д в Павленко, Е Д Прохоров Харківський національний університет імені В Н Каразіна, радіофізичний факультет, кафедра напівпровідникової і вакуумної електроніки пл Свободи, 4, м Харків, 61077, Україна тел: (057) 7051262

Uo = 350 В, L = 120 мкм

Анотація – Представлені результати чисельного моделювання діода Ганна на основі GaAs при напряженностях електричного поля, достатніх для виникнення ударної іонізації в рухомих доменах сильного поля Використовувана модель дозволяє наочно простежити за протіканням процесів перенесення і генерації як електронів, так і дірок в діоді Ганна Спостережувані при моделюванні форми коливань струму і відповідні їм частотні спектри добре узгоджуються з отриманими раніше експериментальними даними Показано, що діод Ганна з ударною іонізацією в рухомих доменах сильного поля може бути використаний як генератор гармонік і шуму з широким частотним спектром

I                                       Введення

Рис 1 (Б)

Fig 1 (Ь)

Рис 1 (А) Fig 1 (А)

Ударна іонізація в доменах сильного поля діодів Ганна спостерігається в основному в довгих приладах (30 .. 1000 мкм), при цьому порушується когерентність коливань струму через діод, можливі S-образна характеристика, стимульоване випромінювання Експериментально показано, що ударна іонізація в діодах Ганна супроводжується інтенсивним СВЧ-шумом в широкій смузі частот [1]

При досягненні в діод порогової напруженості електричного поля у катода виникають домени сильного поля, в яких при

{Екріт-200кВ СМ для GaAs) розвивається ударна

іонізація Аналітичні оцінки показують, що ударна іонізація може розвиватися при високих концентраціях електронів п в активній області при

Uo = 250 В, Ucos = 150 В 11 ГГц, L = 110 мкм

виконанні умови п1> 10 ^ ^ см ^ ^, де /-довжина активної області діода [2-6] Така умова добре виконується як при експериментальних спостереженнях, так і в нашому випадку чисельного розрахунку

Для моделювання використана вдосконалена локально-польова чисельна модель діода Ганна, докладно описана в [7, 8], що враховує рекомбінацію і ударну іонізацію як електронів, так і дірок

II                              Основна частина

Рис 2 (А) Fig 2 (А)

На малюнках 1 (а) -2 (а) показана форма густини струму провідності діода Ганна для певних значень прикладеної напруги харчування 1 / ^ і

довжини активної області L, на малюнках 1 (б) -6 (б) представлені відповідні їм спектри Спектральні складові пронормовані за амплітудою першої гармоніки При моделюванні були задані апроксимації характеристик швидкість-поле і коефіцієнтів ударної іонізації електронів і дірок від напруженості поля і температури для арсеніду галію, рівноважна концентрація електронів в активній області ІQ = 10 ^ ^ cлί ^ Навантаження

діода чисто резистивная

При підвищенні напруги, прикладеного до діода, ударна іонізація робить все більший

вплив на його роботу, призводить до значної зміни форми коливань струму і спектра (рис 1)

Рис 2 (Б)

Fig 2 (Ь)

Можна відзначити, що вплив ударної іонізації призводить до спотворення форми струму, що тягне вуха-ширення спектральних ліній пачки імпульсів, зростанню амплітуд високочастотних складових спектра в порівнянні з амплітудою першої гармоніки При сильній ударної іонізації знеформлення призводить до того, що спектр стає практично безперервним аж до частот 12-15 гармонік, з амплітудами складових до 2 .. 5% амплітуди першої гармоніки (приблизно на частоті 12 гармоніки)

Очевидно, застосування діодів Ганна, що працюють в умовах сильної ударної іонізації в домені, дозволяє отримати коливання з широким частотним спектром

На рис 2 показані варіанти моделювання роботи діода при харчуванні напругою з постійною і

змінної гармонійної складовими

(Зовнішній резонатор) та розвитку ударної іонізації [8]

Для режиму роботи на рис 2, період коливань гармонійної складової, що підводиться до діода напруги, менше приблизно на 10% пролітної частоти, при цьому чітко помітно збільшення амплітуд вищих гармонік у порівнянні з іншими розглянутими варіантами

III                                   Висновок

в результаті проведеного дослідження показано, що робота діодів Ганна при сильній ударної іонізації в рухомому домені дозволяє отримати коливання з широким частотним спектром Для деяких випадків спостерігається практично безперервний спектр аж до частоти пятнадцятий гармоніки з амплітудою близько 2% максимальної (відповідної першої гармоніці)

При приміщенні діода в резонатор з власною частотою, що відрізняється на 10 .. 15% від частоти першої гармоніки вільних ГАННІВСЬКА коливань, виявляється різке зростання амплітуд 2-5 гармонік струму провідності тільки для режимів роботи з ударною іонізацією

IV                           Список літератури

[1] Є С Золотарьов, Л І Калмикова, Е Д Прохоров, Генерація СВЧ-шуму діодами на GaAs з ударною іонізацією, Вісник ХНУ, Радіофізика та електроніка, № 336, с6-8, 1989

[2] Е Д Прохоров, В А Шалаєв, Н І Білецький,

В Н Арендарь Оцінка впливу ударної іонізації всередині електричного домену на стійкість роботи і ширину ВАХ діодів Ганна, Радіотехніка та електроніка, 1970, № 3, С578-585 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,» IEEE Trans Electron Devices, vol 50, pp2027-2032, Oct 2003

[4]  W-P Neo, H Wang, «Temperature Dependence of the Electron Impact Ionization in InGaP-GaAs-lnGaP DHBTs,» IEEE Trans Electron Devices, vol 51, pp304-311, Mar 2004

[5]  J S Ng, C H Tan, J P R David, G Hiii, G J Rees, «Field Dependence of Impact Ionization in lno53Gao47As,» IEEE Trans Electron Devices, vol 50, pp901-905, Apr 2003

[6] Павленко Д В, Прохоров Е Д Двовимірна модель електронних процесів в діодах Ганна з урахуванням ударної іонізації Вісник ХНУ, Радіофізика та електроніка,

№ 622,017-22,2004

[7] Павленко Д В, Прохоров ЕД Вплив низькопольової рухливості електронів на розвиток ударної іонізації в діодах Ганна Вісник ХНУ, Радіофізика та електроніка, № 646 вип2, с84-89, 2004

[8] Павленко Д В, Прохоров Е Д Спектри коливань струму діодів Ганна з ударною іонізацією в рухомих доменах Вісник ХНУ, Радіофізика та електроніка,

№ 712, вип 10, с123-126, 2006

THE SPECTRUM OF CURRENT OSCILLATIONS OF GUNN DIODES WITH THE IMPACT IONIZATION IN MOVING DOMAINS

D V Pavlenko, E D Prokhorov Kharkiv National University of V N Karazin, Radiophysical Faculty Semiconductor and Vacuum Electronics Department Svoboda sq 4, Kharkiv, 61077, Ukraine Ph: (057) 7051262

Abstract – The results of the numerical simulation of the GaAs Gunn diode with electric field strengths, sufficient for development of the impact ionization in the moving high-field domains, are presented The form of current oscillations and frequency spectrums is in good agreement with experimentally measured data It is shown that the Gunn diode operating under conditions of the impact ionization may be used as a source of wide spectrum UHF-noise

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р