Диод Ганна - это полупроводник, который способен заниматься генерацией колебаний на различных частотах. В магазинах электроники устройства продаются разных типов. Также стоит отметить, что они отличаются по размеру. К основным параметрам модификаций относится проводимость тока, напряжение, максимальная частотность и сопротивление.
Устройство диода Ганна схожее с обычным полупроводником. Стандартная модель состоит из тонкого слоя арсенида. Также внутри устройства имеется специальная среда галлия и контакты. Под слоем арсенида располагаются легирующие примеси и электроды. Технология изготовления диода Ганна на разных предприятиях может отличаться.
Как он работает?
Как говорилось ранее, имеются разные типы диодов. Принцип работы устройств построен на преобразовании колебаний. Происходит это за счет изменения частотности в цепи. Первоначально напряжение подается на контакты, где возбуждается слой арсенида. Далее задействуются непосредственно электроды. При этом сила магнитного поля возрастает. Оптические контакты в системе необходимы для увеличения сопротивления. Процесс генерации колебаний осуществляется в легирующих примесях. Повышение скорости насыщения в данном случае зависит от проводимости электродов.
Применение диодов Ганна
Диоды активно применяются в генераторах разной частотности. Также стоит отметить, что они часто устанавливаются в контроллеры. Еще их можно встретить в трансформаторах. Однако устройства подходят не для всех типов модификаций. Для того чтобы более подробно разобраться в этом, надо рассмотреть типы диодов.
Виды модификаций
На сегодняшний день выделяют корпусные и бескорпусные устройства. Они отличаются по проводимости, а также защищенности. Также стоит отметить, что разделение модификаций осуществляется по длине. Существуют диоды на 20, 50 и 100 мкм.
Корпусные диоды
Корпусный полупроводниковый диод Ганна (фото показано ниже) подходит для генераторов разной частотности. Если верить экспертам, то модификации обладают хорошей проводимостью. Подключение устройств может осуществляться через контактные модуляторы. Технология изготовления диода Ганна на различных фабриках может отличаться. В некоторых случаях используются канальные переходники.
Также стоит отметить, что корпусные диоды обладают хорошей защищенностью. Параметр рабочей влажности у них равняется примерно 55 %. При этом минимальная допустимая температура составляет -30 градусов. Модели также хорошо подходят для конденсаторных трансформаторов. За счет представленных диодов достигается высокая скорость электродов.
Лавиннопролетные бескорпусные устройства
Бескорпусные лавиннопролетные диоды Ганна используются, как правило, для работы контроллеров. Параметр проводимости у многих моделей стартует от 30 мк. При этом обеспечивается высокая скорость электродов. Если рассматривать серийный диод Ганна, конструкция у него схожа с линейным полупроводником. При напряжении 12 В показатель перегрузки у моделей равняется не менее 55 А.
Однако в данном случае многое зависит от размера модификации. Также стоит учитывать тип транзистора, который используется для подключения к контроллеру. Во многих случаях устройства могут подсоединяться через распределитель. В такой ситуации сопротивление составляет примерно 2 Ом. Скорость насыщения зависит от количества легирующих примесей. Стоит отметить, что модификации не подходят для бесконтактных котроллеров. Основная проблема тут кроется в малой скорости насыщенности.
Устройства на 20 мкм
Большой популярностью пользуется этот диод Ганна. Принцип работы у него построен на генерации колебаний. Модели замечательно подходят для котроллеров приводного типа. Также стоит отметить, что модификации отличаются хорошим отрицательным сопротивлением при малых тепловых потерях. Однако у них есть определенные недостатки.
В первую очередь эксперты отмечают низкий показатель перегрузки при напряжении в 10 В. У моделей не самая лучшая защищенность. Рабочая влажность диодов на 20 мкм равняется 40 %. Легирующие примеси в данном случае медленно взаимодействуют с катодом. Скорость электродов зависит не только от проводимости, но и сопротивления.
Модификации на 50 мкм
Диод Ганна (обозначение 50 мкм указано на корпусе) разрешается применять для мощных генераторов. Подключение модификаций осуществляться может только через переходные конденсаторы. Если рассматривать диод Ганна 3А716И, то параметр допустимого напряжения равняется 15 В. Защищенность модели в данном случае зависит от типа блокиратора, который используется в оборудовании. Проводимость в среднем поддерживается на отметке 40 мк. Некоторые эксперты говорят о том, что представленные полупроводники обладают не лучшей проводимостью.
Однако стоит отметить, что процесс генерации колебаний происходит очень быстро. При этом обеспечивается высокий уровень насыщенности арсенида. Среда галлия остается активной даже при повышении температуры. Отдельно важно отметить, что модификации на 50 мкм подходят для кодовых контроллеров. Для подключения применяются транзиторные блоки. В данном случае проводимость обеспечивается на уровне 45 мк. При этом сопротивление у диодов максимум равняется 2 Ом. У них обеспечивается отличная защищенность, скорость электродов поддерживается на высоком уровне. Если говорить про недостатки таких систем, то важно отметить, что у них малая скорость насыщенности. Во многом это связано с наличием примесей в среде галлия.
Также можно упомянуть о том, что контакты часто перегреваются, процесс генерации колебаний может сильно замедляться. Для решения представленной проблемы могут использоваться переходные фильтры. В первую очередь они повышают отрицательное сопротивление. Также они хорошо влияют на проводимость электродов.
Отличие устройств на 100 мкм
Среди закрытых моделей часто встречается данный диод Ганна. Принцип действия модификаций построен на преобразовании колебаний. Для этого задействуется нижний слой арсенида. Если рассматривать обычный диод Ганна, конструкция у него является схожей с линейным полупроводником. Оптические контакты играют роль проводников.
Если говорить о применении модификаций, то стоит отметить, что диоды на 100 мкм неплохо подходят для кодовых контроллеров. Работать они способны при напряжении 13 В. В это время показатель перегрузки тока не должен опускаться ниже отметки 40 А. Отрицательное сопротивление в системе зависит только от скорости генерации колебаний. Также стоит отметить, что диоды на 100 мкм часто применяются для приводных котроллеров.
Модификации для генераторов на 10 ГГц
Для генераторов на 10 ГГц подходят диоды закрытого типа. При этом длина модификации не имеет значения. Непосредственно подключение устройства осуществляется через обычный переходной конденсатор. Также подходят полевые аналоги, у которых высокий параметр отрицательного сопротивления. Модификации для генераторов на 10 ГГЦ должны работать при напряжении не ниже 10 В.
Также стоит отметить, что нельзя подключать модификации через обычный проводной контактор. В первую очередь он снижает проводимость устройства. При этом уменьшается скорость электродов. Оптические контакторы для этих целей подходят замечательно. Они абсолютно не влияют на коэффициент теплопроводимости. В среднем отрицательное сопротивление поддерживается на уровне 4 Ом.
Устройства для генераторов на 15 ГГц
Под генераторы на 15 ГГц разрешается применять диоды только закрытого типа. Как правило, подключение модификаций осуществляется через консольные конденсаторы с проводимостью на уровне 4 мк. В некоторых случаях используются обычные контакторы. Однако они должны работать при напряжении 10 В. С защищенностью у генераторов все нормально. Оптические контакты диодов довольно быстро возбуждаются. Также эксперты указывают на высокую скорость электродов. Во многом это связано с высокой проводимостью. Скорость насыщения при этом регулируется коннектором. Если говорить про минусы, то стоит учитывать малый порог рабочей температуры. Допустимая влажность среды находится на уровне 55 %.
Слой зарядов модификации зависит от скорости процесса генерации колебаний. В некоторых случаях диоды подключаются через открытые транзисторы. В таком случае в цепи используются сеточные фильтры. В результате проводимость на пределе равняется 40 мк. При напряжении 12 В генератор с диодами должен выдавать перегрузку не менее 5 А. При понижении скорости электродов меняется контактор. Также проблемы могут заключаться в транзисторе. Модификации низкой проводимости не способны поддерживать постоянный импульс в системе.
Диоды для генераторов на 20 ГГц
Для генераторов на 20 ГГц используются диоды открытого и закрытого типа. В данном случае большую роль играет выбранный конденсатор. Как правило, используются модификации с выходным напряжением на уровне 30 В. Однако стоит помнить об отрицательном сопротивлении. При занижении этого параметра значительно падает скорость электродов. Также возникают проблемы с проводимостью и тепловыми потерями.
Параметр перегрузки у генераторов в основном не опускается ниже отметки 5 Н. У модификаций очень хорошая защищенность. При этом насыщенность легирующих примесей зависит от сопротивления на выходе. Для подключения через коннектор используются приводные переходники. Во многих случаях применяются именно трансиверы. Для поддержания стабильного напряжения устанавливаются стабилизаторы. Однако важно отметить, что диоды значительно теряют в проводимости при использовании коммутационных трансиверов.
Модели для оперативных резонаторов
Оперативные резонаторы нуждаются в быстрой генерации колебаний. Диоды данного типа хорошо подходят для этих целей. При установке модификации стоит в первую очередь заняться замером отрицательного сопротивления. Также не стоит забывать про проводимость оптических контактов, от которых зависит скорость электродов. Для повышения потенциала устройства рекомендуется применять емкостные трансиверы.
Параметр напряжения в этой ситуации на пределе будет достигать 30 В. Перегрузка диода зависит исключительно от проводимости конденсатора. Также стоит отметить, что при установке модификации стоит использовать фильтры на обкладках. В первую очередь они решают проблемы защищенности среды галлия. Также они положительно влияют на легирующие примеси.
Диоды в импульсных резонаторах
Конкретно для импульсных резонаторов подходят диоды на 20 и 50 мкм. При подключении устройств применяются кодовые переходники. В некоторых случаях используются коннекторы. Проводимость модификаций зависит от скорости насыщений и уровня отрицательного сопротивления. Если рассматривать схему с приводным контроллером, у нее напряжение на пределе равняется 40 В. Защищенность при этом поддерживается на высоком уровне. Недостатком такой системы считается низкая проводимость при малой частоте, а перегрузка равняется только 4 А.
Скорость насыщения поддерживается на высоком уровне, однако это достигается значительными тепловыми потерями. Если рассматривать схему на то там используется два фильтра. Непосредственно диод Ганна подходит на 20 мкм. Устанавливаться он обязан за переходником. В таком случае напряжение на пределе равняется примерно 10 В с отрицательным сопротивлением на уровне 4 Ом.
Применение устройств в приводных контроллерах
Для приводных контроллеров подходит диод Ганна на 100 мкм. Подключение модификаций осуществляется, как правило, через триоды. Данные устройства обладают неплохой проводимостью и способны работать с сеточными фильтрами. Им не страшны тепловые потери, а напряжение поддерживается на уровне 30 В. У моделей обеспечивается хорошая защищенность и высокая скорость электродов. Некоторые эксперты также активно используют диоды в цепях с компараторами, которые подключаются через два переходника. Регуляторы для таких систем подходят линейного типа.
Модели для частотных контроллеров
С целью обеспечения нормальной работы частотных контроллеров можно использовать диод Ганна только закрытого типа. При этом длина модификации может составлять 20 либо 50 мкм. В данном случае многое зависит от проводимости непосредственно контроллера.
Если рассматривать схему на полевом конденсаторе, то там отрицательное сопротивление на пике равняется 4 Ом. При напряжении 10 В устройство стабильно работает и показывает высокую скорость электронов. Насыщенность зависит от защищенности переходных контактов. Также при подключении диодов важно обращать внимание на проводимость внутри цепи между направляющими.
Диоды в широтных контроллерах
Для широтных контроллеров подходят модификации на 50 мкм. Подключать устройства можно через трансивер. Однако переходники подбираются на два контакта. В такой ситуации обеспечивается проводимость 55 мк при напряжении 12 В. При подключении модификации важно оценить отрицательное сопротивление. Также уделяется внимание контактору на обмотке. Максимальная допустимая перегрузка контура составляет 3 Ню. Для повышения защищенности модификации используются только релейные фильтры. При включении контроллера порог выходного напряжения не должен превышать 15 В.
При самостоятельной сборке различных электроприборов не обойтись баз такого изделия, как полупроводниковый диод. Это устройство применимо для работы многих приборов, которые люди собирают в домашних лабораториях.
Но для того чтобы применять такое устройство, необходимо знать некоторые его особенности: его виды (типы) и их характеристики (например, ВАХ или вольт амперная характеристика), принцип действия, и многое другое.
Обо всем этом вы узнаете из нашей статьи.
Начнем с азов
Диод представляет собой полупроводниковое двухвыводное радиоэлектронное устройство, которое обладает вольт амперной характеристикой или ВАХ. Благодаря ВАХ электрический ток по изделию может течь только по одному направлению. Это направление определяется в ситуации, когда при прямом смещении сопротивление будет практически равно нулю. При другом направлении нелинейная ВАХ, как особая характеристика изделия, не позволяет току протекать, поскольку в этом случае сопротивление будет велико.
Устройство изделия
На ВАХ основано исследование данных типов компонентов. Реферат о свойствах диодных полупроводников можно написать про ВАХ, различные виды изделий, а также о том, какой их общий принцип работы. При этом реферат будет содержать в каждом случае разную информацию, так как здесь сложно изложить суть в кратком объеме.
После того, как мы разобрались, что собой представляет диод, можно выяснить основные моменты его полупроводникового вида.
Полупроводниковый диод (диодный вентиль) представляет собой изделие, изготовленное из полупроводниковых материалов (зачастую кремния). Поскольку у него есть вольт амперная характеристика, то ток здесь может течь только в одном направлении.
Главным компонентом такого электрического элемента является кристаллическая часть, в которой есть p-n переход. Переход подключен к двум электрическими контактами. Сама вакуумная трубка имеет два электрода: нагретый катод и пластину (анод).
Такая структура, а также принцип работы, позволяет применять их для:
- улучшения различных электронных схем;
- преобразования постоянного и переменного тока;
- усовершенствования различных устройств.
Реферат может более полно описать каждый способ применения.
О важном свойстве
ВАХ полупроводникового элемента
Самым важным параметром в характеристике полупроводниковых диодных компонентов электрических систем является ВАХ. Как уже говорилось выше, под ВАХ понимается вольт амперная характеристика диода. Эта характеристика определяет зависимость тока, проходящего через p-n переход, к полярности, а также величине приложенного к нему напряжения. Данная зависимость имеет вид кривой, представленной на рисунке снизу.
Рисунок изображает ВАХ для обратного и прямого типа включения.
Эта характеристика используется для создания эффективных электрических схем, предназначенных для самых разнообразных целей.
Как работает
Принцип действия, в своей основе, содержит свойства этого электронно-дырочного перехода. Здесь свойства перехода зависят от того, какая имеется вольт амперная характеристика (ее сильная асимметрия по отношению к нулю). Любой реферат расскажет об этом. Следовательно, принцип работы предполагает два типа включения:
- прямое. Здесь диод обладает слабым электросопротивлением, в связи с чем электрический ток и может течь. Это демонстрирует рисунок, который дополняет профильный реферат;
Прямое включение
- обратное. Ток прекращает течь при создании ситуации, когда напряжение меньше напряжения пробоя для имеющегося сопротивления. Такой рисунок тоже должен содержать любой тематический реферат.
Обратное включение
Данный принцип действия характерен почти для всех полупроводниковых диодов, за исключением ганна.
Варианты исполнения
На сегодняшний день полупроводниковый диод может быть представлен различными видами устройств. Их классификация основана на принципе действия, материале изготовления и т.д.
Существует и классификация, которая основана на области применения. Согласно ней выделяют следующие типы диодов:
- импульсные;
- стабилитроны;
- точечные;
- сплавные;
- лазер;
- светодиоды;
- варикапы и прочие типы.
Специальный реферат о каждом виде расскажет более детально, указав особенности работы, вольт амперные характеристики, свойства и т.д. для каждого типа.
Обратите внимание! Такие диоды часто применяются как выпрямительный поликристаллический аналог мостов.
Помимо этого существует и друга классификация данной продукции, основанная на функциональном предназначении:
- выпрямительный. Такие диоды предназначены для того чтобы выпрямлять переменный ток. Здесь коэффициент выпрямления будет равен отношению прямого и обратного токов (напряжение равное);
- высокочастотный. Как правило, с ними проводят исследование, связанное с работой приборов сверхвысокой и высокой частоты. Часто применяются для детектирования, а также моделирования сверхвысокочастотных колебаний. Частота может доходить до сотен мегагерц;
- варикапы. Их принцип работы базируется на изменении свойств емкости электронно-дырочного перехода. Емкость может меняться в зависимости от обратного прикладываемого напряжения;
- туннельный. Здесь усиление туннельного эффекта p-n-перехода достигается за счет использования больших концентраций различных легирующих примесей.
Данная классификация применяется чаще всего.
Также типы диодов различаются по конструкции. Они могут быть:
- плоскими;
- точечными;
- микросплавными.
По делению в зависимости от мощности, выделяют такие типы:
- мощные;
- средней мощности;
- маломощные.
По параметру частоты данная продукция делится на:
- высокочастотные;
- низкочастотные;
Разнообразие диодов
Полупроводниковые диоды имеют большое количество делений по классам, мощностям, частотам и прочим параметрам, что демонстрирует их широкое применение.
Отдельный подвид
Особняком в классификации полупроводниковых типов диодов стоит ганна. Это связано с тем, что данное устройство не имеет типичного для всех перечисленных выше диодов p-n-перехода.
Диод ганна обладает дифференциальным отрицательным сопротивлением. Из-за этого ганна часто используется в роли генератора малой мощности при формировании микроволн.
Строение диода ганна
Диод ганна в своей конструкции имеет полупроводник N-типа. В этом проводнике электроны выступают в роли основных носителей заряда. На рисунке, где изображено строение диода ганна, видна активная область. Она представляет собой низколегированный слой арсенида галлия. С двух сторон активной области наращиваются специальные эпитаксиальные слои из высоколегированного GaAs. Толщина слоя составляет примерно 8-10 микрометров.
В результате активная область получается зажатой между 2-мя зонами, оснащенными омическими контактами. Это дает возможность обеспечить эффективный теплоотвод, который помогает избежать перегрева или повреждения выхода диода. На таком строении и основан эффект ганна, который применяется при формировании микроволн.
Как видим, диод ганна имеет совершенно иное строение, чем привычные нам изделия, обладающие p-n-переходом.
Достоинства продукции
Все варианты полупроводниковых диодов имеют следующие преимущества, которые сделали их постоянными составляющими многих электрических схем:
- высокие пропускные способности;
- полная взаимозаменяемость;
- невысокая стоимость, поэтому данный тип изделий может использоваться для улучшения разнообразных электрических схем. По кошельку такая модернизация уж точно не ударит;
- доступность, купить их не составит проблемы.
Обратите внимание! Найти такие диоды можно в любом радиотехническом магазине или рынке. При этом можно достать как отечественные изделия, так и зарубежную продукцию.
Что обозначает маркировка
Маркировка на диодах
Каждый полупроводниковый диодный элемент обладает определенной маркировкой. Она может отличаться в зависимости от характеристик изделия, его вида, мощности и прочих параметров.
Маркировка, которая нанесена на такого рода компоненты электрических схем, является аббревиатурой и отражает параметры устройства. К примеру, маркировка КД196В расшифровывается следующим образом:
- кремниевый диод, имеющий напряжение пробоя до 0,3 В;
- напряжение 9,6 (цифра 96);
- модель третьей разработки.
Чтобы приобрести необходимый полупроводник, нужно внимательно изучить маркировку и знать, как она расшифровывается.
Заключение
Полупроводниковые диоды обладают просто огромным разнообразием форм и видов. Каждый отдельный тип имеет свои уникальные характеристики и свойства, что позволяет использовать его в конкретной ситуации. Этот факт следует учитывать при приобретении таких компонентов электрической схемы для электроприборов, чтобы купить действительно нужный.
Надеемся, наша статья помогла вам разобраться во многих нюансах и тонкостях этой разновидности радиотехнических устройств.Как правильно сделать освещения кухни ресторана
Как пользоваться индикатором, какие бывают типы прибора
Диод Ганна представляет собой кристалл однородного полупроводника типа n, чаще всего арсенида галлия (GaAs) с металлическими контактами на краях. Диод Ганна обладает объемной отрицательной дифференциальной проводимостью. Поэтому применяется для построения автогенераторов и усилителей колебаний СВЧ. Если к кристаллу арсенида галлия приложить постоянное напряжение и изменять его значение, то ток через кристалл будет изменяться по сложному закону, представленному на рис. 4.34.
Такая характеристика диода Ганна является следствием появления неустойчивости в распределении пространственного заряда в объеме кристалла при некотором значении внешнего напряжения Е, превышающем так называемое пороговое значение его: Е= 2 ... 5 кВ/см.
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 (см. рис. 4.34). Но когда напряженность поля Е достигает значения, превышающего пороговое Еп, 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 (или на грани контакт - кристалл) появляется неоднородность, действие которой приводит к увеличению напряженности поля Е. Скорости электронов в этом месте уменьшаются. Те, которые ближе к катоду, догоняют замедленные. В результате нарушается равномерное распределение пространственного заряда, появляются слои с отрицательным (1) и положительным (2) зарядами (рис. 4.35).
Процесс образования слоев пространственного заряда происходит лавинообразно. В результате в полупроводнике образуется область сильного электрического поля, называемая доменом. Увеличение 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 (см. рис. 4.34). Это проявляется как отрицательное сопротивление.
При уменьшении внешнего напряжения, приложенного к полупроводнику с доменом, ток через диод практически не меняется до некотого значения Е, при котором домен исчезает: Е = Егаш
Режим работы генератора на диоде Ганна зависит от параметров диода и схемы, а также от напряжения питания.
Домен перемещается от катода к аноду со скоростью VДР, примерно равной дрейфовой скорости электронов. Во время движения домена от катода к аноду через полупроводник протекает ток, I1. Когда домен достигает анода, ток возрастает. Следовательно, во внешней цепи при Е>Еп протекает прерывистый ток. Это явление называется эффектом Ганна. Таким образом, при увеличении напряжения сверх порогового значения Е>Еп происходит уменьшение скорости электронов вследствие появления доменов, что соответствует объемной отрицательной дифференциальной проводимости. Это свойство диода Ганна и используется для построения автогенераторов СВЧ. Для этого к диоду подключается резонансная система, как показано на рис. 4.36.
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 (η=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. 4.37.
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.
Модуляция в таких генераторах применяется чаще всего частотная с помощью гиромагнитных резонаторов на основе железо-иттриевого граната (ЖИГ-сфера). Генераторы на таких элементах перестраиваются по частоте в пределах октавы при небольшой сопутствующей амплитудной модуляции.
Другой способ частотной модуляции в генераторах на диодах Ганна основан на включении варикапов и обеспечивает диапазон перестройки в трехсантиметровом диапазоне в пределах от 100... ...200 МГц до 1 ... 1,5 ГГц.
Диапазон механической перестройки частоты генераторов на диодах Ганна определяется конструкцией и зависит от средней частоты. На сантиметровых волнах в волноводных конструкциях отношение крайних частот перестраиваемого диапазона составляет 1,5, на миллиметровых волнах - 1,2, в коаксиальной конструкции - около 2.
Амплитудную модуляцию можно осуществить изменением напряжения питания. Но из-за нелинейности модуляционной характеристики амплитудная модуляция гармоническим сигналом не применяется. На практике применяется лишь импульсная амплитудная модуляция.
В качестве материала структуры используется обычно арсенид галлия (GaAs) n-типа, возможно применение фосфида индия (InP). Отрицательное дифференциальное сопротивление диода Ганна является следствием эффекта междолинного переноса электронов, характерного для многодолинных полупроводников, имеющих в зоне проводимости несколько областей (долин).
На рис.3.16 изображена зонная диаграмма арсенида галлия n-типа (n-GaAs) - основного материала, используемого для изготовления ДГ. Электроны в зоне проводимости могут находится в одной из долин, разделенных энергетическим зазором ∆= 0,36 эВ. Электроны, находящиеся в нижней долине, обладают малой эффективной массой m 1 * = 0,07m o , где m о = 9,1×10 -31 кг - масса свободного электрона, и большой подвижностью m 1 = V/Е, находящиеся же в верхней долине имеют значительно большую эффективную массу m 2 * = 1,2m o и как следствие - значительно меньшую подвижность.
В
состоянии термодинамического равновесия,
т.е. в отсутствии внешнего воздействия,
концентрация электронов n 1
и n 2
в нижней и верхней долинах подчиняются
закону Больцмана
n 1 /n 2 =A e -∆/(kT) , (3.16) где k = 1,38×10-23 Дж/град - постоянная Больцмана, А = N 1 /N 2 , (A=70 для GaAs), N 1 , N 2 - плотности энергетических состояний в долинах.
При комнатной температуре Т = 300 К согласно (3.16) n 2 /n 1 = 7×10 -5 , т.е. практически все электроны зоны проводимости находятся в нижней долине. Положение меняется при прикладывании к диоду напряжения Uо. С увеличением U0 возрастает напряженность электрического поля Е =U0/L (L – длина активной области диода) и энергия электронов, что эквивалентно возрастанию температуры Т. В результате возрастает число электронов
проводимости, переходящих из нижней долины в верхнюю.
Средняя дрейфовая скорость электронов при любом значении Е определяется как средняя арифметическая скорость электронов нижней (V1) и
верхней (V2) долин
График зависимости скорости электронов от напряженности электрического поля V(Е) для n-GaAs приведен на рис.3.17. При Е < Епор почти все электроны зоны проводимости находятся в нижней долине n = n1 + n2 = n1, n=0 . Согласно (3.17) V = µE, т.е. зависимость V(Е) имеет линейный характер.
С
увеличнием напряжености поля Е все
большее число электронов переходит в
верхнюю долину (n2 - возрастает, n1 -
уменьшается), при Е > Епор этот процесс
происходит настолько резко, что происходит
уменьшение средней дрейфовой скорости
электронов V. Напряженность поля,
соответствующая максимальной скорости
Vмакс, называют пороговой (или критической)
Из (3.17) следует, что при Е > Eпор, когда n2=n и n1=0, зависимость V(Е) снова должна стать линейной: V = µ 2 E. В действительности при сильных полях Е > Eпор взаимодействие электронов с кристаллической решеткой приводит к насыщению скорости электронов, поэтому V = Vнас = const. Крутизну падающего участка зависимости V(Е) характеризуют дифференциальной подвижностью
µ3 = dV/dE < 0, (3.18)
Плотность электронного тока в однородном полупроводнике пропорциональна средней дрейфовой скорости электронов:
j = GE = e(µ1n1 + µ2n2)E = e(n1 + n2)V, (3.19)
где G- удельная проводимость полупроводника.
При n0 = n1 + n2 = const во всем объеме полупроводника уменьшение скорости электронов с увеличением напряженности поля (dV/dЕ < 0) равносильно уменьшению плотности тока (dj/dE < 0) и следовательно является причиной возникновения в полупроводнике состояния отрицательной дифференциальной проводимости (G < 0).
Полупроводник, обладающий отрицательной дифференциальной проводимостью имеет следующее свойство: если в объеме кристалла полупроводника возникает произвольная флуктуация концентрации носителей заряда ∆n, избыточная по отношению равновесной концентрации и no, то в той области кристалла, где возникла эта флукциация, начнется нарастание пространственного заряда в пространстве и во времени, что приведет к
неустойчивости распределения электрического поля в кристалле при постоянном приложенном напряжении
U > Uпор = Епор×L.
Для более подробного рассмотрения этого свойства обратимся к рис.3.18, который иллюстрирует развитие неустойчивости электрического поля в однородном полупроводнике, обладающем отрицательной дифференциальной проводимостью. Предположим, что при приложении к ДГ напряжения Uo из катода в однородный полупроводник инжектируются электроны, в результате чего в пределах небольшого участка х возникает неоднородность, в виде слоя накопления, в которой количество электронов n > no (рис. 3.18,а). Распределение поля Е(х) связано с распределением заряда n(x) - no уравнением Пуассона:
,
где
ε - диэлектрическая проницаемость.
Там, где n = n 0 ∂E/∂x = 0 и поэтому Е = const. В области же, где n > no, ∂E/∂x > 0, т.е. напряженность поля Е(х) возрастает.
Поскольку напряжение U=, а в области неоднородности ∂E/∂x > 0 напряженности поля Е1 и Е2 окажутся разными: Е1 < Eср = U/L < E2. Если Еср соответствует падающему участку (рис.3.18,в), скорость электронов V1(E1) > V2(E2), заряд движущегося к аноду слоя будет пополняться за счет электронов, поступающих со стороны катода.Увеличение же заряда приведет к увеличению ∂E/∂x в слое и как следствие, к увеличению разности полей Е2 - Е1 (рис.3.18,б). Рост Е2 и уменьшение Е1 будут продолжаться до тех пор, пока растущий слой объемного заряда не исчезнет, достигнув анодного контакта. Затем процесс накопления, перемещения растущего заряда и его рассасывания будет периодически повторяться, причем период равен времени движения заряда через кристалл Т = L/Vнас. При этом будут наблюдаться периодические колебания тока во внешней цепи диода Ганна. В зависимости от длины активной области диода L, концентрации носителей n возможны и другие виды неустойчивости тока в образце GaAs при постоянном приложенном напряжении Uo. Явление возникновения колебаний тока в однородном образце n-GaAs часто называется эффектом Ганна.
Как известно диод – это двухвыводной полупроводниковый радиоэлектронный компонент, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Это позволяет электрическому току течь только в одном направлении, при котором его сопротивление при прямом смещении очень мало (почти нулевое). И на оборот, в другом направлении нелинейная ВАХ не позволяет протекать току, так как она предполагает очень высокое сопротивление (бесконечно большое) при обратном смещении.
Диоды делятся на различные типы в зависимости от их характеристик и принципа работы. Они включают в себя обычный диод, диод Шоттки, диод Шокли, токоограничивающий диод, стабилитрон, светодиод, фотодиод, туннельный диод, варактор, лазерный диод, pin диод, элемент Пельтье, диод Ганна, и так далее.
В данной статье мы подробно рассмотрим принцип работы диода Ганна , характеристики и применение диода Ганна на практике.
Что такое диод Ганна?
Диод Ганна принято рассматривать как один из видов диода, не смотря на то, что он фактически не имеет типичного для диода pn-перехода. Его еще называют прибором с объемной неустойчивостью.
Диод Ганна имеет отрицательное дифференциальное сопротивление и поэтому его часто применяют в качестве генератора малой мощности для формирования микроволн. Он состоит из полупроводника N-типа, в котором электроны являются основным носителем заряда. Для генерации коротких радиоволн, таких как сверхвысокие частоты (СВЧ) используют эффект Ганна.
Структура Диода Ганна
Центральная область, показанная на рисунке ниже - это активная область, которая представлена низколегированным слоем арсенида галлия (GaAs). С обеих сторон активной области наращиваются эпитаксиальные слои высоколегированного GaAs (N-типа) с толщиной примерно от 8 до 10 микрометров.
Активная часть зажата между двумя зонами имеющие омические контакты. Это позволяет обеспечить эффективный теплоотвод, помогающий избежать перегрева и преждевременного выхода диода из строя.
Эффект Ганна
Эффект Ганна был открыт Джоном Ганном в 1960-х годах. После его экспериментов на основе GaAs (Арсенид галлия), он обратил внимание на помехи, возникшие в результате этих опытов. Далее он использовал это для генерации электрических колебаний в диапазоне сверхвысоких частот в устойчивом электрическом поле, величиной больше чем пороговое значение.
Этот эффект Ганна можно определить как генерация СВЧ (частоты порядка нескольких ГГц) возникающая всякий раз, когда напряжение, прикладываемое к полупроводниковому прибору превышает его критическое пороговое значение.
Характеристики Диода Ганна
На графике ниже показана вольт-амперная характеристика диода Ганна в его отрицательной области сопротивления. Эта характеристика похожа на характеристику туннельного диода. 
Как видно из графика изначально по мере увеличения напряжения на диоде происходит увеличение тока, но после достижения определенного уровня напряжения (порогового значения), ток начинает уменьшаться. Та область, где ток падает, называется область отрицательного сопротивления.
СВЧ генератор на диоде Ганна
Диод Ганна используются для построения генераторов микроволн с частотами в диапазоне от 10 ГГц до ТГц. Это устройство, имеющее отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR -Negative Differential Resistance) – также называемого как прибор переноса электронов - является колебательным контуром, состоящий из диода Ганна и подаваемого на него постоянного напряжения смещения (в области отрицательного сопротивления).
Благодаря этому, суммарное дифференциальное сопротивление цепи становится равным нулю, так как отрицательное сопротивление диода сокращается при положительном сопротивлении цепи, что приводит к возникновению колебаний.
Диод Ганна - принцип работы
Этот диод сделан из цельного куска полупроводника N-типа, такого как Арсенид Галлия (GaAs) или Фосфид Индия (InP). Диод Ганна состоит из трех энергетических областей, и эта дополнительная третья область на начальном этапе пуста.
Электроны из зоны проводимости, имеющие ничтожно малое , перемещаются в третью область, поскольку они рассеиваются от приложенного к диоду напряжения. Третья область из GaAs имеет подвижность, которая меньше, чем в зоне проводимости.
Из-за увеличения прямого напряжения увеличивается напряженность поля (приложенное напряжение превышает пороговое значение напряжения), вследствие чего электроны достигают состояния, при котором их эффективная масса увеличивается, а скорость уменьшается, что приводит в конечном итоге к снижению тока.
Следовательно, если напряженность поля увеличивается, то скорость дрейфа будет уменьшаться, при этом создается отрицательное добавочное сопротивление в VI зоне. Таким образом, увеличение напряжения увеличит сопротивление, путем возникновения на катоде так называемого домена сильного поля, который движется и достигает анода.
При достижении анода, домен разрушается, и ток вновь возрастает. При поддержании постоянного значения напряжения, на катоде вновь будет возникать новый домен и все повторится вновь. Частота повторения этого процесса связана с толщиной слоя полупроводника (GaAs), и чем больше его толщина, тем меньше частота повторений.
Применение диода Ганна
Диод Ганна используется в следующих областях:
- в генераторах Ганна для генерации частот в диапазоне от 5 ГГц до 35 ГГц на выходе. Генератор Ганн используются в радиосвязи, в военных и коммерческих радиолокационных установках.
- в железнодорожной сфере в качестве датчиков для выявления нарушителей, в целях предотвращения крушения поездов.
- в качестве эффективных генераторов СВЧ в диапазоне частот до сотен ГГц.
- в детекторах дистанционного измерения вибраций и измерении скорости вращения в тахометрах.
- в качестве СВЧ генератора тока (импульсный генератор на диоде Ганна).
- в передатчиках СВЧ для генерации СВЧ-радиоволн при очень малых мощностях.
А так же в датчиках открывания дверей, устройствах управления процессами, охрана периметра, системы безопасности пешеходов, датчиках уровня, в датчиках измерения влажности и в охранных системах.
