Плотность тока через кристалл полупроводника при этом определяется соотношением концентрации «легких» Пх и «тяжелых» «2 электронов

Практически в кристалле или около его невьшрямляюших контактов всегда есть неоднородности, в результате чего возникают локальные напряженности электрического поля, которые превышают среднюю напряженность. В этих местах идет превращение «легких» электронов в «тяжелые», что еще больше увеличивает неоднородность электрического поля. Отклонения напряженности от среднего значения сопровождаются изменениями подвижности носителей и плотности тока в кристалле полупроводника.

Принцип действия диода (генератора) Ганна. Предположим, на однородно легированный кристалл (рис. 4.14, а), имеющий два невьшрямляющих контакта (катод К и анод Л), подано постоянное

напряжение. Оно создает в кристалле напряженность электрического поля Ео, несколько меньшую пороговой {Eo<iEuov> рис. 4.14, б). В этом режиме все свободные электроны в кристалле будут «легкими» и плотность тока через кристалл имеет максимальное значение

где 10= ixifo -дрейфовая скорость движения электронов в кристалле.

Локальная напряженность электрического поля около невы-прямляющих контактов (из-за наличия различных дефектов) может превышать пороговую £пор (см. рис. 4.14, б). За счет этого поля около катода появятся «тяжелые» электроны. Они будут относительно медленно перемещаться к аноду, создавая в кристалле отрицательный объемный заряд (сгусток) электронов (рис. 4.14, в).

В остальной части кристалла «легкие» электроны движутся к аноду быстрее «тяжелых». В результате разности в подвижности □ „ ,„ п «легких» и «тяжелых» электро-

coro-Lr:ZoTrsu нов около сгустка «тяжелых» грамма тока в ием электронов (со стороны анода)

возникает область разрежения электронов, т. е. недостаток электронов, что равносильно образованию некоторого положительного заряда, состоящего из нескомпенсированных ионизированных доноров (рис. 4.14, в).

В результате этих явлений в кристалле возникает домен. Он состоит из двух слоев. Один слой (со стороны катода) из-за избытка «тяжелых» электронов имеет отрицательный заряд. Другой слой (со стороны анода) из-за недостатка электронов имеет положительный заряд.

Домен обладает своим электрическим полем с напряженностью дом- Поле домена направлено в ту же сторону, что и поле в кристалле, созданное внешним источником (см. рис. 4.14, в). Причем по мере образования домена напряженность поля Е в нем растет, а за его пределами уменьшается (рис. 4.14, г). Вследствие этого явления дрейфовая скорость движения Одр2 = Л2£2 «тяжелых» электронов внутри домена увеличивается, а скорость движения «легких» электронов Одр1 = Л1£1 за пределами домена уменьшается. К некоторому моменту времени скорость движения домена Одрг оказывается равной скорости движения «легких» электронов Одр1, т. е. 0др2 = 0др1

или (J,2£2 = M.l£l.

Напряженность поля области разрежения Е меньше напряженности поля £0 при равновесной концентрации, т. е. £i<:£o (см. рис. 4.14, б и г), поэтому и дрейфовая скорость Одр1<Удро, вследствие чего (после образования домена) уменьшится плотность тока через кристалл до значения /мин=е/гогдр1-

Это минимальное значение тока через кристалл (рис. 4.14, д) будет сохраняться в течение всего времени движения (пролета) домена через кристалл прол = 2-1 = /одр2, где / - длина кристалла. Когда домен достигает анода, его заряд исчезает (момент времени tz), плотность тока возрастает до максимального значения /макс, а у катода начинает зарождаться новый домен, и процесс повторяется. В результате этих процессов через полупроводниковый кристалл проходят импульсы тока с периодом следования T=U-1, где tz и 1 - моменты времени соответственно исчезновения и начала образования домена. Период следования (частота колебаний) импульсов определяется только расстоянием / между электродами.

Устройство. Генератор Ганна содержит пластину однородного кристалла арсенида галлия п-типа с невыпрямляющими контактами, нанесенными на ее противоположные стороны. Удельное сопротивление исходного кристалла 1-10 Ом-см. Длина кристалла между электродами в генераторе Ганна до 200 мкм. При большей длине возможно появление нескольких дефектов в кристалле, на которых могут зарождаться домены. Путь, пробегаемый доменом от места зарождения до анода, определяет период колебаний. При зарождении доменов на различных неоднородностях, т. е. на различных расстояниях от анода, колебания некогерентны (имеют различные значения в момент возникновения) и носят шумовой характер. Практически генераторы Ганна применяются на частотах более 1 ГГц, что соответствует длине кристалла /100 мкм.

Минимальная длина кристаллов при традиционном методе изготовления (шлифовки, полировки, травления) технологически реализуемая с 1-2 мкм, величиной порогового напряжения 1 В и при частоте генерации около 30 ГГц. Более перспективны, методы фотолитографии и эпитаксиального наращивания.

Параметры. Генератор Ганна, как и любой СВЧ генератор, характеризуется генерируемой мощностью (в импульсном и непрерывном режимах), частотным диапазоном, к. п. д., уровнем частотных и амплитудных шумов, возможностью частотной перестройки.

Мощность СВЧ колебаний в непрерывном режиме достигает сотен милливатт, в импульсном - сотен ватт. Диапазон частот от 1 до 30 ГГц. К. п. д. около 25%. Из-за зарождения доменов на неодно-родностях структуры уровень амплитудных и частотных шумов высок. При изменениях напряжения от порогового до пробивного частота колебаний увеличивается лишь на десятые доли процента. Срок службы мал, что обусловлено одновременным воздействием на кристалл тепловой нагрузки из-за выделяющейся в нем мощности и сильного электрического поля.

§ 4.10. Туннельные и обращенные диоды

Туннельные диоды. Туннельные диоды обладают высоколегированными р- и «-областями полупроводника. Концентрация легирующих примесей в областях (около 10-10° смз) на 2-3 порядка выше, чем в обычных диодах. При такой концентрации примеси ширина перехода невелика (примерно 0,01 мкм), что обусловливает высокую (около 10-10 В/см) напряженность электрического поля внутри перехода.

Высокая концентрация примесей в областях приводит к вырождению полупроводника и превращению в полуметалл. При вырождении полупроводника наступает перекрытие зон энергетических уровней атомов р-полупроводника с зонами энергоуровней атомов «-полупроводника (рис. 4.15). В условиях перекрытия зон возможен туннельный эффект движения носителей через переход. Он заключается в том, что электрон, обладающий энергией, меньшей, чем высота потенциального барьера перехода, проходит из одной области полупроводника в другую через своеобразный туннель в этом барьере, не поднимаясь над его уровнем.

Принцип действия уясняется при анализе физических процессов, протекающих в туннельном диоде. Рассмотрим зонные диаграммы при различных значениях внешних напряжений, приложен-

Рис. 4.15. Зоиныедиаграммы легированных полупроводников