Вместо предисловия! То, что мини-лекция начинается не с каких-то там дидов, а с знакомства с полупроводниками, есть некое обоснование. Ладно бы те неизвестные читатели, но и в большей степени жители ПРОЗы... Жители которые приходят напрямую (не через google или yandex) не понимают, что всё взято из сборника и всё связано с чем-то? Требуют разъяснения... Хотя для этого есть предшествующие мини-лекции! Вот для таких (надеюсь не для всех жителей?) эта часть, о полупроводниках...
ПОЛУПРОВОДНИКИ
Когда люди стали осваивать электричество, то в основном столкнулись с двумя особенностями: окружающие предметы делились две части, одни проводили ток, а другие наоборот — нет! По-русски первые назывались проводниками, а вторые по импортному ДИЭЛЕКТРИКИ (изоляторы). От греческого dia «через»+английский electric «электрический», — вещества обладающие очень малой электропроводностью. Если Вы такой уж дотошный, то проводник это КОНДУКТОР от немецкого konduktor или латинского conductor. На рис.2, голубой блок, интервал значений удельной проводимости проводника, а зелёного цвета, — диэлектриков. Кто, когда обнаружил вещества ведущие себя неправильно, в смысле: не то чтобы проводник, не то чтобы диэлектрик? В чём же неправильность? Посмотрите на рис.1а. Это зависимость сопротивлений проводника (синея линия графика) от температуры и кривая того, неправильного вещества! То есть у проводника с повышением температуры сопротивление линейно повышается, а у вещества наоборот понижается. Такие вещества стали (по чьей-то идее) называться ПОЛУПРОВОДНИКИ. В последствии оказалось, что земная кора на 80% состоит как раз из этих самых полупроводников! Это элементы из таблицы Менделеева: Германий (Ge), Кремний (Si), Селен (Se) и ряд других химических элементов и соединений.... В практике (на сегодня) применяют в основном первые два. В мою память, в пятидесятые был в «моде» СЕЛЕН.
Кроме того полупроводники и металлы имеют и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно изменяться после введения даже ничтожного количества примесей. Как показала практика отличие наших подозреваемых в различной природе химической связи между атомами металлов и полупроводников. В металлах свободные электроны, которые, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе, — их атомы скрепляет ковалентная связь. А, это ещё чё такое?
Посмотрите на рис.1с. Здесь два атома имеющих по одному электрону (условно) образуют ту самую ковалентную связь. В процессе её образования, два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются обобществлённой электронной парой. Эта «сладкая» парочка как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар. По этой причине такая связь называется — парноэлектронной.
Вникнем глубже во все эти атомные штучки-дрючки. Жертвой будет КРЕМНИЙ (Si) и ему же аналогичный ГЕРМАНИЙ (Ge). Оба четырёхвалентны и стало быть повязаны этими валентными электронами со своими соседями. Те в свою очередь повязаны с последним и в итоге на рис.1b кристаллическая решётка а на рис.1d двухмерная плоская схема решётки. Зелёные «шарики» «свои» электроны, а красные чужие, соседей. Но это не значит, что этот «гарем» постоянен. Он перемещается по всему кристаллу удерживая эту прочную связь. В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах (абсолютный нуль) полупроводники близки к диэлектрикам — они не проводят электрический ток. А, что происходит при более высоких температурах?
Здесь на сцене появляется собственная проводимость. Откуда всё берётся и куды девается? Да ковалентная связь прочная, но? Но и она не всегда прочна. При нагревании полупроводника (от абсолютного нуля и выше) электроны достигают энергии достаточной для разрыва связи с атомом. Он, электрон (каков мерзавец) изменяет связи и ударяется в бега. Естественно атом превращается в положительный ион, а в решётке образуется «электрическая дырка». Ну, да. В миру так и называют ДЫРКОЙ. Но электрон-изменник не долго болтается, его срочно женят на другой, случайной дырке. В отсутствие присутствия поля всё происходит хаотически, но при появлении?.. Начинается более-менее упорядоченное движение носителей. Посмотрите на рис.1e и рис.1f. это некое изображение процесса электронно-дырочной миграции... Под воздействием температуры и поля электрон разрывая связь покидает атом и устремляется к положительному потенциалу. Но если на пути встречается молодая, незамужняя... Она-то и захватывает строптивый электрон. А, что с той, бедной и несчастной? Она захватывает другого блуждающего и всё! Ты попал, так попал. Происходит движение электронов (для нас слева-направо), а дырок наоборот. И, что самое противное, дырки движутся, а атомы нет. В детской книжке есть пример со строем ребят (пионеров конечно). Пара пионеров убегают... Следует команда:«Сомкнуть строй!» Ребята по очереди перемещаются (электроны) на место убежавших... Их же освободившееся место (дырка) замещают очередные и тд. Получается: пионеры движутся в одну сторону, освободившееся место в другую. Вот на рисунке и видны все эти передвижки: электроны слева-направо, а дырки справа-налево.
Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью, или проводимостью p-типа. От первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный). Обе проводимости — электронная и дырочная — вместе называются СОБСТВЕННОЙ проводимостью полупроводника. Всё это конечно интересно, но нам-то это так себе, не очень. А, что нам интересно? Правильно, ПРИМЕСНАЯ проводимость. Особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Посмотрите на рис.1. Слева и справа, условно два полупроводника, но не простые, а «зараженные» нехорошими примесями. Слева это пятивалентная СУРЬМА (Sb), справа дрёхвалентный ИНДИЙ (In). От хулиганских действий этой шайки и будет зависеть примесная проводимость.
Сурьма угнездившись в кристалле кремния с удовольствием избавится от своего, пятого валентного. Отчего число электронов (плюс собственная) увеличится. Такая проводимость из вышесказанного будет n-типа или электронной. А, что с индием? Тот негодник будет стараться прихватизировать недостающий (для ковалентной связи) электрон от соседнего атома. Образуется дырка, само-собой... Дальше начнётся цепная реакция образования дырок и их движение к минусу источника. Традиционно такая проводимость будет р-типа или дырочной! Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления РАВНОГО количества подвижных дырок, называются ДОНОРНЫМИ. Донор, от английского donor и латинского donare «давать». Вот интересно, а девочка облегчённого поведения она донор или донорша??? В противовес этому, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво электроны» и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются АКЦЕПТОРНЫМИ. Акцептор от латинского acceptor «принимающий», скажем ельцинскую халяву:фабрики, заводы, газеты и пароходы???
Ну хорошо, доноры, акцепторы, пелёнки, распашонки... Нам-то какой кайф? Ну... в общем-то никакой?! А, вот сам процесс... Нет это не то о чём Вы подумали... Это о стыке двух критических масс n-типа и р-типа. Так называемый р-n-переход! Тот самый на котором и держится полупроводниковый мир... Итак?!
Что мы имеем? Два образца разных типов: р-типа и n-типа. Соединим их вместе рис.2. Если Вы полагаете, что это как две квартиры на площадке, то?.. То Вы заблуждаетесь, под действием тепла все эти электроны и дырки будут блуждать туда-сюда и в том числе через границу перехода. Отрицательно ионизированные примесные атомы области [р] оттолкнут от перехода свободные электроны области [n]. Аналогично положительно ионизированные примесные атомы области [n] оттолкнут от перехода теперь уже дырки. Хотя это и правильно, но не совсем? Но нам-то, что? В конечном счёте мы и видим картинку рис.3. То есть то, что и происходит на стыке образцов. И хотя весь этот р-n толщиной около 0,3 микрон, но роль перехода огромна. Ну хорошо, построили картинку рис.3, и чё? Так Вам и скажи?!
Посредством металлических контактов подключим наш р-n к источнику тока рис.4, 5. Итак рис.4. Как видите, под действием поля электроны и дырки понеслись навстречу друг-другу. В цепи естественно появился ток (стрелочка прибора на максимуме). А теперь вернёмся к рис.3, в смысле понять, что же такое р-n-переход? Это в общем-то забор, штакетник. Он конечно никого не пускает (пока ещё), но если сильно захотеть... Как видите по обе стороны находятся наши шибко ионизированные примесные атомы. То бишь слева, — акцепторы отрицательные, — справа доноры положительные. То есть это поле которое и разогнало электроны и дырки по сторонам. Но вот мы прямо по схеме рис.4 получили поле гораздо большее чем у перехода. Тем самым нейтрализовали... А, что произойдёт если мы в схеме поменяем полярности? Тогда поле перехода и источника объединятся и ширина перехода увеличится, электроны и дырки вообще лишатся что-то сообразить?! Как видите приборчик на нуле. У нас получилась улица с односторонним движением. А так как в схеме два входа-выхода по импортному ДИ, то и у нас получился ДИОД на основе того самого р-n-перехода!
Нам же ещё осталось понять, что такое р и n с плюсиком и ещё более загадочное i на рисунках. С плюсиками всё просто, это те самые легированные примесями кристаллы, но сильнее, больше чем обычно. С i ещё проще это обозначение так называемого собственного полупроводника. Собственный полупроводник или полупроводник i-типа или нелегированный полупроводник (англ. intrinsic — собственный) — это чистый полупроводник, условно без каких либо примесей. Концентрация дырок в нём ВСЕГДА равна концентрации свободных электронов, так как она определяется не легированием, а собственными свойствами материала, а именно термически возбуждёнными носителями, излучением и собственными дефектами. Наконец-то мы подошли к самому главному?! Что такое диоды СВЧ и с чем их едят?! А, это ЛАВИННО-ПРОЛЁТНЫЕ и ДИОДЫ ГАННА.
ЛАВИННО—ПРОЛЁТНЫЕ ДИОДЫ СВЧ
До сих пор мы рассматривали различные СВЧ-приборы, процессы в которых происходили в вакууме. А вот теперь пришла пора поговорить о твёрдотельных приборах без присутствия этого нехорошего вакуума, о полупроводниковых приборах. Их, традиционно много. Полупроводниковые СВЧ-приборы можно разделить на диоды и транзисторы. Но тема наша всё таки диодная...
По типу структуры и технологическим особенностям изготовления диодов их подразделяют на диоды с р-n — переходом; с контактом металл—полупроводник (диоды с барьером Шоттки); со структурой металл—окисел—полупроводник (МОП-диоды) или металл—диэлектрик — полупроводник (МДП-диоды); со структурой типа р-i-n; диоды с накоплением заряда (ДНЗ); туннельные и обращенные диоды; лавинно—пролетные диоды, ЛПД; приборы с объемной неустойчивостью заряда (диоды Ганна). Мы же рассмотрим только два последних типа: лавинно-пролётные (ЛПД) и диод Ганна.
Согласно истории «Древнего Рима», первый полупроводниковый прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением («кристадин») был использован русско-советским физиком О. В. Лосевым в 1922 г. для генерации и усиления высокочастотных колебаний (до 20 МГц). Существуют ЛПД с различными структурами (р—n, р—i—n, р—n—i—р и др.) и режимами работы. Первой предложена ЛПД со структурой типар—n—i—р(диод Рида, 1959 г.), однако эта структура была реализована только в 1965 г. Первый ЛПД создан в СССР А. С. Тагером с сотрудниками на основе обнаруженного в 1959 г. эффекта генерации СВЧ-колебаний при лавинном пробое германиевых диодов.
Лавинно—пролетный диод — это полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного умножения носителей заряда при ОБРАТНОМ смещении электронно-дырочного перехода и предназначенный для УСИЛЕНИЯ и ГЕНЕРАЦИИ СВЧ электромагнитных колебаний. Лавинно—пролетный диод (ЛПД) является прибором с ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ дифференциальным сопротивлением при электрическом ПРОБОЕ и ДРЕЙФЕ носителей зарядов в полупроводнике. Так примерно представляют нам все учебники и прочая литература эту лавинно-пролётную фигню. Примерная структура лавинно-пролетного диода и его вольт-амперная характеристика при обратном напряжении показаны соответственно на рис.6а и рис.12. Здесь видно, что у катода расположен p+—n-переход, который называется слоем лавинного УМНОЖЕНИЯ. У анода — узкая область с электронной проводимостью n+-типа. В областях р+ и n+ повышенная концентрация носителей. Между ними располагается область полупроводника с СОБСТВЕННОЙ i электропроводимостью. Эта область является ДРЕЙФОВЫМ (ПРОЛЁТНЫМ) пространством.
При небольших напряжениях, приложенных к диоду в обратном направлении, обратный ток Iобр небольшой. Но когда к диоду приложено большое напряжение, то при напряженности поля Е >> 100кВ/см в полупроводнике возникает УДАРНАЯ, ЛАВИННАЯ ИОНИЗАЦИЯ, в результате чего ток через диод резко возрастает. Это явление используется для создания электронных СГУСТКОВ. Как в дальнейшем было установлено, что лучший вариант,- использовать p-n-переход, а не чистый полупроводник.
Принцип действия ЛПД основан на взаимодействии ЛАВИНЫ носителей зарядов с электромагнитным полем СВЧ. Если к диоду приложено постоянное напряжение, несколько большее Unроб рис.12, то распределение электрического поля в диоде будет неравномерным рис.6c. В области р+—n-перехода поле имеет максимальное значение, близкое к пробивному Uпроб. В пролетном пространстве рис.6c напряженность поля значительно меньше, но все же достаточна для обеспечения насыщения ДРЕЙФОВОЙ скорости электронов. Если к диоду приложить еще и переменное напряжение СВЧ, то при отрицательном значении этого напряжения рис.12 происходит пробой и равномерный электронный поток небольшой плотности превращается в электронные сгустки. Так как лавинный поток нарастает медленно, то образования сгустков происходит с задержкой. Отставание по фазе момента образования сгустков от поля СВЧ составляет примерно пи/2. Поэтому сгусток образуется в момент омегаt = пи. Этот сгусток инжектируется в пролетное пространство, создавая ток конвекции Iк на рис.6d. Далее сгусток движется в пролетном пространстве дрейфа. Электроны на этом участке дрейфуют с одинаковой скоростью Vдр и имеют одинаковое время пролета Tпр. Наилучшие условия передачи энергии электронов полю СВЧ будут, когда угол пролета равен пи. В этом случае электроны дрейфуют в пролётное пространство при тормозящей фазе напряжения СВЧ и отдают свою энергию полю СВЧ. Такой режим работы лавинно-пролетного диода называется ПРОЛЁТНЫМ. Но можно получить и другие режимы работы.
Автоколебательный же режим работы ЛПД можно получить, подключив к диоду резонансную систему LC рис.12а, и подобрав длину пролетного пространства. Время запаздывания лавинного тока-Тз зависит от напряженности электрического поля в лавинном слое. Длительность же импульсов тока наведенного во внешней цепи, определяется временем пролёта электронов Тп в области дрейфа. Вид генератора ЛПД коаксиального типа (разрез) Вы и видите на рис.13. Где: 1-диод ЛПД; 2-изолирующая прокладка; 3-петля связи для отбора СВЧ-энергии; 4-короткозамыкающий поршень настройки резонатора.
В результате лавинных подвижек во внешней цепи диода появляется последовательность импульсов наведенного тока Iн и имеющих длительность Тп. Первая гармоника тока во внешней цепи Iа1 может оказаться в противофазе с переменным напряжением на диоде, имеющимся на нем в результате флуктуаций. Это означает, что ЛПД для внешней цепи обладает отрицательным сопротивлением. При достаточной величине ОТРИЦАТЕЛЬНОГО сопротивления все потери компенсируются и в схеме поддерживаются автоколебания на частоте f = Vдр/2S. В данном случае частота колебания равна частоте пролетного режима, в котором КПД всего лишь равен 20%.
Но генераторы на ЛПД могут работать и в более широком диапазоне частот и с более высоким КПД до 60%. Режим работы ЛПД подбирается напряжением пробоя, которое составляет десятки вольт. Диапазон рабочих частот генераторов на ЛПД составляет единицы и сотни гигагерц. В пролетном режиме работы в диапазоне 8,2... 12,4 ГГц мощность генерируемых колебаний достигает 2,7 Вт в непрерывном режиме и 10 Вт в импульсном режиме. И под занавес... На рис.13, в общем поле два СВЧ лавинно-пролётных диода: ДЛ-152 и ДЛ-153.
ДИОД ГАННА
Ещё более прибабахнутые это полупроводниковые СВЧ-приборы с объемной неустойчивостью — приборы, в которых генерация или усиление колебаний вызваны НЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ объемного заряда в полупроводниковом материале, вследствие ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ дифференциальной подвижности носителей. Во закрутил, аж сам испугался. Такое свойство предсказывалась почти сразу после появления транзистора, а в 1963 г. была теоретически обоснована такая возможность для АРСЕНИДА ГАЛИЯ (GaAs). Подтверждение было получено в 1964 г. в результате открытия ЭФФЕКТА ГАННА. Поэтому полупроводниковые приборы с объемной неустойчивостью стали почти сразу же называться также ДИОДАМИ Ганна.
Джон Бэттискомб Ганн (13 мая 1928 — 2 декабря 2008) — британский физик (большую часть жизни работавший в США), открывший эффект Ганна, позволивший создать этот чёртов диод, также названный в его честь! Главным достоинством диода Ганна, это источник микроволновых колебаний, не требующий ВАКУУМНЫХ ТРУБОК.
Диод Ганна представляет собой кристалл однородного полупроводника типа n, (электронной проводимости) чаще всего арсенида галлия (GaAs) с металлическими контактами на краях.
А, с чего всё это и начиналось? В экспериментах с образцом GaAs того самого арсенида с галием, обнаружилось, что при подаче напряжения Uo и создания напряжённости Е до Eп = 2...5 кВ/см. образец вдруг начинал генерировать импульсы СВЧ-частоты. Это было открытие...
В последствии Ганн установил, что в образцах арсенида галлия происходили периодические колебания тока с частотой от 0.47 до 6.5 ГГц. Причём частота оказалось зависела от ДЛИНЫ исследуемого материала. А, период оказался примерно равен времени пролета электронов от катода до анода, Тдр., так словно это происходило в слабом поле? рис.9. Уже в первых экспериментах была получена мощность около 0.5 Вт на частоте 1 ГГц при низком КПД = 1...3%.
Если к кристаллу арсенида галлия приложить постоянное напряжение и изменять его значение, то скорость дрейфа Vдр электронов через кристалл будет изменяться по странному закону, представленному на рис.8, а ток, так как на рис.11. Такой странный закон обязан появлению неустойчивости в распределении пространственного заряда при значении внешнего напряжения и напряжённости Е, превышающем то самое, упоминавшееся выше. Такое дипломатическое словоблудие не даёт исчерпывающего ответа. А, какой даёт?
Ну хорошо, Ганн сделал открытие и весьма полезное. А, куда же лошадь-то запрягать? В смысле от чего, что зависит? И вот, после тщательного исследования появилась версия. Если прошурадить литературу по теме (опыт есть), то такое впечатление, что авторы или что-то не знают или сами не уверены в чём-то? Постепенно стали вырисовываться как минимум два варианта. Начнём с простого. Ганн после тщательного исследования установил, что на образце GaAs находится область повышенного сопротивления. Это всё равно что в электрическую цепь включить резистор и на нём? Правильно, будет так называемое падение напряжения. Вот такое же происходит в образце. Ну, почти такое же, почти?! Вот на рис.12 и есть попытка объяснения. В образце помечена та область повышенного сопротивления [s]. При подключению образца к источнику тока напряжённость поля будет как на рис.12b, да тот самый всплеск. Посмотрите на рис.8а. Это попытка объяснить, что происходит внутри.
Жёлтым обозначена та самая противная область. Если там большое сопротивление, значит ток меньше и электронов меньше. Скорость меньше. В то время движущиеся от катода электроны догоняют замедленные и создаётся отрицательное столпотворение электронов. А, что с другой стороны? Электроны не дождавшись соплеменников на скоростях несутся в сторону анода. А атомы-доноры лишившись беглых электронов превратившись в положительных ионов создают положительный заряд. И чем дальше тем больше... А создавшееся поля всё сильнее тормозит напиравших слева... Всё это происходит лавинно-образно. Но мы-то с Вами смотрим как бы остановившийся процесс, а на самом деле всё это движется в сторону анода. Мы так увлеклись, что забыли про то с чего всё и началось? С увеличении поля Е до некоторого порога Еп! На рис.12с как раз показано распределение зарядов в области [s] Это ко всему и распределение количества электронов [n]. На начальном уровне no получилась выемка (слева от образования некой области). Эта область повышенного напряжённости и названой ДОМЕНОМ! ДОМЕН от французского domaine и латинского dominium «владение» небольшая область в веществе, отличающаяся физическими свойствами от смежных областей. Он (домен) как и все электроны движется с дрейфовой скоростью Vдр. Достигнув анода домен уничтожается.
Увеличение же напряженности поля в домене при неизменном внешнем напряжении приводит к снижению напряженности поля за пределами домена. При дальнейшем увеличении внешнего напряжения ширина домена растет быстрее, чем внешнее напряжение, вследствие чего поле в полупроводнике вне домена еще несколько уменьшается. При этом ток через диод уменьшается пропорционально полю рис.11. Это проявляется как ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ сопротивление. При уменьшении внешнего напряжения, приложенного к полупроводнику с доменом, ток через диод практически не меняется до некоторого значения Е, при котором домен исчезает: Е = Егаш.
Сначала, при малых значениях напряженности поля Е, распределение поля внутри полупроводника однородное, так как полупроводник однородный. Подвижность электронов при этом большая. По мере увеличения постоянного напряжения скорости электронов и ток нарастают по линейному закону рис.9. Но когда напряженность поля Е достигает значения, превышающего пороговое Eп, распределение пространственного заряда и поля оказывается неустойчивым. При Е = Еп скорость электронов максимальна. Из-за наличия в полупроводнике примеси в каком-то месте его объема появляется неоднородность, действие которой приводит к увеличению напряженности поля Е. На рис.10 пояснение происходящего, а на рис.11 весь ход процесса. Итак, (см. рис.10) в верхней части распределение поля в месте неоднородности (естественной или искусственной?) Так получается, что сопротивление движению электронов увеличилось. Электроны при встрече с неоднородностью уменьшили свою скорость, а те, что слева, двигаясь от катода догнали их. Постепенно началось группирование и увеличение заряда. С другой, правой стороны неоднородности электроны устремляясь к аноду оголили атомы сделав ту часть области положительно заряженной. В результате нарушается равномерное распределение пространственного заряда, появляются слои с отрицательным и положительным зарядами. В конечном итоге образовалось локальное поле названное позже ДОМЕНОМ, (см. рис.11с и рис.11d.) Начав жить самостоятельно домен двинулся в сторону анода и после поглощения в цепи появляется импульс тока. И пока он двигается в неоднородности зарождается новый домен и тд.
Процесс образования слоев пространственного заряда происходит лавинообразно. В результате в полупроводнике образуется область сильного электрического поля, называемая ДОМЕНОМ. ДОМЕН от французского domaine и латинского dominium «владение» небольшая область в веществе, отличающаяся физическими свойствами от смежных областей. Увеличение же напряженности поля в домене при неизменном внешнем напряжении приводит к снижению напряженности поля за пределами домена. При дальнейшем увеличении внешнего напряжения ширина домена растет быстрее, чем внешнее напряжение, вследствие чего поле в полупроводнике вне домена еще несколько уменьшается. При этом ток через диод уменьшается пропорционально полю рис.5. Это проявляется как ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ сопротивление. При уменьшении внешнего напряжения, приложенного к полупроводнику с доменом, ток через диод практически не меняется до некоторого значения Е, при котором домен исчезает: Е = Егаш.
Рассмотрим другой вариант. Вариант МЕЖДОЛИННОГО ПЕРЕХОДА ЭЛЕКТРОНОВ. Куда, через Альпы? Так их уже перешли!? Короче! Догадался уж?! Правильно посмотрим на всё это с точки зрения Зонной теории. Зонная теория твёрдого тела — квантовомеханическая теория движения электронов в твёрдом теле. А, арсенид с гелием твёрдое? В общем-то, да! Речь идёт о энергии электронов. Точнее о возможных величин энергий. В проводниках, там вааще беспредел, никаких ограничений, а вот в полупроводниках? Тут своя свадьба. Всё поделено на ЗОНЫ. Нет это не про колючую проволоку и прочее. А про энергии электронов в разных условиях: температуре за окном и электрических и других полях (колхозные не в счёт). Итак! Валентная зона. В этой зоне электроны при абсолютном нуле сидят не шелохнувшись и ни в какой проводимости не участвуют (в полупроводниках конечно). На рис.10, слева [ВЗ]. С увеличением температуры, увеличивается и энергия, но на пути к успеху находится [ЗЗ], ЗАПРЕЩЁННАЯ ЗОНА! В силу кристаллической родословности образца электроны не могут иметь те энергетические уровни. А, какие могут? Те самые которые выше [ЗЗ]. И называется она ЗОНА ПРОВОДИМОСТИ. А, та в свою очередь делится на две подзоны: 1 и 2.
Нам-то, что с того? А нам с того то, что при увеличении Е до Еп (точка С) происходит переход электронов с подзоны 1 на подзону 2. Осталось понять как это всё влияет и на что??? А, для этого придётся на познакомиться с ещё некими понятиями, как-то: ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА электрона m* и [мю], подвижность электрона, а также с волновым вектором k или по другим источникам волновым числом k = пи/a. Где [a] Где [а], некий коэффициент характеризующий архитектуру кристаллической решётки!
Итак, идеальный вариант. Зона 1. Имеем: n-количество электронов, [мю1], подвижность электронов в зоне 1, е-заряд электрона и Е,-напряжённость поле битвы, а точнее в точке [С] рис.10! Те же параметры но уже для точки [D] и уже с индексом 2. Конечно же с Е соответствующему [D]. Начинаем. Что произойдёт со всей это командой при увеличении Е?! В смысле с увеличением энергии? Начнётся массовое бегство. Куда? С нижней долины в верхнюю. Ещё не лучше?! Какие ещё долины? Так называют минимумы зависимости энергии от k. Я же Вас в начале предупреждал... Получившиеся загогулины параболического характера имеют в подзонах минимумы названные ДОЛИНАМИ. Соответствие с подзонами: верхняя и нижняя.
Эффективная масса — величина, имеющая размерность массы и применяемая для удобного описания движения частицы в периодическом потенциале кристалла. Можно показать, что электроны и дырки в кристалле реагируют на электрическое поле так, как если бы они свободно двигались в вакууме, но с некой эффективной массой, которую обычно определяют в единицах массы электрона mo.
Что же происходит при перепрыгивания с долины на долину? Если на нижней долине m*= 0,001mo, то на верхней равна 1,2mo. Стало быть подвижность электронов [мю] снизится, и? И произойдёт уменьшение их дрейфовой скорости. Легко показать, что такая ситуация может привести к появлению отрицательного дифференциального сопротивления.
Все эти подвижки так или иначе объясняют картинку рис.8. Если кратко, подвижность электронов связана со скоростью дрейфа. А скорость это и есть ток. Вот на рис.12 внизу раскраска неких формул. Зелёный фон зависимости плотности тока в образце от?.. Да Вы и сами видите. Здесь нужно учесть идеальный случай когда все электроны-мигранты переберутся с нижней долины на верхнюю. И плотность тока будет зависеть только от перемены подвижности [мю]. Графически зависимость плотности тока нижней долины,-прямая 0А, а верхней 0В. Переходной процесс это кривая СD. В идеальном случае скорость дрейфа с точки D и далее начинает возрастать(отрезок DB). Но более точный и реальность показывает, что скорость остаётся постоянной. Формула кофейного цвета угол наклона прямых в соответствие с изменением [мю1], [мю2].
Рассмотренное нами свойство диода Ганна и используется для построения автогенераторов СВЧ. Для этого к диоду подключается резонансная система, как показано на рис.9а. Различают режимы: доменные, ограниченного накопления объемного заряда и гибридные. Доменные режимы бывают трех видов: пролетный, с задержкой образования доменов и с подавлением домена. Доменные режимы реализуются только в дециметровом диапазоне длин волн на частотах порядка единиц гигагерц. Но из-за низкого КПД = 4...6%, практически не используются. Для радиопередающих устройств перспективными являются гибридные режимы и режим ограниченного накопления объемного заряда.
Частота генерации в режиме ограниченного накопления зарядов определяется только внешней резонансной системой. Параметры схемы — амплитуда и частота колебаний, а также напряжение питания — подбираются так, чтобы домен не успевал сформироваться, пока на диоде напряжение больше порогового, и чтобы он успел рассосаться, пока оно меньше порогового. КПД в этом режиме достигает до 25%. Диоды Ганна обладают высокой стабильностью частоты.
Резонансная система в генераторах на диодах Ганна выполняется на основе коаксиальных, микрополосковых или волноводных резонаторов. Конструкция коаксиального генератора на диоде Ганна показана на рис.13. Диод [1] включен последовательно во внутренний проводник отрезка длинной линии. Перестройка частоты осуществляется с помощью короткозамыкающего поршня [4]. Вывод энергии производится посредством витка связи [3]. В цепи питания по постоянному току предусмотрена диэлектрическая прокладка [2]. На рис.12d, поля доменов создающие те самые импульсы тока. Где частота следования в пролётном режиме fпр = Vдр/L. И последнее. На рис.13 в общем поле, отечественный диод, AA703Б.