Ma’ruza yarimo‘tkazgich diodlar tunel va o’girilgan diodlar

Gann diodi

Bir jinsli yarimo'tkazgichda Gann effekti hisobiga manfiy differensial qarshi-likka ega yarimo'tkazgich asbob. Diod, uzunligi 10 – 100 μmli bir jinsli yarim-o'tkazgich plastinadan iborat. Plastinaning qarama-qarshi tomonlarida katod К va anod A deb ataluvchi metall kontaktlar hosil qilinadi. Gann diodlarini hosil qilish uchun n – turli GaAs, InSb, InAs va InP kabi birikmalardan foydalaniladi. Diod tebranish konturiga ulanadi. Gann diodi kontaktlariga kuchlanganligi 3000 V/sm ga yaqin elektr maydon hosil qiluvchi doimiy kuchlanish berilganda uning hajmida chastotasi 60 GGs gacha bo'lgan elektr tebranishlar hosil bo'ladi. Elektr tebranishlar quvvati 10 – 15 Vt gacha bo'ladi, diodning FIKi esa 10-12 % ni tashkil etadi.

GDlari ko'chma radiolokatorlarda, aloqa tizimlarida, shuningdek mantiqiy elementlar sifatida va boshqa qurilmalarda keng qo'llaniladi. Bir jinsli, n – turli GaAs va InP kristalarida Gann effekti asosini vohalararo o'tish deb ataluvchi davriy tok impulslari hosil bo‘lishiga olib keluvchi o'tish tashkil etadi. Qutbli yarimo'tkazgichlarda o'tkazuvchanlik zonasi energiyalar oralig'i bilan bir-biridan ajratilgan bir nechta minimumga yoki “vohaga” ega.
Elektronlar (kovaklar) effektiv massasi material turiga, kristall tuzilishiga hamda zaryad tashuvchilar energiyasiga bog'liq, chunki kristall panjara xususiy elektr maydoni tezlanishiga ushbu zarrachalar ta’sir etadi. GaAs kristalida elektronlarning yuqori – 2 vohadagi effektiv massasi m_EF=1,2m, pastki voha 1 dagisi esa m_EF=0,07m ni tashkil etadi, bu yerda m - vakuumdagi erkin elektronning massasi. Ikkinchi tomondan, elektronlar effektiv massasi ortgani sayin ularning harakatchanligi μ=(m_EF)^-3/2T^1/2 qonunga binoan kamayadi, bu yerda: T- kristalning absolut temperaturasi. Shuning uchun yuqori voha “og'ir’' elektronlarining harakat-chanligi μ₂=100 sm²/Vs, pastki voha “yengil” elektronlarining harakatchanligi esa μ₁=5000 sm²/Vs ni tashkil etadi. Shunday qilib, berilgan temperaturada o'tkazuv-chanlik zonasida bir vaqtning o'zida “yengil” va “og'ir” elektronlar mavjud.

4-rasm. Dreyf tezlikning elektr maydoniga bog’liqligi.

Agar diodga katta bo'lmagan potensialar farqi berilsa, unda elektronlarni tezlatuvchi maydon hosil bo'ladi (4-rasmda 1 – 2 soha). Elektronlar ϑ_DR=μ₁E tezlikka erishadilar va diodda J(E)=qn₁ϑ_DR(E)=qn₁μ₁E tok hosil bo'ladi. Tok hosil bo'lishida yuqori voha eletronlarining ulushi, ular konsentratsiyasi kichik bo’lgani sababli, hozircha juda kichik.

Yarimo‘tkazgichga berilgan elektr maydon E ortishi bilan kristall temperaturasi ortadi, shu bilan bir qatorda elektronlarning o‘rtacha energiyasi ham ortadi. Е_BO’S ≈ 3,2 kV/sm ga yetganda GaAs kristali elektronlari ∆W₁ potensial to‘siqni yengib o‘tish uchun yetarli energiya oladilar. Natijada pastki voha elektronlardan bo‘shab, yuqoridagisi esa – to‘ladi. Bu jarayon vohalararo o‘tish deb ataladi. Е≥Е_BO‘S bo‘lgan maydon ta’sirida (.4 – rasm, 2-3 soha) elektronlar-ning asosiy qismi pastki vohadan yuqori vohaga o‘tadi. Ushbu o‘tish natijasida elektronlarning dreyf tezligi ga teng bo‘lib qoladi va ilgarigiga qaragan-da kamayadi, hosil bo‘layotgan tok zichligi ham kamayadi. Elektr maydon diodga berilgan kuchlanishga proporsional, dioddagi tok esa elektronlarning dreyf tezligiga proporsional bo‘lgani sababli 4 – rasmda keltirilgan egri chiziqni diod VAXi sifatida qarash mumkin. Egri chiziqning pastga qarab ketgan sohasida, diod MDQka ega. MDQ mavjudligi, diodga passiv zanjir, masalan, rezonator ulab, tebranishlar generatsiyalovchi yoki kuchaytiruvchi sifatida foydalanish imkonini ochadi. Maydon kuchlanganligi yana ham orttirib borishi bilan dreyf tezlik to‘yinadi ( 10⁷ sm/s) (4 - rasmda 3-4 soha). Statik rejimda bunday xarakteristika kuzatilmaydi. Diodning vohalararo o‘tishlar sodir bo‘layotgan ma’lum tor sohasidagina elektr maydon kuchlanganligining bo‘sag‘aviy qiymatiga E_BO‘S erishiladi. Ushbu soha hajmiy elektr nobarqarorlik sohasi deb ataladi.
Yarimo‘tkazgich material hajmida har doim kiritmalar konsentratsiyasi kichik bo‘lgan soha mavjud bo‘ladi. Ushbu δ sohaning qarshiligi atrofidagi boshqa sohalar qarshiligiga nisbatan yuqoriroq bo‘lgani sababli undagi elektr maydon kuchlanganligi Е_BO‘S ga yetadi (4, а - rasm).
Natijada δ sohada zaryad tashuvchilarning pastki nimzonadan yuqoridagi nimzonaga o‘tishi boshlanadi. δ sohadagi elektronlarning dreyf tezligi kichikroq bo‘lgani sababli ular sohadan tashqaridagi elektron-lardan orqada qoladilar. Natijada kuzatilayotgan tor sohada elektr domen deb ataluvchi qo‘sh elektr zaryad sohasi vujudga keladi. Domenning chap tomonida sust harakatlanuvchi elektronlar, o‘ng tomonda esa, zaryadlari tez harakatlanuvchi elektronlar bilan kompensatsiya-lanmagan, musbat ionlar to‘planadi. Domen hosil qilgan maydon birlamchi may-donga qo‘shiladi va yangi elektronlarni yuqori nimzonaga o‘tishini ta’minlaydi. Domendagi va undan tashqaridagi elektronlar tezliklari tenglashmagunga qadar domen zaryadi uzluksiz ortib boradi.
Shuning uchun stabil domen hosil bo‘lishi uchun domen hosil bo‘lish vaqti domenning katoddan anodga uchib o‘tish vaqti dan kichik bo‘l-mog‘i zarur. Anodga yetgan domen so‘rilib ketadi. Shundan keyin δ- qatlamda yangi domen hosil bo‘ladi va jarayon takrorlanadi. Domenlarning yo‘qolishi va yangisining hosil bo‘lishi diod qarshiligining o‘zgarishi bilan davom etadi, natijada diod toki tebranishlari kuzatiladi. bo‘lganda diod toki tebranishlari chasto-tasi ga teng, bu yerda =10⁷ sm/s, L – yarimo‘tkazgich uzunligi. Diodning domenlar hosil qilib ishlash rejimi uchib o‘tish rejimi deb ataladi.

a)

b)

c)
5 – rasm. Gann diodining tuzilmasi (a), elektr maydon kuchlanganligi (b) va konsentratsiyaning taqsimlanishi (c).

GD asosidagi generatorning sodda sxemasi 6 – rasmda keltirilgan. Rezonator С_Э sig‘imli, L_Э induktivlikli va R_Э qarshilikli ekvivalent kontur bilan almashtirilgan. Generator R_Э ning kichik qiymatlarida o‘z – o‘zini uyg‘otadi va uchib o‘tish rejimi amalga oshadi. Ushbu rejimda yuklamadagi quvvat domen hosil qiladi, diodning qolgan qismi passivdir. Shuning uchun diodning FIK bir necha foizdan oshmaydi.

6- rasm. Gann diodi asosidagi sodda generator sxemasi.

GD asosidagi generatorning ko‘rib chiqilgan rejimi bir necha GGs chamasidagi chastotalar uchun o‘rinli bo‘lib, tranzistorlar asosidagi anchagina yuqori FIK ga ega bo‘lgan generatorlar bilan raqobatlasha olmaydi. 10 GGs dan yuqori chastotalarda GDlari hajmiy zaryad to‘planishini chegaralash (XZTCH) rejimida ishlatiladi. Diod R_Э qarshiligi katta rezonatorga joylashtiriladi. Bunda statsionar domen hosil bo‘lmaydi va u diod anodiga yetguncha so‘nib ketadi. Generatsiyalanayotgan tebranshlar chastotasi rezonator chastotasi bilan aniqlanadi. XZTCH rejimida 160 GGs ni tashkil etuvchi ishchi chastotalarga erishiladi. GD asosidagi santimetrli diapazonda qayta generatsiyalovchi kuchaytir-gichlarning kuchaytirish koeffitsinti 6 - 10 dB, chiqish quvvati 1 Vt gacha va FIK 5 % gacha bo‘ladi. Ularning shovqin koeffitsiyenti maydonli tranzistorlar asosidagi kuchaytirgichlarning shovqin koeffitsiyentidan yuqori. Shuning uchun ular oraliq kuchaytirgich kaskadlarda ishlatiladilar.