фоне низкой напряженности поля. Таким образом, на практике при небольшом увеличении прямого напряжения на катоде создается сегмент с низкой проводимостью, сопротивление увеличивается, сегмент перемещается вдоль стержня к аноду и, достигнув анода, поглощается, и на катоде создается новый сегмент, чтобы поддерживать общее напряжение постоянным. Любой существующий слой гасится, если напряжение понижается, а сопротивление снова уменьшается.
В этом контексте баллистические электроны — те, которые движутся с минимальным рассеянием — играют решающую роль. Они могут перемещаться по полупроводнику с большой длиной свободного пробега, эффективно получая необходимую энергию для перехода в более высокие энергетические состояния.
Лабораторные методы, используемые для выбора материалов для изготовления диодов Ганна, включают фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением .
Из-за своей высокочастотной способности диоды Ганна в основном используются на микроволновых частотах и выше. Они могут производить одну из самых высоких выходных мощностей среди полупроводниковых приборов на этих частотах. Их наиболее распространенное применение — в генераторах , но они также используются в микроволновых усилителях для усиления сигналов. Поскольку диод является однопортовым (двухвыводным) устройством, схема усилителя должна разделять исходящий усиленный сигнал от входящего входного сигнала для предотвращения связи. Одной из распространенных схем является усилитель отражения , который разделяет сигналы с помощью циркулятора . Для изоляции тока смещения от высокочастотных колебаний необходим тройник смещения .
Генераторы на диодах Ганна генерируют микроволновую энергию для: [6] бортовых радаров предотвращения столкновений , антиблокировочных тормозов , датчиков для контроля потока движения, автомобильных радар-детекторов , систем безопасности пешеходов, регистраторов «пройденного расстояния», датчиков движения , датчиков «низкой скорости» (для обнаружения движения пешеходов и транспорта со скоростью до 85 км/ч (50 миль/ч)), контроллеров светофоров, автоматических открывателей дверей, автоматических шлагбаумов, оборудования управления технологическими процессами для контроля пропускной способности, охранной сигнализации и оборудования для обнаружения нарушителей, датчиков для предотвращения схода поездов с рельсов, дистанционных вибродетекторов, тахометров скорости вращения, мониторов содержания влаги.
Благодаря низкому напряжению работы диоды Ганна могут служить генераторами СВЧ для очень маломощных (несколько милливатт) микроволновых приемопередатчиков, называемых Gunnplexers . Британские радиолюбители впервые использовали их в конце 1970-х годов, и многие конструкции Gunnplexer были опубликованы в журналах. Обычно они состоят из приблизительно 3-дюймового волновода, в который вмонтирован диод. Для питания диода используется низковольтный (менее 12 вольт) источник постоянного тока, который можно соответствующим образом модулировать . Волновод блокируется на одном конце, образуя резонансную полость, а другой конец обычно питает рупорную антенну . Дополнительный « смесительный диод» вставляется в волновод, и он часто подключается к модифицированному приемнику FM-вещания, чтобы можно было слушать другие любительские станции. Gunnplexers чаще всего используются в любительских диапазонах 10 ГГц и 24 ГГц , а иногда охранные сигнализации 22 ГГц модифицируются, так как диод(ы) могут быть помещены в слегка расстроенную полость со слоями медной или алюминиевой фольги на противоположных краях для перемещения в лицензированный любительский диапазон. Если диод смесителя не поврежден, он повторно используется в своем существующем волноводе, и эти детали хорошо известны своей чрезвычайной статичной чувствительностью. В большинстве коммерческих устройств эта часть защищена параллельным резистором и другими компонентами, а вариант используется в некоторых атомных часах Rb. Диод смесителя полезен для низкочастотных приложений, даже если диод Ганна ослаб от использования, и некоторые радиолюбители использовали их в сочетании с внешним генератором или диодом Ганна с длиной волны n/2 для поиска спутников и других приложений.
Генераторы Ганна используются в качестве локальных генераторов для радиоастрономических приемников миллиметровых и субмиллиметровых волн. Диод Ганна устанавливается в полости, настроенной на резонанс на удвоенной основной частоте диода. Длина полости изменяется с помощью микрометрической регулировки. Доступны генераторы Ганна, способные генерировать более 50 мВт в диапазоне настройки 50% (одна полоса волновода). [7]
Частота генератора Ганна умножается с помощью диодного умножителя частоты для приложений в субмиллиметровом диапазоне волн.
