Диод Ганна — принцип работы, применение

Как известно диод – это двухвыводной полупроводниковый радиоэлектронный компонент, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Это позволяет электрическому току течь только в одном направлении, при котором его сопротивление при прямом смещении очень мало (почти нулевое). И на оборот, в другом направлении нелинейная ВАХ не позволяет протекать току, так как она предполагает очень высокое сопротивление (бесконечно большое) при обратном смещении.
Диоды делятся на различные типы в зависимости от их характеристик и принципа работы. Они включают в себя обычный диод, диод Шоттки, диод Шокли, токоограничивающий диод, стабилитрон, светодиод, фотодиод, туннельный диод, варактор, лазерный диод, pin диод, элемент Пельтье, диод Ганна, и так далее.

В данной статье мы подробно рассмотрим принцип работы диода Ганна, характеристики и  применение диода Ганна на практике.
Что такое диод Ганна?

Диод Ганна принято рассматривать как один из видов диода, не смотря на то, что он фактически не имеет типичного для диода pn-перехода. Его еще называют прибором с объемной неустойчивостью.

Диод Ганна имеет отрицательное дифференциальное сопротивление и поэтому его часто применяют в качестве генератора малой мощности для формирования микроволн. Он состоит из полупроводника N-типа, в котором электроны являются основным носителем заряда. Для генерации коротких радиоволн, таких как сверхвысокие частоты (СВЧ) используют эффект Ганна.
Структура Диода Ганна

Центральная область, показанная на рисунке ниже - это активная область, которая представлена низколегированным слоем арсенида галлия (GaAs). С обеих сторон активной области наращиваются эпитаксиальные слои высоколегированного GaAs (N-типа) с толщиной примерно от 8 до 10 микрометров.

Активная часть зажата между двумя зонами имеющие омические контакты. Это позволяет обеспечить эффективный теплоотвод, помогающий избежать перегрева и преждевременного выхода диода из строя.
Эффект Ганна

Эффект Ганна был открыт Джоном Ганном в 1960-х годах. После его экспериментов на основе GaAs (Арсенид галлия), он обратил внимание на помехи, возникшие в результате этих опытов. Далее он использовал это для генерации электрических колебаний в диапазоне сверхвысоких частот в устойчивом электрическом поле, величиной больше чем пороговое значение.

Этот эффект Ганна можно определить как генерация СВЧ (частоты порядка нескольких ГГц) возникающая всякий раз, когда напряжение, прикладываемое к полупроводниковому прибору превышает его критическое пороговое значение.
Характеристики Диода Ганна

На графике ниже показана вольт-амперная характеристика диода Ганна в его отрицательной области сопротивления. Эта характеристика похожа на характеристику туннельного диода.

Как видно из графика изначально по мере увеличения напряжения на диоде происходит увеличение тока, но после достижения определенного уровня напряжения (порогового значения), ток начинает уменьшаться. Та область, где ток падает, называется область отрицательного сопротивления.
СВЧ генератор на диоде Ганна

Диод Ганна используются для построения генераторов микроволн с частотами в диапазоне от 10 ГГц до ТГц. Это устройство, имеющее отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR -Negative Differential Resistance) – также называемого как прибор переноса электронов - является колебательным контуром, состоящий из диода Ганна и подаваемого на него постоянного напряжения смещения (в области отрицательного сопротивления).

Благодаря этому, суммарное дифференциальное сопротивление цепи становится равным нулю, так как отрицательное сопротивление диода сокращается при положительном сопротивлении цепи, что приводит к возникновению колебаний.
Диод Ганна - принцип работы

Этот диод сделан из цельного куска полупроводника N-типа, такого как Арсенид Галлия (GaAs) или Фосфид Индия (InP). Диод Ганна состоит из трех энергетических областей, и эта дополнительная третья область на начальном этапе пуста.

Электроны из зоны проводимости, имеющие ничтожно малое удельное электрическое сопротивление, перемещаются в третью область, поскольку они рассеиваются от приложенного к диоду напряжения. Третья область из GaAs имеет подвижность, которая меньше, чем в зоне проводимости.

Из-за увеличения прямого напряжения увеличивается напряженность поля (приложенное напряжение превышает пороговое значение напряжения), вследствие чего электроны достигают состояния, при котором их эффективная масса увеличивается, а скорость уменьшается, что приводит в конечном итоге к снижению тока.

Следовательно, если напряженность поля увеличивается, то скорость дрейфа будет уменьшаться, при этом создается отрицательное добавочное сопротивление в VI зоне. Таким образом, увеличение напряжения увеличит сопротивление, путем возникновения на катоде так называемого домена сильного поля, который движется и достигает анода.

При достижении анода, домен разрушается, и ток вновь возрастает. При поддержании постоянного значения напряжения, на катоде вновь будет возникать новый домен и все повторится вновь. Частота повторения этого процесса связана с толщиной слоя полупроводника (GaAs), и чем больше его толщина, тем меньше частота повторений.
Применение диода Ганна

Диод Ганна используется в следующих областях:

    в генераторах Ганна для генерации частот в диапазоне от 5 ГГц  до 35 ГГц  на выходе. Генератор Ганн используются в радиосвязи, в военных и коммерческих радиолокационных установках.
    в железнодорожной сфере в качестве датчиков для выявления нарушителей, в целях предотвращения крушения поездов.
    в качестве эффективных генераторов СВЧ в диапазоне частот до сотен ГГц.
    в детекторах дистанционного измерения вибраций и измерении скорости вращения в тахометрах.
    в качестве СВЧ генератора тока (импульсный генератор на диоде Ганна).
    в передатчиках СВЧ для генерации СВЧ-радиоволн при очень малых мощностях.

А так же в датчиках открывания дверей, устройствах управления процессами, охрана периметра, системы безопасности пешеходов, датчиках уровня, в датчиках измерения влажности и в охранных системах.