Зарядовые неустойчивости в приборах с отрицательным дифференциальным сопротивлением

Рассмотрим однородно легированный электронный полупроводник с омическими контактами, к которому приложена разность потенциалов (рис.6). Создаваемое в нем электрическое поле будет E = E_П. Пусть вследствие тепловой флуктуации группа электронов сместилась в сторону катода относительно неподвижных ионизованных доноров.

Рис. 6. Распределение объемного заряда и напряженности поля в образце при формировании домена сильного поля

Возникшая избыточная концентрация электронов должна изменяться во времени в соответствии с соотношением:

, (13)

представляющим собой закон релаксации основных носителей заряда в полупроводнике.

Если бы в возникшем дипольном домене напряженность электрического поля была меньше E_П, то время релаксации Максвелла равно:

. (14)

На самом деле в области возникшего объемного заряда напряженность поля увеличится и станет больше E_П. Следовательно, в выражении для τ_М положительную удельную проводимость нужно заменить на удельную отрицательную дифференциальную проводимость , где – отрицательная дифференциальная подвижность, соответствующая участку вольт-амперной характеристики с отрицательной дифференциальной проводимостью. Таким образом,

. (15)

Из формул для Δn(t) и τ_М следует, что в образце с отрицательной дифференциальной проводимостью первоначальная тепловая флуктуация концентрации электронов должна не убывать с ростом t, а увеличиваться, так как .

Этот факт объясняется следующими обстоятельствами. В области дипольного объемного заряда напряженность электрического поля возрастет и станет больше порогового значения, а в остальной части образца E слегка уменьшится и станет меньше E_П, так как напряжение, подаваемое на образец, поддерживается постоянным. В результате этого дрейфовая скорость электронов и плотность тока в области существования объемного заряда уменьшатся, а в остальной части образца изменятся незначительно. Это приведет к дальнейшему увеличению концентрации электронов в левой части объемного заряда (за счет их подтока от катода) и концентрации нескомпенсированных доноров в правой части за счет ухода быстрых электронов от правой границы к аноду. Этот процесс прекратится, и дипольный слой достигнет стабильной конфигурации, когда плотность тока внутри и вне его станет одинаковой и будет соответствовать точкам вольт-амперной характеристики, лежащим вне участка отрицательной дифференциальной проводимости (например, точкам E = E_В и E = E_Д) (рис.7).

Рис. 7. ВАХ диода Ганна

Спад силы тока в цепи при формировании домена сильного поля обусловлен резким уменьшением подвижности электронов в нем и, следовательно, увеличением сопротивления образца. Наиболее стабильное состояние домена соответствует минимальной мощности, потребляемой образцом от источника питания, т.е. когда плотность тока в образце имеет наименьшее возможное значение – J_min. Тогда максимальная напряженность поля внутри домена сильного поля будет равняться E_Д, а вне его – E_В. Ширину или толщину домена (d_Д.М.) можно оценить исходя из того, что падение напряжения на образце до и после образования домена одно и то же, т.е.

, (16)

где исходная напряженность поля E_И = E_П,

W – длина образца.

. (17)

Распределение напряженности электрического поля в домене зависит от концентрации электронов в данном образце. При больших n₀ максимум E располагается в центре домена и зависимость E от x имеет симметричный вид. Если n₀ мало, то кривая принимает форму, близкую к прямоугольному треугольнику.

В процессе формирования и после его окончания дипольный домен дрейфует от катода к аноду. Если предположить, что домен возникает у катода за счет неоднородности в распределении примеси, то за время пролета

, (18)

где – средняя скорость дрейфа домена, домен достигнет анода и исчезнет. После этого в образце восстановится однородное распределение поля и первоначальное (до формирования домена) значение тока. Затем за счет тепловой флуктуации у катода начнет формироваться следующий домен и т.д. Периодически повторяющиеся процессы формирования домена у катода и рассасывания его у анода приведут к соответствующему изменению сопротивления образца и силы тока.

Для того, чтобы первоначальная тепловая флуктуация концентрации электронов заметно возросла, необходим интервал времени, превосходящий τ_М. Следовательно, периодическое изменение силы тока через образец будет возникать лишь в том случае, когда или

. (19)

Это неравенство называют критерием Кремера.

Для арсенида галлия и фосфида индия см^-2.

Режим работы диода Ганна на эффекте междолинного перехода электронов, при котором выполняется неравенство

см^-2, (20)

называется пролетным режимом. Для его реализации необходимо включить диод в параллельную резонансную цепь, например, в СВЧ-генератор с высокой добротностью, настроенный на пролетную частоту ( ). В пролетном режиме на кривой зависимости тока от времени будут наблюдаться резкие всплески, если длина образца значительно превышает ширину домена (рис.8). Для получения формы колебаний тока, близкой к синусоидальной, необходимо уменьшать длину образца или увеличивать ширину домена. Ширину домена можно увеличить, уменьшая концентрацию электронов (n₀) в образце.

Рис. 8. Зависимость тока от времени при работе диода Ганна в пролетном режиме

При работе диода в резонаторе к нему кроме постоянного внешнего смещения оказывается приложенным также СВЧ-поле, возникающее в резонаторе за счет колебаний тока, протекающего через диод. Предположим, что СВЧ-поле меняется во времени по гармоническому закону, а резонатор настроен на частоту выше пролетной ( ). Тогда при достаточно большой амплитуде СВЧ-поля дипольный домен в образце может рассосаться, не доходя до анода. Для этого необходимо, чтобы в полупериод, когда векторы напряженности постоянного и СВЧ-поля противоположны, суммарная напряженность поля была бы меньше E_П, а длительность полупериода была бы больше τ_М, соответствующего положительной подвижности. С точностью до численного коэффициента последнее условие

можно записать так: , или

. (21)

Для GaAs и InP с/см³. Полученное неравенство является условием

реализации режима работы диода с подавлением домена. В этом режиме в каждый «положительный» полупериод СВЧ-поля в диоде E > E_П и у катода зарождается домен, а в каждый «отрицательный» полупериод он рассасывается на пути к аноду. Таким образом, генерация переменного тока в этом случае происходит на частоте, определяемой параметрами резонансной цепи.

Если обеспечить одновременное выполнение двух неравенств:

, (22)

то диод Ганна будет работать в режиме ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ). Для GaAs и InP

с/см³. Поскольку в полученном неравенстве период

СВЧ-сигнала меньше τ_М, соответствующего отрицательной дифференциальной подвижности, то в полупериод, когда E > E_П, домен сильного поля не успевает полностью сформироваться, а в следующий полупериод (E < E_П) он полностью рассасывается. При этом будет наблюдаться возрастание сопротивления образца в один полупериод СВЧ-сигнала и спад его в другой, что вызывает эффективную генерацию мощности на частоте, определяемой параметрами внешней цепи (рис.9).

Рис. 9. Пояснение принципа действия генератора с ограничением накопления объемного заряда