Cпектры колебаний тока диодов Ганна с ударной ионизацией в движущихся доменах

Автор: · Дата: 18 Февраль 2012 · Пока нет комментариев

Павленко Д.В., Прохоров Э.Д. Cпектры колебаний тока диодов Ганна с ударной ионизацией в движущихся доменах [Текст]: материалы научно-технической конференции / Д. В. Павленко, Э. Д. Прохоров //“СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо’2006), Севастополь, 11– 15 сентября. — с. 229 — 230

Cпектры колебаний тока диодов Ганна

с ударной ионизацией в движущихся доменах

Д. В. Павленко, Э. Д. Прохоров

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 гармоники шума с широким частотным спектром.

I. Введение


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 d крит E > E ( ~ 200 / крит E кВ см для GaAs) развивается ударная ионизация. Аналитические оценки показывают, что ударная ионизация может развиваться при высоких концентрациях электронов n в активной области при выполнении условия nl >1015 см^−2 , где l – 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


На рисунках 1(а)-2(а) показана форма плотности тока проводимости диода Ганна для определенных значений приложенного напряжения питания 0 U 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-полеи коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок от напряженности поля и температуры для арсенида галлия, равновесная концентрация электронов в активной области 10^1510 см^-3 , 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).

Можно отметить, что влияние ударной ионизации приводит к искажению формы тока, влекущему уширение 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 0 U и переменной cos U 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,» IEEETrans. 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-InGaP DHBTs,» IEEE Trans. Electron Devices, vol. 51, pp.304-311, Mar. 2004.
[5] J. S. Ng, C. H. Tan, J. P. R. David, G. Hill, G. J. Rees, «Field Dependence of Impact Ionization in In0.53Ga0.47As,» 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, с.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.

Скачать полный вариант тезисов в pdf

Популярность: 23%

Рубрика: Публикации ·  



Оставить комментарий или два

Пожалуйста, зарегистрируйтесь для комментирования.