Импульсный диод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

И́мпульсный дио́д — диод, предназначенный для работы в высокочастотных импульсных схемах.

Обычно представляет собой полупроводниковый диод с p-n-переходом, оптимизированный по собственной ёмкости корпуса, барьерную ёмкости и имеет малое времени восстановления обратного сопротивления (рассасывания неосновных носителей накопленных в базе диода при прямом токе).

Для уменьшения собственной ёмкости при изготовлении умышленно уменьшают площадь p-n-перехода и для снижения времени жизни неосновных носителей применяют сильно легированные полупроводниковые материалы, например, кремний легируют золотом для снижения времени обратного восстановления, поэтому импульсные диоды имеют невысокие предельные импульсные токи (до сотен мА) и небольшие предельные обратные напряжения (до десятков вольт), а также увеличенные обратные токи.

Также выпускаются импульсные диоды с барьером Шоттки.

Типичная барьерная ёмкость импульсного диода менее единиц пикофарад и время восстановления обратного сопротивления обычно не более 4 нс.

Принцип действия импульсного диода не отличается от принципа действия обычного выпрямительного полупроводникового диода с p-n-переходом, при приложении прямого напряжения диод хорошо проводит электрический ток. При смене полярности приложенного напряжения диод запирается. Запирание происходит не сразу, сначала происходит резкое увеличение обратного тока, затем, после рассасывания неосновных носителей, восстанавливается высокое сопротивление p-n-перехода и диод запирается.

Импульсные диоды применяют в сверхбыстродействующих импульсных ключевых схемах, например, в логических схемах.

Также их применяют в формирователях субнаносекундных импульсов, например, при формировании строб-импульсов в стробоскопических осциллографах, так называемые диоды с быстрым обратным восстановлением (импульсные диоды с накоплением заряда). Принцип формирования субнаносекундных импульсов основан на том, что восстановление обратного сопротивления после рассасывания неосновных носителей происходит за очень короткое время, существенно короче чем длительность фронта смены полярности, таким образом, затянутый фронт укорачивается

[1].

1. ↑ Рябинин Ю. А. Стробоскопическое осциллографирования сигналов наносекундной длительности. Изд-во «Советское радио», М.: 1968, 200 стр.

Лазерный диод — Википедия

Лазерный диод — полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсии населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда.^[1][2]

Лазерный диод Диодные лазеры различных длин волн

Когда на анод обычного диода подаётся положительный потенциал, то говорят, что диод смещён в прямом направлении. При этом дырки из p-области инжектируются в n-область p-n перехода, а электроны из n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются «вблизи» (на расстоянии, когда возможно туннелирование), то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона определённой длины волны (в силу сохранения энергии) и фонона (в силу сохранения

импульса, потому что фотон уносит импульс). Такой процесс называется спонтанным излучением и является основным источником излучения в светодиодах.

Однако, при определённых условиях, электрон и дырка перед рекомбинацией могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время (до микросекунд). Если в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон нужной (резонансной) частоты, он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками первого фотона.

В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже в нескольких поперечных режимах. Такой диод называется многомодовым (англ. «multi-mode»). Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительная расходимость). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Здесь уже ширина луча будет определяться только пределами, накладываемыми дифракцией. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных целеуказателях, а также в волоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры не могут поддерживать несколько продольных режимов, то есть не могут излучать на разных длинах волн одновременно.

Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины запрещённой зоны между энергетическими уровнями p- и n-областей полупроводника.

В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, вследствие дифракции, практически сразу расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие линзы. Для многомодовых широких лазеров наиболее часто применяются цилиндрические линзы. Для одномодовых лазеров, при использовании симметричных линз, сечение луча будет эллиптическим, так как расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной. Нагляднее всего это видно на примере луча лазерной указки.

В простейшем устройстве, которое было описано выше, невозможно выделить отдельную длину волны, исключая значение, характерное для оптического резонатора. Однако в устройствах с несколькими продольными режимами и материалом, способным усиливать излучение в достаточно широком диапазоне частот, возможна работа на нескольких длинах волн. Во многих случаях, включая большинство лазеров с видимым излучением, они работают на единственной длине волны, которая, однако обладает сильной нестабильностью и зависит от множества факторов — изменения силы тока, внешней температуры и т. д. В последние годы описанная выше конструкция простейшего лазерного диода подвергалась многочисленным усовершенствованиям, чтобы устройства на их основе могли отвечать современным требованиям.

Конструкция лазерного диода, описанная выше, имеет название «Диод с n-p гомоструктурой», смысл которого станет понятен чуть позже. Такие диоды крайне неэффективны. Они требуют такой большой входной мощности, что могут работать только в импульсном режиме; в противном случае они быстро перегреваются. Несмотря на простоту конструкции и историческую значимость, на практике они не применяются.

Лазеры на двойной гетероструктуре[править | править код]

В этих устройствах, слой материала с более узкой запрещённой зоной располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещённой зоной. Чаще всего для реализации лазера на основе двойной гетероструктуры используют арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Каждое соединение двух таких различных полупроводников называется гетероструктурой, а устройство — «диод с двойной гетероструктурой» (ДГС). В англоязычной литературе используются названия «double heterostructure laser» или «DH laser». Описанная в начале статьи конструкция называется «диод на гомопереходе» как раз для иллюстрации отличий от данного типа, который сегодня используется достаточно широко.

Преимущество лазеров с двойной гетероструктурой состоит в том, что область сосуществования электронов и дырок («активная область») заключена в тонком среднем слое. Это означает, что много больше электронно-дырочных пар будут давать вклад в усиление — не так много их останется на периферии в области с низким усилением. Дополнительно, свет будет отражаться от самих гетеропереходов, то есть излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления.

Диод с квантовыми ямами[править | править код]

Если средний слой диода ДГС сделать ещё тоньше, такой слой начнёт работать как квантовая яма. Это означает, что в вертикальном направлении энергия электронов начнёт квантоваться. Разница между энергетическими уровнями квантовых ям может использоваться для генерации излучения вместо потенциального барьера. Такой подход очень эффективен с точки зрения управления длиной волны излучения, которая будет зависеть от толщины среднего слоя. Эффективность такого лазера будет выше по сравнению с однослойным лазером благодаря тому, что зависимость плотности электронов и дырок, участвующих в процессе излучения, имеет более равномерное распределение.

Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием[править | править код]

Основная проблема гетероструктурных лазеров с тонким слоем — невозможность эффективного удержания света. Чтобы преодолеть её, с двух сторон кристалла добавляют ещё два слоя. Эти слои имеют меньший коэффициент преломления по сравнению с центральными слоями. Такая структура, напоминающая световод, более эффективно удерживает свет. Эти устройства называются гетероструктурами с раздельным удержанием («separate confinement heterostructure», SCH)

Большинство полупроводниковых лазеров, произведённых с 1990-го года, изготовлены по этой технологии.

Лазеры с распределённой обратной связью[править | править код]

Лазеры с распределённой обратной связью (РОС) чаще всего используются в системах многочастотной волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать длину волны, в районе p-n перехода создаётся поперечная насечка, образующая дифракционную решётку. Благодаря этой насечке, излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор и участвует в дальнейшем усилении. РОС-лазеры имеют стабильную длину волны излучения, которая определяется на этапе производства шагом насечки, но может незначительно меняться под влиянием температуры. Такие лазеры — основа современных оптических телекоммуникационных систем.

VCSEL[править | править код]

VCSEL — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — полупроводниковый лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности.

VECSEL[править | править код]

VECSEL — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором». Аналогичен по своему устройству VCSEL, но имеющий внешний резонатор. Может исполняться как с токовой, так и с оптической накачкой.

Широкое распространение лазерных диодов привело к появлению большого разнообразия корпусов, специализированных для определенных применений. Официальных стандартов по данному вопросу не существует, однако иногда крупные производители заключают соглашения об унификации корпусов^[3]. Кроме того существуют услуги по корпусированию излучателей по требованиям заказчика, поэтому перечислить всё разнообразие корпусов затруднительно (miniBUT, miniDIL и т.д.). Точно также и распиновка контактов в знакомом корпусе может оказаться уникальной, поэтому назначение пинов перед покупкой у нового производителя всегда следует перепроверять. Также не следует ассоциировать внешний вид с длиной волны излучения, т.к. на практике излучатель с практически любой (в рамках ряда) длиной волны может быть установлен в любой из корпусов. Основные элементы лазерного модуля:

• излучатель
• термистор
• элемент Пельтье
• фотодиод
• коллимирующая линза
• оптический изолятор

Ниже перечислены корпуса, наиболее распространенные среди производителей.

С открытым излучением на выходе[править | править код]

TO-CAN[править | править код]

Корпусы данного типа предназначены для малого и среднего диапазона мощности излучения (до 250 мВт), т.к. не обладают специализированными теплоотводными поверхностями. Размеры варьируются от 3,8 до 10 мм. Число ножек от 3 до 4, коммутированы они могут быть различным образом, приводя в 8 типам распиновок.

C-mount[править | править код]

D-mount[править | править код]

С волоконным выходом[править | править код]

DIL — Dual-In-Line[править | править код]

Лазерный диод в корпусе DIL и FC/APC коннектором Лазерный диод в корпусе DIL — вид снизу

Использование данного корпуса обосновано для мощностей более 10 мВт (для различных длин волн это значение заметно варьируется), когда площади поверхности полупроводника недостаточно для отведения тепла. Более эффективный отвод тепла достигается за счёт использования встроенного холодильника Пельтье, отводя тепло на противоположную по отношению к волоконному выходу грань алюминиевого корпуса. Пока температура корпуса при эксплуатации не изменяется, естественного воздушного охлаждения с поверхности достаточно. Для более мощных применений на основной теплоотводящей поверхности (противолежащей от волоконного выхода) устанавливают радиатор, для закрепления которого на корпусе предусмотрены ушки. Расположение ножек в 2 ряда с шагом 2,54 мм позволяет наряду с впаиванием использовать разъёмные электрические соединения — колодка для электронных компонентов в корпусах DIP и колодка нулевого усилия ZIF.

DBUT — Dual-Butterfly[править | править код]

Самый распространнёный корпус для лазерных диодов с мощностями от 10 мВт до 800 мВт и более. Основное отличие-преимущество перед DIL-корпусом — более эффективный теплоотвод за счет увеличенной площади контакта элемента Пельтье с корпусом лазерного модуля — основной теплоотводящей поверхностью является нижняя. Для этого электрические выводы были перенесены на боковые грани, что усложняет организацию разъёмного соединения лазерного модуля с платой управления.

SBUT — Single-Butterfly[править | править код]

Односторонний вариант полного BUTTERFLY корпуса. Из-за вдвое меньшего количества выводов, отсутствует возможность использовать внутренний фотодиод.

Лазерные диоды — важные электронные компоненты. Они находят широкое применение как управляемые источники света в волоконно-оптических линиях связи. Также они используются в различном измерительном оборудовании, например лазерных дальномерах. Другое распространённое применение — считывание штрих-кодов. Лазеры с видимым излучением, обычно красные и иногда зелёные — в лазерных указках, компьютерных мышах. Инфракрасные и красные лазеры — в проигрывателях CD и DVD. Фиолетовые лазеры — в устройствах HD DVD и Blu-Ray. Синие лазеры — в проекторах нового поколения в качестве источника синего света и зелёного (получаемого за счёт флюоресценции специального состава под воздействием синего света). Исследуются возможности применения полупроводниковых лазеров в быстрых и недорогих устройствах для спектроскопии.

До момента разработки надёжных полупроводниковых лазеров, в проигрывателях CD и считывателях штрих-кодов разработчики вынуждены были использовать небольшие гелий-неоновые лазеры.

С электронной точки зрения лазерный диод — это обычный диод, ВАХ которого широкоизвестна. Главной оптической характеристикой является зависимость выходной оптической мощности от тока, протекающего через p-n переход. Таким образом, необходимая часть абсолютно любого драйвера излучающего диода — источник тока. Функциональность источника тока (диапазон, стабильность, модуляция и прочее) напрямую задаёт функцию оптической мощности. Помимо поддержания нужного уровня средней мощности в лазерах с активным охлаждением драйвер должен обеспечивать управление охладителем. Структурно управление током диода и охлаждением может быть как одним устройством, так и двумя отдельными устройствами. Важным свойством драйвера является также тип корпуса лазерного диода, который он поддерживает.

Лавинный диод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 12 августа 2017; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 12 августа 2017; проверки требует 1 правка. Вольт-амперная характеристика лавинного диода. На рисунке в качестве примера показано, что при обратном напряжении на диоде 17,1 В начинается лавинный пробой, дальнейшее увеличение обратного напряжения вызывает быстрое нарастание тока. Для наглядности масштаб оси напряжений при прямом смещении диода увеличен.

Лави́нный дио́д — электронный прибор, полупроводниковый диод, разновидность стабилитрона, обычно изготавливаемый из кремния, работа которого основана на обратимом лавинном пробое p-n перехода при обратном включении, то есть при подаче на слой полупроводника с p-типом проводимости (анода) отрицательного относительно n-слоя (катода) напряжения.

Лавинный пробой возникает при напряжённости электрического поля в p-n переходе достаточном для ударной ионизации, при которой носители заряда, ускоренные полем в переходе генерируют пары электрон-дырка. При увеличении поля количество порожденных пар нарастает, что вызывает нарастание тока, поэтому напряжение на диоде остаётся практически постоянным.

Вообще в стабилитронах при обратном смещении перехода имеются два механизма обратимых пробоев: туннельный (зенеровский) и лавинный, но их вклад зависит от удельного сопротивления базы (при низких удельных сопротивлениях пробой носит туннельный характер, а при высоких — лавинный), которая в свою очередь зависит от материала полупроводника и типа проводимости базы (так, например, для электронного германия равенство лавинной и туннельной составляющей наблюдается при 1 Ом см)^[1], при этом напряжение пробоя зависит от степени легирования полупроводника, чем слабее легирование, тем выше напряжение начала пробоя (то есть стабилизации, для стабилитронов).

Для лавинного пробоя характерно увеличение напряжения стабилизации при повышении температуры, для пробоя по зенеровскому механизму — наоборот. При напряжении начала пробоя ниже 5,1 В преобладает пробой по зенеровскому типу, выше — преобладает лавинный пробой, поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации 5,1 В нет температурного дрейфа напряжения стабилизации, так как температурные дрейфы пробоя по этим двум механизмам взаимно компенсируют друг друга.

Таким образом, любые стабилитроны с напряжением стабилизации более 5,1 В можно считать лавинными диодами.

Применяется в электронике в качестве стабилитронов. Также применяются для защиты электрических цепей от перенапряжений. Защитные лавинные диоды конструируют так, чтобы исключить повышенную концентрацию (шнурование) тока в одной или нескольких точках p-n перехода, приводящее к локальному перегреву полупроводниковой структуры, для избежания необратимого разрушения диода. Диоды, предназначенные для защиты от перенапряжения, часто называют супрессорами.

Лавинный механизм обратного пробоя используется также в лавинных фотодиодах и диодных генераторах шума.

• Зи, С. М. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. — Т. 1. — 456 с. — 16 000 экз.
• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — 3-е изд.. — М.: Мир, 1986. — Т. 1. — 598 с. — 50 000 экз.

1. ↑ Степаненко И. П. «Основы теории транзисторов и транзисторных схем» М., «Энергия», 1977 г.

Туннельный диод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Обозначение на схемах Вольт-амперная характеристика (ВАХ) туннельного диода. В диапазоне напряжений U₁ − U₂ дифференциальное сопротивление отрицательно

Тунне́льный дио́д — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, на вольт-амперной характеристике которого при приложении напряжения в прямом направлении появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, обусловленный туннельным эффектом.

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет прогиб в ВАХ, при этом из-за высокой степени легирования p— и n-областей напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50—150 Å при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области^[1]. При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку туннелирование не может изменить полную энергию электрона^[2], вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке ВАХ участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

«Генерирующий детектор»[править | править код]

Впервые «генерирующий детектор» — диод, образованный контактом металла с полупроводником и имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление — был продемонстрирован Уильямом Экклзом в 1910 году, но в то время не вызвал интереса^[3].

В начале 1920-х годов советский радиолюбитель, физик и изобретатель Олег Лосев независимо от Экклза обнаружил эффект отрицательного дифференциального сопротивления в диодах из кристаллического оксида цинка, выращенного гидротермально из водного раствора гидроксида цинка и цинката калия^{[нет в источнике]}. Этот эффект получил название «кристадинный» и использовался для генерации и усиления электрических колебаний в радиоприёмниках и передатчиках, но вскоре был вытеснен из практической радиотехники электровакуумными приборами. Механизм возникновения кристадинного эффекта неясен. Многие специалисты предполагают, что он вызван туннельным эффектом в полупроводнике, но прямых экспериментальных подтверждений этого (по состоянию на 2004 год) не получено. Существуют и другие физические явления, способные послужить причиной кристадинного эффекта^[3]. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристики^{[источник не указан 121 день]}.

Туннельный диод[править | править код]

Впервые туннельный диод был изготовлен на основе германия в 1957 году Лео Эсаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

Туннельный диод 1N3716 (рядом для масштаба сфотографирован джампер)

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды находят широкое применение в качестве предварительных усилителей, генераторов и высокочастотных переключателей. Они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов — до 30…100 ГГц.

• Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. Физматлит, 2008.

Лавинно-пролётный диод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 сентября 2016; проверки требуют 5 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 сентября 2016; проверки требуют 5 правок.

Лави́нно-пролётный дио́д (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролётные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определённом диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролётного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролётного диода является область лавинного пробоя.

Идея, лежащая в основе работы лавинно-пролётного диода, сформулирована в 1958 году^[1] У. Т. Ридом (W. Т. Read). Эффект генерации колебаний при лавинном пробое обнаружен в 1959 году А. С. Тагером, А. И. Мельниковым и другими (НПП «Исток», г. Фрязино Московской области)^[1][2]. Первый лавинно-пролётный диод был разработан в лаборатории СВЧ-диодов НИИ «Пульсар» под руководством В.М.Вальд-Перлова.

Структура ЛПД

Для изготовления лавинно-пролётных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: p⁺-n-n⁺, p⁺-n-i-n⁺, m-n-n⁺ (m-n — переход металл-полупроводник), n⁺-n-p-p⁺ и другие. Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими.

Принцип работы лавинно-пролётного диода рассмотрим на примере p⁺-n-n⁺ структуры. Центральная слаболегированная n-область называется базой.

При напряжении, близком к пробивному, обеднённый слой p⁺—n-перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растёт от n-n⁺-перехода к p⁺-n переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в p⁺-область, а электроны дрейфуют к n⁺-области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов.

При подаче на контакты диода переменного напряжения такого, что в течение положительного полупериода напряжение существенно больше, а в течение отрицательного — существенно меньше напряжения пробоя, ток в слое умножения приобретает вид коротких импульсов, максимум которых запаздывает по отношению к максимуму напряжения приблизительно на четверть периода (лавинное запаздывание). Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа в течение отрицательного полупериода, когда процесс генерации электронов в слое умножения прекращается. Движущиеся сгустки наводят во внешней цепи ток, почти постоянный в течение времени пролёта. Таким образом, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролётным (IMPATT-диоды)^[2]. КПД этого режима не превышает 0,3.

Если амплитуда переменного напряжения на диоде достигает значения, примерно равного пробивному напряжению, то в лавинной области образуется столь плотный объёмный заряд электронов, что напряжённость поля со стороны p⁺-области понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для развития процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Таким образом, в области дрейфа образуется движущаяся в направлении n⁺-области лавина, которая оставляет за собой большое количество электронов и дырок. В области, заполненной этими носителями, напряжённость поля понижается почти до нуля. Это состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы лавинно-пролётного диода — режимом с захваченной плазмой (TRAPATT-диоды)^[2].

В этом режиме можно выделить три фазы. Первая — образование лавинного ударного фронта, прохождение его через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через диод в этой фазе, существенно увеличивается из-за дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счёт образования плазмы снижается почти до нуля. Вторая фаза — период восстановления. База диода в этой фазе наполнена электронно-дырочной плазмой. Дырки из области базы дрейфуют к p⁺-области, а электроны — к n⁺-области со скоростью значительно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Плазма постепенно рассасывается. Ток в этой фазе остается неизменным. Наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряжённости поля в диоде и предшествующая новому образованию лавинного ударного фронта. Наибольшую длительность имеет именно третья фаза.

Процессы режима с захваченной плазмой протекают заметно дольше, чем процессы пролётного режима. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмой контур настраивают на меньшую частоту. КПД режима с захваченной плазмой при этом заметно выше КПД пролётного режима и превышает 0,5.

Существует разновидность лавинно-пролётных диодов, работающих в инжекционно-пролётном режиме (BARITT-диоды)^[2].

1. ↑ ^{1 2} Лавинно-пролётный полупроводниковый диод — статья из Большой советской энциклопедии. 
2. ↑ ^{1 2 3 4} Кукарин С. В. Электронные СВЧ приборы: Характеристики, применение, тенденции развития. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — С. 169—173. — 272 с., ил. — 8000 экз.

• Аваев, Н. А., Шишкин. Г. Г. Электронные приборы. — Издательство МАИ, 1996.
• Лебедев. А. И. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Физматлит, 2008.
• Кукарин С. В. Электронные СВЧ приборы: Характеристики, применение, тенденции развития. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — С. 169—173. — 272 с. — 8000 экз.
• Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.

Диод Ганна — Википедия

Диод Ганна в металлокерамическом корпусе производства СССР на фоне миллиметровой сетки Условное графическое обозначение в схемах. Диод Ганна на C-диапазон. Видна заводская упаковка с антистатическими свинцовыми капсулами.

Дио́д Га́нна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) — тип полупроводниковых диодов, в полупроводниковой структуре не имеет p-n-переходов и используется для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц.

В отличие от других типов диодов принцип действия диода Ганна основан не на процессах в p-n-переходе, то есть все его свойства определяются не эффектами, которые возникают в местах соединения двух различных полупроводников, а собственными нелинейными свойствами применяемого полупроводникового материала.

В отечественной литературе диоды Ганна называли приборами с объемной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов, так как активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из «центральной» энергетической долины (минимума энергии) в «боковую» долину, где они уже имеют малую подвижность и большую эффективную массу. В иностранной литературе диод Ганна называют TED (Transferred Electron Device — прибор с переносом электронов).

На основе эффекта Ганна созданы генераторные и усилительные диоды, применяемые в качестве генераторов накачки в параметрических усилителях, гетеродинов в супергетеродинных приемниках, генераторов в маломощных передатчиках и в измерительной технике.

Вольт-амперная характеристика диода Ганна

Диод Ганна традиционно представляет собой прямоугольную пластинку из арсенида галлия с омическими контактами с противоположных граней сторон. Активная часть диода Ганна — длина высокоомного слоя обычно имеет длину от 1 до 100 мкм с концентраций легирующих донорных примесей 10¹⁴—10¹⁶ см⁻³. В этом материале, в зоне проводимости, имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — так называемые «тяжёлые» и «лёгкие» электроны. Поэтому с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения.

Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, однородное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, так как менее подвижны, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения.

Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает — порогового напряжения.

В момент зарождения домена ток через диод максимален. По мере формирования домена ток уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна длине кристалла полупроводника, прямо пропорциональна скорости движения домена и называется пролётной частотой.

На ВАХ полупроводникового прибора наличие падающего участка является недостаточным условием для возникновения в нём СВЧ колебаний, но необходимым. Возникновение колебаний означает, что в кристалле полупроводника развивается неустойчивость. Характер этой неустойчивости зависит от параметров полупроводника (профиля легирования кристалла, его размеров, концентрации носителей и т. д.).

При размещении диода Ганна в резонаторе возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролётной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200—300 мВт.

Существенно влияние омических (невыпрямляющих) контактов к кристаллу. Для создания низкоомных омических контактов, необходимых для подвода тока для работы диодов Ганна существуют два подхода:

• первый из них заключается в выборе приемлемой технологии нанесения таких контактов непосредственно на высокоомный кристалл арсенида галлия;
• при втором подходе кристалл прибора выполняется многослойным. В диодах с такой структурой на слой высокоомного низколегированного арсенида галлия с электронным типом проводимости наращивают с обеих сторон эпитаксиальные слои низкоомного высоколегированного арсенида галлия с проводимостью n-типа. Эти высоколегированные слои служат переходными подложками от рабочей части кристалла к металлическим электродам.

Помимо арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP, используется на частотах до 170 ГГц) при изготовлении диодов используется эпитаксиальное наращивание, для изготовления диодов Ганна также применяется нитрид галлия (GaN). В диодах, изготовленных из этого материала была достигнута наиболее высокая частота колебаний — до 3 ТГц.

Генератор на диоде Ганна с коаксиальным резонатором. Подстройка частоты генерации производится перемещением закорачивающего поршня. Генератор на диоде Ганна с волноводным резонатором. Подстройка частоты генерации производится перемещением закорачивающего поршня, тонкая подстрока производится винтом. Конструкция гетеродина на диоде Ганна C-диапазона. Применён в МШУ «Обиход».

Диод Ганна может быть использован для создания генератора с частотами генерации от сотен килогерц до единиц терагерц. На частотах ниже 1 ГГц генераторы и усилители на диодах Ганна не имеют преимуществ по сравнению с традиционными генераторами выполненными на транзисторах и потому применяются редко. Частота генерации определяется в основном длиной пластинки полупроводника, но может быть перестроена в некотором диапазоне частот, обычно на 20—30 % от центральной частоты. Известны генераторы с диапазоном перестройки частоты 50 %^[1].

На частотах использования диодов Ганна неэффективны традиционные колебательные контуры выполненные из катушек индуктивности и конденсаторах со сосредоточенными параметрами, поэтому резонаторы на этих частотах выполняют в виде коаксиальных конструкций, в виде отрезков волноводов или резонаторах на микрополосковых линиях.

Настройка частоты генерации и частоты усиления в таких системах производится как изменением геометрических размеров резонансных полостей, так и в небольших пределах электрически с помощью изменения питающего напряжения.

Диоды Ганна имеет низкий уровень амплитудного шума и низкое рабочее напряжение питания — от единиц до десятков вольт.

Срок службы генераторов Ганна относительно мал, что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев полупроводникового кристалла прибора выделяющейся в нём мощностью.

Режимы работы генераторов на диоде Ганна[править | править код]

Существуют несколько разных режимов использования генераторов на диоде Ганна в зависимости от питающего напряжения, температуры, характера нагрузки: доменный режим, гибридный режим, режим ограниченного накопления объемного заряда и режим отрицательной проводимости обеспечивающих генерацию в диапазоне частот 1—100 ГГц.

В непрерывном режиме генерации генераторы на диодах Ганна имеют КПД около 2—4 % и обеспечивают выходную мощность от единиц милливатт до единиц ватт. При использовании прибора в импульсном режиме с высокой скважностью КПД увеличивается в 2—3 раза. Специальные широкополосные резонансные системы позволяют добавить к мощности полезного выходного сигнала высшие гармоники колебаний и служат для увеличения КПД. Такой режим работы генератора называется релаксационным.

Наиболее часто используемым режимом является доменный режим при котором в течение большей части периода колебаний в кристалле существует домен. Доменный режим может быть реализован в трёх различных видах: пролётный, с задержкой образования доменов и с гашением доменов. Переход между этими видами происходит при изменении сопротивления нагрузки и питающего напряжения.

Для диодов Ганна был так же предложен и осуществлен режим ограничения и накопления объёмного заряда. Этот режим имеет место при больших амплитудах напряжения на диоде и на частотах, в несколько раз больших пролетной частоты и при средних постоянных напряжениях на диоде, которые в несколько раз превышают пороговое значение. Однако, существуют определённые требования для реализации этого режима: полупроводниковый материал диода должен быть с очень однородным профилем легирования. При этом однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде.

1. ↑ Carlstrom J. E., Plambeck R. L. and Thornton D. D. A Continuously Tunable 65-115 GHz Gunn Oscillator, IEEE, 1985 [1]

• Аваев Н. А., Шишкин Г. Г. Электронные приборы. Издательство МАИ, 1996.
• Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов (в 2 книгах). М., Мир, 1984, т. 2, с.226-269.
• Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. М., Физматлит, 2008.
• Кулешов В. Н., Удалов Н. Н., Богачев В. М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.

диод — Викисловарь

Морфологические и синтаксические свойства[править]

ди-о́д

Существительное, неодушевлённое, мужской род, 2-е склонение (тип склонения 1a по классификации А. А. Зализняка).

Корень: -ди-; корень: -од- ^{[Тихонов, 1996]}.

Произношение[править]

Семантические свойства[править]

Значение[править]

1. техн. полупроводниковый двухэлектродный электронный прибор, обладающий разным сопротивлением электрическому току в противоположных направлениях ◆ Отсутствует пример употребления (см. рекомендации).
2. техн. электровакуумный (иногда газонаполненный) прибор с двумя электродами, обладающий разным сопротивлением электрическому току в противоположных направлениях ◆ Отсутствует пример употребления (см. рекомендации).

Синонимы[править]

1. —
2. —

Антонимы[править]

1. —
2. —

Гиперонимы[править]

1. полупроводниковый прибор, прибор, радиодеталь
2. электровакуумный прибор, прибор, радиодеталь, радиолампа

Гипонимы[править]

1. варактор, варикап, динистор, светодиод, стабилитрон, стабистор, магнитодиод, фотодиод, термодиод
2. игнитрон, кенотрон

Меронимы[править]

1. анод, вывод, катод, корпус, электрод
2. анод, баллон, катод, цоколь, электрод

Родственные слова[править]

Этимология[править]

Заимств. через англ. diode или нем. Diode, образовано от греч. δύο (два) и -од (от окончания существительного electrode — электрод), букв. «двухэлектродный». Корень -ode происходит от греч. ὁδός (путь). Термин diode ввёл в 1919 году Вильям Генри Иклс.

Фразеологизмы и устойчивые сочетания[править]

Перевод[править]

Анаграммы[править]

Библиография[править]

• Новые слова и значения. Словарь-справочник по материалам прессы и литературы 60-х годов / Под редакцией Н. З. Котеловой и Ю. С. Сорокина. — М. : Советская энциклопедия, 1971.