СПЕКТРЫ КОЛЕБАНИЙ ТОКА ДИОДОВ ГАННА С УДАРНОЙ ИОНИЗАЦИЕЙ В ДВИЖУЩИХСЯ ДОМЕНАХ

February 13, 2013 by admin Комментировать »

д.                                                             в. Павленко, Э. Д. Прохоров Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, радиофизический факультет, кафедра полупроводниковой и вакуумной электроники пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61077, Украина тел.: (057) 7051262

Uo=350 В, L=120 мкм

Аннотация – Представлены результаты численного моделирования диода Ганна на основе GaAs при напряженностях электрического поля, достаточных для возникновения ударной ионизации в движущихся доменах сильного поля. Используемая модель позволяет наглядно проследить за протеканием процессов переноса и генерации как электронов, так и дырок в диоде Ганна. Наблюдаемые при моделировании формы колебаний тока и соответствующие им частотные спектры хорошо согласуются с полученными ранее экспериментальными данными. Показано, что диод Ганна с ударной ионизацией в движущихся доменах сильного поля может быть использован как генератор гармоник и шума с широким частотным спектром.

I.                                       Введение

Рис. 1. (б)

Fig 1. (Ь)

Рис. 1. (а) Fig. 1. (а)

Ударная ионизация в доменах сильного поля диодов Ганна наблюдается в основном в длинных приборах (30…1000 мкм), при этом нарушается когерентность колебаний тока через диод, возможны S- образная характеристика, стимулированное излучение. Экспериментально показано, что ударная ионизация в диодах Ганна сопровождается интенсивным СВЧ-шумом в широкой полосе частот [1].

При достижении в диоде пороговой напряженности электрического поля у катода возникают домены сильного поля, в которых при

{Екрит -200кВ!СМ для GaAs) развивается ударная

ионизация. Аналитические оценки показывают, что ударная ионизация может развиваться при высоких концентрациях электронов п в активной области при

Uo=250 В, Ucos=150 В 1.1 ГГц, L=110 мкм

выполнении условия п1 >10^^ см^^, где /-длина активной области диода [2-6]. Такое условие хорошо выполняется как при экспериментальных наблюдениях, так и в нашем случае численного расчета.

Для моделирования использована усовершенствованная локально-полевая численная модель диода Ганна, подробно описанная в [7, 8], учитывающая рекомбинацию и ударную ионизацию как электронов, так и дырок.

II.                              Основная часть

Рис. 2. (а) Fig 2. (а)

На рисунках 1(а)-2(а) показана форма плотности тока проводимости диода Ганна для определенных значений приложенного напряжения питания 1/^ и

длины активной области L, на рисунках 1(б)-6(б) представлены соответствующие им спектры. Спектральные составляющие пронормированы по амплитуде первой гармоники. При моделировании были заданы аппроксимации характеристик скорость-поле и коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок от напряженности поля и температуры для арсенида галлия, равновесная концентрация электронов в активной области ИQ=10^^cлί ^ нагрузка

диода чисто резистивная.

При повышении напряжения, приложенного к диоду, ударная ионизация оказывает все большее

влияние на его работу, приводит к значительному изменению формы колебаний тока и спектра (рис. 1).

Рис. 2. (б)

Fig 2. (Ь)

Можно отметить, что влияние ударной ионизации приводит к искажению формы тока, влекущему уши- рение спектральных линий пачки импульсов, росту амплитуд высокочастотных составляющих спектра по сравнению с амплитудой первой гармоники. При сильной ударной ионизации искажение формы приводит к тому, что спектр становится практически непрерывным вплоть до частот 12-15 гармоник, с амплитудами составляющих до 2…5 % амплитуды первой гармоники (примерно на частоте 12 гармоники).

Очевидно, применение диодов Ганна, работающих в условиях сильной ударной ионизации в домене, позволяет получить колебания с широким частотным спектром.

На рис. 2 показаны варианты моделирования работы диода при питании напряжением с постоянной и

переменной                 гармонической составляющими

(внешний резонатор) и развитии ударной ионизации [8].

Для режима работы на рис. 2, период колебаний гармонической составляющей, подводимого к диоду напряжения, меньше примерно на 10% пролетной частоты, при этом отчетливо заметно увеличение амплитуд высших гармоник по сравнению с другими рассмотренными вариантами.

III.                                   Заключение

в результате проведенного исследования показано, что работа диодов Ганна при сильной ударной ионизации в движущемся домене позволяет получить колебания с широким частотным спектром. Для некоторых случаев наблюдается практически непрерывный спектр вплоть до частоты пятнадцатой гармоники с амплитудой порядка 2 % максимальной (соответствующей первой гармонике).

При помещении диода в резонатор с собственной частотой, отличающейся на 10… 15% от частоты первой гармоники свободных ганновских колебаний, обнаруживается резкий рост амплитуд 2-5 гармоник тока проводимости только для режимов работы с ударной ионизацией.

IV.                           Список литературы

[1]  Е. С. Золотарев, Л. И. Калмыкова, Э. Д. Прохоров, Генерация СВЧ-шума диодами на GaAs с ударной ионизацией, Вестник ХНУ, Радиофизика и электроника, № 336, с.6-8, 1989.

[2]  Э. Д. Прохоров, В. А. Шалаев, Н. И. Белецкий,

В.      Н. Арендарь. Оценка влияния ударной ионизации внутри электрического домена на устойчивость работы и ширину ВАХ диодов Ганна, Радиотехника и электроника, 1970, № 3, с.578-585. R. J. McIntyre, «Multiplication noise in uniform avalanche diodes,» IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-13, pp. 164-168, Jan. 1966.

[3]  C. Grooves, R. Ghin, J. P. R. David, G. J. Rees, «Temperature Dependence of Impact Ionization in GaAs,» IEEE Trans. Electron Devices, vol. 50, pp.2027-2032, Oct. 2003.

[4]  W.-P. Neo, H. Wang, «Temperature Dependence of the Electron Impact Ionization in InGaP-GaAs-lnGaP DHBTs,» IEEE Trans. Electron Devices, vol. 51, pp.304-311, Mar. 2004.

[5]  J. S. Ng, C. H. Tan, J. P. R. David, G. Hiii, G. J. Rees, «Field Dependence of Impact Ionization in lno.53Gao.47As,» IEEE Trans. Electron Devices, vol. 50, pp.901-905, Apr. 2003.

[6]  Павленко Д. В., Прохоров Э. Д. Двумерная модель электронных процессов в диодах Ганна с учетом ударной ионизации. Вестник ХНУ, Радиофизика и электроника,

№ 622,0.17-22,2004.

[7]  Павленко Д. В., Прохоров Э.Д. Влияние низкополевой подвижности электронов на развитие ударной ионизации в диодах Ганна. Вестник ХНУ, Радиофизика и электроника, № 646 вып.2, с.84-89, 2004.

[8]  Павленко Д. В., Прохоров Э. Д. Спектры колебаний тока диодов Ганна с ударной ионизацией в движущихся доменах. Вестник ХНУ, Радиофизика и электроника,

№ 712, вып. 10, с.123-126, 2006.

THE SPECTRUM OF CURRENT OSCILLATIONS OF GUNN DIODES WITH THE IMPACT IONIZATION IN MOVING DOMAINS

D. V. Pavlenko, E. D. Prokhorov Kharkiv National University of V. N. Karazin, Radiophysical Faculty Semiconductor and Vacuum Electronics Department Svoboda sq. 4, Kharkiv, 61077, Ukraine Ph.: (057) 7051262

Abstract – The results of the numerical simulation of the GaAs Gunn diode with electric field strengths, sufficient for development of the impact ionization in the moving high-field domains, are presented. The form of current oscillations and frequency spectrums is in good agreement with experimentally measured data. It is shown that the Gunn diode operating under conditions of the impact ionization may be used as a source of wide spectrum UHF-noise.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты