Головна »Довідник» Діод Ганна - принцип роботи, застосування
Як відомо діод - це двохвивідною напівпровідниковий радіоелектронний компонент, що володіє нелінійної вольт-амперної характеристикою (ВАХ). Це дозволяє електричному струму текти тільки в одному напрямку, при якому його опір при прямому зміщенні дуже мало (майже нульове). І на оборот, в іншому напрямку нелінійна ВАХ не дозволяє протікати току, так як вона передбачає дуже високий опір (нескінченно велике) при зворотному зміщенні.
Діоди діляться на різні типи залежно від їх характеристик і принципу роботи. Вони включають в себе звичайний діод, діод Шотткі, діод Шоклі, струмообмежувальним діод, стабілітрон, світлодіод, фотодіод, тунельний діод, варактор, лазерний діод, pin діод, елемент Пельтьє, діод Ганна, і так далі.
У даній статті ми докладно розглянемо принцип роботи діода Ганна. характеристики і застосування діода Ганна на практиці.
Що таке діод Ганна?
Діод Ганна прийнято розглядати як один з видів діода, не дивлячись на те, що він фактично не має типового для діода pn-переходу. Його ще називають приладом з об'ємною нестійкістю.
Діод Ганна має негативне диференціальний опір і тому його часто застосовують в якості генератора малої потужності для формування мікрохвиль. Він складається з напівпровідника N-типу, в якому електрони є основним носієм заряду. Для генерації коротких радіохвиль, таких як надвисокі частоти (СВЧ) використовують ефект Ганна.
Структура діода Ганна
Центральна область, показана на малюнку нижче - це активна область, яка представлена низьколегованих шаром арсеніду галію (GaAs). З обох сторін активної області нарощуються епітаксіальні шари високолегованого GaAs (N-типу) з товщиною приблизно від 8 до 10 мікрометрів.
Активна частина затиснута між двома зонами мають омические контакти. Це дозволяє забезпечити ефективний тепловідвід, що допомагає уникнути перегріву і передчасного виходу діода з ладу.
ефект Ганна
Ефект Ганна був відкритий Джоном Ганном в 1960-х роках. Після його експериментів на основі GaAs (Арсенід галію), він звернув увагу на перешкоди, що виникли в результаті цих дослідів. Далі він використовував це для генерації електричних коливань в діапазоні надвисоких частот в стійкому електричному полі, величиною більше ніж порогове значення.
Цей ефект Ганна можна визначити як генерація НВЧ (частоти порядку декількох ГГц) виникає щоразу, коли напруга, що прикладається до напівпровідникового приладу перевищує його критичне порогове значення.
Характеристики діодів Ганна
На графіку нижче показана вольт-амперна характеристика діода Ганна в його негативній області опору. Ця характеристика схожа на характеристику тунельного діода. Як видно з графіка спочатку в міру збільшення напруги на діоді відбувається збільшення струму, але після досягнення певного рівня напруги (порогового значення), струм починає зменшуватися. Та область, де струм падає, називається область негативного опору.
СВЧ генератор на діоді Ганна
Діод Ганна використовуються для побудови генераторів мікрохвиль з частотами в діапазоні від 10 ГГц до ТГц. Це пристрій, що має негативне диференціальний опір (NDR -Negative Differential Resistance) - також званого як прилад перенесення електронів - є коливальним контуром, що складається з діода Ганна і подається на нього постійної напруги зміщення (в області негативного опору).
Завдяки цьому, сумарний диференціальне опір ланцюга стає рівним нулю, так як негативне опір діода скорочується при позитивному опорі ланцюга, що призводить до виникнення коливань.
Діод Ганна - принцип роботи
Цей діод зроблений з цілісного шматка напівпровідника N-типу, такого як Арсенід Галлія (GaAs) або Фосфід Індія (InP). Діод Ганна складається з трьох енергетичних областей, і ця додаткова третя область на початковому етапі порожня.
Електрони із зони провідності, що мають мізерно мале питомий електричний опір. переміщаються в третю область, оскільки вони розсіюються від прикладеного до діода напруги. Третя область з GaAs має рухливість, яка менше, ніж в зоні провідності.
Через збільшення прямої напруги збільшується напруженість поля (прикладена напруга перевищує порогове значення напруги), внаслідок чого електрони досягають стану, при якому їх ефективна маса збільшується, а швидкість зменшується, що призводить в кінцевому підсумку до зниження струму.
Отже, якщо напруженість поля збільшується, то швидкість дрейфу буде зменшуватися, при цьому створюється негативний додатковий опір в VI зоні. Таким чином, збільшення напруги збільшить опір, шляхом виникнення на катоді так званого домену сильного поля, який рухається і досягає анода.
При досягненні анода, домен руйнується, і струм знову зростає. При підтримці постійного значення напруги, на катоді знову виникатиме новий домен і все повториться знову. Частота повторення цього процесу пов'язана з товщиною шару напівпровідника (GaAs), і чим більше його товщина, тим менше частота повторень.
Застосування діода Ганна
Діод Ганна використовується в наступних областях:
- в генераторах Ганна для генерації частот в діапазоні від 5 ГГц до 35 ГГц на виході. Генератор Ганн використовуються в радіозв'язку, у військових і комерційних радіолокаційних установках.
- в залізничній сфері в якості датчиків для виявлення порушників, з метою запобігання аварії поїздів.
- в якості ефективних генераторів СВЧ в діапазоні частот до сотень ГГц.
- в детекторах дистанційного вимірювання вібрацій та вимірюванні швидкості обертання в тахометр.
- як СВЧ генератора струму (імпульсний генератор на діоді Ганна).
- в передавачах СВЧ для генерації НВЧ-радіохвиль при дуже малих потужностях.
А так же в датчиках відкривання дверей, пристроях управління процесами, охорона периметра, системи безпеки пішоходів, датчиках рівня, в датчиках вимірювання вологості і в охоронних системах.
