Диоды Ганна: устройство, схема, обозначение, принцип работы, применение

Рис.1 Внешний вид диодов Ганна.

Эти радиокомпоненты диодами называются только из-за конструктивного сходства с полупроводниковыми электрическими вентилями. Они так же оснащаются двумя выводами, то есть катодом и анодом, но в конструкции отсутствует p-n-переход, и выпрямляющими свойствами диоды Ганна не обладают. Их функция состоит в другом. Элементы используются для генерации сверхвысокочастотных электрических колебаний (СВЧ).

Рис.2 Условное графическое обозначение диода Ганна в схемах.

Имя собственное эти радиокомпоненты получили по фамилии первооткрывателя квантового эффекта, лежащего в основе функциональности этих генераторов СВЧ. Британский физик Джон Ганн в начале 60-х годов XX века обнаружил, что кристалл арсенида галлия начинает испускать электромагнитные волны частотой более 10 ГГц при воздействии на него электрического поля с напряжённостью, превышающей некое пороговое значение. Этот процесс вошёл в научную терминологию под названием эффекта Ганна.

Физическая основа

Рис.3 Устройство диодов Ганна.

Справедливости ради следует заметить, что Джон Ганн, открывший свой знаменитый эффект, не объяснил его физические принципы. Он лишь адаптировал его результаты для практической электроники, разработав конструкцию своего знаменитого диода. Физические принципы генерации СВЧ-колебаний арсенидом галлия объяснил с точки зрения квантовой механики другой учёный – американец Г. Крёмер.

Он установил, что при воздействии на кристалл арсенида галлия электрического поля высокой напряжённости в его структуре возникают так называемые домены сильного поля – своеобразные сгустки электронов, движущиеся от катода к аноду. Как и любое движение носителей заряда, это перемещение домена является током в самом обычном смысле этого слова. При достижении доменом анода ток прекращается.

Эффект Ганна состоит в том, что сразу же после исчезновения первого домена в области катода образуется следующий. Как только исчезнет он, на смену ему придёт третий, потом четвёртый и так далее – до тех пор, пока не будет снято приложенное электрическое поле. Таким образом, на аноде диода Ганна возникает последовательность импульсов.

Из-за того, что длительность переходных процессов составляет крайне малые величины – порядка наносекунд – частота этого импульсного сигнала измеряется в десятках гигагерц. Такие радиосигналы используются в передатчиках, приёмниках и прочем радиотехническом оборудовании, работающем в режиме СВЧ.

Единственное «слабое место» диодов Ганна заключается в их низковольтном характере эксплуатации. Напряжение, вырабатываемое этими радиокомпонентами, колеблется на уровне единиц микровольт и даже дробных долей. В связи с этим при использовании диодов Ганна в принципиальную схему вводятся усилители СВЧ-сигнала. Это усложняет конечное устройство, но на эти жертвы конструкторы всё равно идут, если к технике предъявляются повышенные требования в отношении стабильности частоты. По данному параметру диоды с эффектом Ганна – вне конкуренции. В этом с ними не могут спорить стандартные волноводные СВЧ-генераторы.

Генератор на диоде Ганна

Типовой генератор на диоде Ганна состоит из самого диода, подключённого непосредственно к резонатору, и источника питания, который выполняется регулируемым. Благодаря регулировке питающего напряжения генератор может вырабатывать сигнал в одном из следующих режимов:


Перечисленные режимы различаются вольтамперными характеристиками, что проявляется в генерации импульсов разной формы. Это используется для выработки радиосигналов с заданными характеристиками и применяется в радиоаппаратуре специального назначения.

Области применения

Производство диодов Ганна

Первым материалом для производства диодов Ганна стал упомянутый выше арсенид галлия. Позднее было обнаружено, что схожими свойствами обладает фосфид индия. В первые годы в производстве элементов использовались единые кристаллы, но с развитием молекулярно-атомных технологий диоды Ганна стали изготавливать на основе кристаллических сборок. В них центральная область выполнена из чистого однородного полупроводника, а анодная и катодная зоны, расположенные по сторонам, изготавливаются из материала с глубоким легированием. Такая структура обеспечивает более высокое входное сопротивление, вследствие чего создаются условия для стабильного образования доменов электрического поля.

Заключение

Диоды Ганна представляют собой важный класс полупроводниковых приборов, нашедший широкое применение в самых разных отраслях промышленности и научных исследований. Благодаря своей простоте, компактности и эффективности, эти устройства продолжают оставаться востребованными даже спустя десятилетия после их открытия. Дальнейшее развитие технологий обещает еще большее расширение возможностей и улучшение характеристик диодов Ганна, делая их незаменимыми компонентами современного мира электроники.