Диод Ганна является ключевым элементом для генерации высокочастотного электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне волн. В отличие от обычных p-n переходов, диоды Ганна не основаны на барьерной структуре, а используют эффекты, связанные с переносом электронов в определённых полупроводниках с отрицательной дифференциальной подвижностью.
Материалы и кристаллическая структура Наиболее распространёнными полупроводниками для диодов Ганна являются арсенид галлия (GaAs), индий фосфид (InP) и алюмо-арсенид галлия (AlGaAs). Ключевой особенностью этих материалов является наличие нескольких зонных минимумов в зоне проводимости, что обеспечивает эффект отрицательной дифференциальной подвижности при достижении критического электрического поля.
Принцип действия Диод Ганна работает на основе перехода электронов из зоны с высокой подвижностью в зону с низкой подвижностью. При приложении напряжения выше определённого порога (критического поля) образуются электронные домены высокой плотности, которые перемещаются через полупроводник. Эти домены создают генерацию колебаний тока с частотой, определяемой временем перемещения домена через кристалл:
$$ f = \frac{v_d}{L} $$
где vd — скорость дрейфа домена, L — длина активного слоя диода.
Отрицательная дифференциальная подвижность Ключевым явлением является отрицательная дифференциальная подвижность μNDM, при которой рост напряжения приводит к уменьшению тока:
$$ \frac{dI}{dV} < 0 $$
Это условие обеспечивает возможность формирования и движения электронных доменов и, как следствие, генерацию высокочастотного сигнала.
Основные элементы
Типы конструкций
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) ВАХ диода Ганна отличается участком с отрицательной дифференциальной подвижностью. Этот участок определяет диапазон напряжений, в котором происходит формирование доменов и генерация СВЧ-колебаний.
Частота генерации Частота работы диода Ганна может варьироваться от нескольких гигагерц до десятков гигагерц, в зависимости от длины активного слоя и материала полупроводника. Гетероструктуры позволяют достигать более высоких частот и стабильной работы при малых размерах устройства.
Выходная мощность Максимальная выходная мощность ограничена тепловыми эффектами и скоростью формирования доменов. Для арсенид-галлиевых диодов она обычно составляет сотни милливатт, для InP и AlGaAs — до ватта при оптимальном охлаждении.
Радиолокация и СВЧ-генераторы Диоды Ганна широко используются в локаторах, СВЧ-источниках и генераторах миллиметрового диапазона. Их преимущества включают компактность, стабильную работу на высоких частотах и возможность работы без внешнего сигнала.
Телекоммуникации и измерительные системы В телекоммуникациях диоды Ганна применяются для создания сигналов высокой частоты, локальных генераторов для тестовых приборов и источников опорных частот.
Научные исследования Использование диодов Ганна в спектроскопии и физике полупроводников позволяет исследовать динамику электронных доменов и процессы переноса заряда в материалах с множественными зонными минимумами.
Диоды Ганна представляют собой уникальные устройства, где сложная физика переноса заряда и зонной структуры полупроводников реализуется в компактном СВЧ-генераторе, обеспечивая важные приложения в науке и технике.