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.
