106) Диод Ганна.

ГАННА ДИОД (по имени Дж. Б. Ганна, J. В. Gunn) - двухэлектродный полупроводниковый прибор без -перехода, в котором для генерации или усиления эл. магнитных колебаний используется Ганна эффект.

ГАННА ЭФФЕКТ - генерация высокочастотных колебаний электрич. тока в полупроводниках с N-образной объёмной вольтамперной характеристикой (рис. 1).

Рис. 1. N-образная вольтамперная характеристика j(E). Пунктиром изображена ветвь, к-рая не наблюдается в типичных полупроводниках, где возникает эффект Ганна.

Обнаружен в 1963 Дж. Б. Ганном (J. В. Gunn) в GaAs и InP с электронной проводимостью. Генерация возникает, если пост. напряжение U, приложенное к образцу длиной l, таково, что среднее эл. поле в образце E=U/I соответствует падающему участку вольтамперной характеристики (зависимости плотности тока j от напряжённости электрич. поля E), на котором дифференциальное сопротивление dE/dj отрицательно. Колебания тока имеют вид периодич. последовательности импульсов, их частота увеличивается с уменьшением l.

Наибольшее применение получили генераторы Ганна. Основной элемент генератора, как правило, представляет собой диск (толщиной I~1,5-10 мкм и диаметром d~20-150 мкм), вырезанный из монокристаллов GaAs или InP. На противоположные стороны диска наносятся металлические контакты. Г. д. служит активным элементом цепи СВЧ. Чаще всего такой цепью служит объемный резонатор. В зависимости от амплитуды и частоты колебаний поля в резонаторе генератор Ганна может работать в пяти режимах: пролётном, гашения, запаздывания, гибридном и в т. н. ОНОЗ-режиме (ограниченного накопления объёмного заряда). В первых трёх режимах период колебаний поля в резонаторе сравним с временем пролёта домена Ганна от катода до анода. В гибридном режиме период колебаний поля сравним с периодом формирования домена и, как правило, значительно меньше, чем пролётное время. В ОНОЗ-режиме период колебаний значительно меньше времени формирования домена Ганна.

Рабочие частоты генераторов Ганна ~10-120 ГГц, кпд ~ 2-10 %. Мощность, генерируемая в непрерывном режиме, ~ 200 мВт, в импульсном режиме порядка 200 Вт на частоте ~10 ГГц и ~5 Вт на частоте ~ 60 ГГц. Уровень шума выше, чем у генераторов на полевых транзисторах, но существенно ниже, чем у генераторов на лавинно-пролётных диодах.

Основное применение генераторов на Г. д.- гетеродины радиолокац. приёмников, генераторы маломощных радиолокационных передатчиков, задающие генераторы в схемах умножения частоты. Логические приборы на основе Г. д. перспективны вследствие малого времени срабатывания (~ 10 пс на ячейку), их применение ограничено относительно высоким уровнем потребляемой мощности.

107) Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор - трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя, расположенными на близком расстоянии параллельными p-n - переходами. Конструкции биполярного транзистора схематически показаны на рис. 50, там же приведены соответствующие обозначения. Как видно из рис. 50, транзистор состоит из трех основных областей: эмиттерной, базовой и коллекторной. К каждой из областей имеется омический контакт. Для того, чтобы транзистор обладал усилительными свойствами, толщина базовой области должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда, т.е. большая часть носителей, инжектированных эмиттером, не должна рекомбинировать по дороге к коллектору.

Рис. 50. Структура и обозначения pnp и npn биполярных транзисторов.

На границах между p и n областями возникает область пространственного заряда, причем электрические поля в эмиттерном и коллекторном переходах направлены так, что для p-n-p транзистора базовая область создает энергетический барьер для дырок, стремящихся перейти из эмиттера в коллектор, для n-p-n транзистора базовая область создает аналогичный барьер для электронов эмиттерной области.

При отсутствии внешнего смещения на переходах потоки носителей заряда через переходы скомпенсированы и токи через электроды транзистора отсутствуют.

Для того, чтобы транзистор работал в режиме усиления входного сигнала, эмиттерный переход смещают в прямом направлении, коллекторный в обратном. Приложенное к эмиттерному переходу смещение уменьшает потенциальный барьер, и из эмиттера в базу инжектируются дырки (в pnp транзисторе) или электроны (в npn транзисторе), инжектированные носители проходят и достигают коллектора. Между базой и коллектором барьера нет, поэтому все дошедшие до коллектора носители заряда переходят через коллекторный переход и создают коллекторный ток.

Поскольку коллекторный переход расположен близко от эмиттерного, основная часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллектора, таким образом инжекционный ток эмиттера примерно равен току коллектора. В то же время мощность, затраченная во входной эмиттерной цепи на создание тока, меньше мощности, которая выделяется в выходной коллекторной цепи, т.е. имеет место усиление мощности. Таким образом, входной сигнал, изменяя высоту потенциального барьера, модулирует поток неосновных носителей, создающий коллекторный ток и, соответственно, усиленный за счет энергии коллекторной батареи выходной сигнал.

Поскольку коллектор смещен в обратном направлении, высота энергетического барьера для основных носителей в базе и коллекторе велика, и их инжекция через коллекторный переход отсутствует. Через коллекторный переход могут проходить только потоки неосновных носителей заряда, перемещению которых не препятствует поле ОПЗ: это, прежде всего, обеспечивающий усиление сигнала поток прошедших через базу носителей, инжектированных эмиттером, и поток неосновных носителей, генерируемых в базе, создающих дырочную составляющую тока утечки коллекторного перехода.

Перенос зарядов через транзистор можно охарактеризовать следующими уравнениями.

Для pnp транзистора:

(4_1)

Коэффициент инжекции эмиттерного перехода γ показывает, какая часть эмиттерного тока состоит из заряда, инжектированного в базу. Поскольку только инжектированные носители создают эффект усиления, желательно, чтобы коэффициент инжекции был как можно выше (обычно α > 0,99).

Не все инжектированные эмиттером носители доходят до коллектора, некоторая их часть рекомбинирует:

(4_2)

Коэффициент переноса показывает, какая часть инжектированных носителей дошла до коллектора, не прорекомбинировав. Коэффициент переноса зависит от времени жизни неосновных носителей в базе и ее длины. Именно необходимость обеспечить перенос инжектированных носителей через базу транзистора выдвигает требование, чтобы диффузионная длина была больше толщины базы транзистора Lp>>W. Выполнение этого условия позволяет обеспечить высокие значения коэффициента переноса (обычно α > 0,98).

Коэффициенты γ и κ характеризуют вклад инжекционных и рекомбинационных процессов в коллекторный ток, т.е. в работу транзистора и его характеристики.