Диоды Ганна

Рис. 1 Зависимость энергии электронов в валентной зоне 1 и зоне проводимости 2, 3 арсенида галлия от волнового числа k.
Плотность тока через образец в условиях малых напряжённостей электрических полей E можно выразить следующим соотношение:
где n1 – концентрация электронов в нижней долине.
Плотность тока через образец, начиная с некоторого критического значения электрического поля Et:
При очень больших полях Е>Ev все электронный перейдут в верхнюю долину и плотность тока через образец:
Здесь n2 – концентрация электронов в верхней долине, зависящая от напряжённости поля E
где n2=n1 – концентрация электронов в зоне проводимости.
эВ
эВ

Рис. 2. ВАХ прибора.
Наличие падающего участка на ВАХ объясняет возникновение эффекта Ганна. При этом следует иметь в виду, что форма ВАХ, полученная выше, соответствует равномерному распределению напряжённости поля вдоль образца, а в реальном случае поле резко неоднородно.

Рис. 3 Установившиеся распределения зарядов и напряжённости поля вдоль кристалла по оси z.
Область высоких значений напряжённости электрического поля называется доменом сильного поля.
Обычно в образце возникаешь лишь один домен, поскольку напряжённость поля вне его падает ниже критической. Домен в диодах Ганна образуется непосредственно у катодного электрода, и пройдя через образец со скоростью порядка 107 см·с-1, исчезает у анода. После этого у катода формируется новый домен и цикл повторяется.

Рис. 4 Ток во внешней цепи прибора.
Период ганновских осцилляций составляет T=l/v. По техническим причинам длину образца l не удаётся сделать меньшей нескольких микрон. Кроме того, при l>2,5 мм, вследствие хаотически меняющихся мест зарождения доменов, осцилляции приобретают шумовой характер. Эти обстоятельства определяют диапазон частот осцилляций: 2·107-1010 Гц.

Рис. 5 ВАХ диода по действием поля смещения, превышающее пороговое значение, и переменного СВЧ-поля, возникающего при возбуждении резонатора.
Дальнейшая разработка теоретических и экспериментальных проблем, связанных с эффектом Ганна, привела к открытию нового типа колебаний при напряжённостях, значительно превышающих пороговое значение ганновских осцилляций. Частота колебаний в этом режиме может быть выше пролётной, а её зависимость от длины образца l прямо пропорциональная: с увеличением длины диода частота колебаний увеличивается. Этот режим назван режимом ограниченного накопления объёмного заряда (ОНОЗ).

Табл. 1 Параметры приборов СВЧ-диапазона, в которых используются диоды Ганна на основе GaAs.