Diody Gunna

Dioda Gunna (lub mikrofalowe urządzenia elektronowe, TED) jest komponentem półprzewodnikowym o ujemnej rezystancji, który przekształca energię źródła stałego napięcia w energię oscylacji o wysokiej częstotliwości z powodu powstawania silnego pola (domeny). Pomimo faktu, że ten element elektroniczny nazywany jest „diodą”, technologia ta nie opiera się na złączach PN lub zasadzie lawinowej; składa się ona wyłącznie z materiału półprzewodnikowego z domieszką N.

W 1963 roku, badając właściwości związków półprzewodnikowych w wysokim polu elektrycznym, J. Gunn odkrył spontaniczne pojawianie się oscylacji pola elektrycznego w jednorodnych próbkach arsenku galu i fosforku indu w przypadku, gdy zastosowane natężenie pola elektrycznego jest większe niż określony próg. Efekt ten nazwano efektem Gunna od jego odkrywcy, natomiast oparte na nim generatory mikrofalowe nazywane są generatorami diodowymi Gunna. Odkrycie Gunna zakończyło długi okres badań nad znalezieniem zjawisk zapewniających ujemną przewodność objętościową w ciałach stałych.

Zasada działania

Materiał i struktura

Dioda Gunna (GD) jest jednorodnym kryształem półprzewodnikowym opartym na pierwiastkach grupy III-V, w tym GaAs, InSb, InAs, ZnSe i CdTe. Jednak najczęstszym i najczęściej badanym materiałem wykorzystywanym do produkcji diod Gunna jest GaAs. Rysunek 1 przedstawia schematyczną strukturę diody Gunna.

 Główna struktura diody Gunna na podstawie GaAs
Rys. 1. Główna struktura diody Gunna na podstawie GaAs.

Arsenek galu jest dwuwartościowym półprzewodnikiem. Rysunek 2 przedstawia strukturę strefową GaAs.

The zone structure of the GaAs
Rys. 2. Struktura strefowa GaAs.

Jeśli przyłożone pole elektryczne jest wystarczająco duże, część elektronów pobiera energię porównywalną do energii przejściowej ΔW i przechodzi z doliny dolnej do górnej. Duża różnica ruchliwości elektronów pomiędzy tymi dwoma pasmami prowadzi do tego, że począwszy od wartości krytycznej pola elektrycznego (Eth), średnia prędkość dryfu elektronu (Vd) spada wraz ze wzrostem pola elektrycznego. Jeśli pole elektryczne jest większe niż wartość progowa (Eth), charakterystyka woltamperowa GD obejmuje ujemny obszar oporu różnicowego (patrz rys. 3).

Charakterystyka woltamperowa GD
Rys. 3. Charakterystyka woltamperowa GD.

Tworzenie domen silnego pola

W obszarze rezystancji różnicowej ujemnej ładunek jednorodny i rozkład pola w dużej części półprzewodnika są niestabilne, z możliwością tworzenia się domeny.

Efekt Gunna jest związany z faktem, że region silnego pola elektrycznego zwanego domeną elektryczną okresowo powstaje, porusza się i znika w próbce. Domena ta powstaje, ponieważ jednorodny rozkład pola elektrycznego jest niestabilny przy ujemnej rezystancji różnicowej. Załóżmy, że niejednorodny rozkład elektronów przypadkowo pojawia się w postaci warstwy dipolowej w półprzewodniku – stężenie elektronów wzrasta w jednym regionie, a zmniejsza się w drugim (rysunek 4). Między tymi regionami naładowanymi powstaje dodatkowe pole (ΔE) (jak między płytami naładowanego kondensatora). Jeśli doda się je do pola zewnętrznego (E), a oporność różnicowa próbki jest dodatnia (tzn. prąd wzrasta wraz ze wzrostem pola E), to prąd wewnątrz warstwy jest większy niż na zewnątrz (Δj>0). Dlatego elektrony wypływają z obszaru o zwiększonej gęstości w większej ilości niż elektrony płynące wewnątrz. W konsekwencji niejednorodność zmniejsza się. Jeśli jednak rezystancja różnicowa jest ujemna (prąd spada wraz ze wzrostem pola), gęstość prądu jest mniejsza w obszarze większego pola (tj. wewnątrz warstwy). Pierwotnie pojawiająca się niejednorodność nie zmniejsza się, a wręcz przeciwnie, wzrasta. Spadek napięcia na warstwie dipolowej również wzrasta i spada poza nią (ponieważ napięcie całkowite na próbce jest ustawione). Ostatecznie tworzy się domena elektryczna (rysunek 5).

Tworzenie domen elektrycznych. Elektrony poruszają się od lewej do prawej strony, w kierunku przeciwnym do pola E.
Rys. 4. Tworzenie domen elektrycznych. Elektrony poruszają się od lewej do prawej strony, w kierunku przeciwnym do pola E.

Ponieważ domenę tworzą nośniki prądu – “swobodne” elektrony – przemieszcza się ona w kierunku ich dryfu z prędkością (v) bliską prędkości dryfu nośników poza domeną. Zazwyczaj domena powstaje przy katodzie, a nie wewnątrz próbki. Domena znika po osiągnięciu anody. Gdy domena znika, spadek napięcia na niej obniża się i odpowiednio wzrasta na reszcie próbki. W tym samym czasie prąd w próbce wzrasta, ponieważ pole poza domeną wzrasta; gdy pole to zbliża się do pola progowego (Eth), gęstość prądu zbliża się do wartości maksymalnej. Kiedy pole poza domeną przekroczy próg, na katodzie zaczyna powstawać nowa domena, prąd spada, a proces powtarza się. Częstotliwość (ν) oscylacji prądu jest równa odwrotności czasu przejścia domeny przez próbkę: ν=v/l.

Proces tworzenia domeny dipolowej
Rys. 5. Proces tworzenia domeny dipolowej

Reżim pracy

Najczęściej badany i najczęściej stosowany reżim pracy to reżim domenowy generatorów opartych na diodzie Gunna. Reżimy te charakteryzują się istnieniem domeny dipolowej tworzonej przez większość okresu oscylacji.

W ograniczającym nagromadzeniu reżimu ładunków masowych (LABC), częstotliwość napięcia jest tak duża, że spadek napięcia na GD przechodzi obszar ujemnej rezystancji różnicowej szybciej niż τ. Domena nie ma wystarczającej ilości czasu na uformowanie się, a dynamiczna charakterystyka woltamperowa pokrywa się z charakterystyką prędkości dryfu, Vd (E).

Inne reżimy między reżimem LABC a reżimem domeny są nazywane reżimami hybrydowymi. W tych reżimach τ jest porównywalny do okresu oscylacji, a w trakcie jego części występuje nierównomierny rozkład przestrzenny ładunku w próbce. Reżimy te są typowe dla GD o częstotliwości f ≥ 8…10 GHz.

Schemat równoważny

Uproszczony schemat warstwy aktywnej GD pokazano na rysunku 6, gdzie obszar aktywny diody jest modelowany przez równolegle podłączoną pojemność nieliniową, C (U), co odzwierciedla proces akumulacji ładunku i przewodność ujemną G (U). Obie wartości G i C zależą od stałego napięcia oraz amplitudy napięcia mikrofalowego (Um) i częstotliwości.

Simplified equivalent scheme of GD
Rys. 6. Uproszczony równoważny schemat GD

Jakieś pytania?
Proszę skontaktuj się z nami.