Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Экспериментально в работе [12] на высоколегированном GaAs ("о~5-1015
см~3) наблюдались времена переключения от 6-10~и с при L - 3-10-3 см до
3-10-10 с при L = 3-10~2 см. Сопротивление нагрузки в этих экспериментах
было меньше, чем сопротивление образцов в слабом поле.
Амплитуда выходного импульса, равная AIRU~ (It/2) Rn (А/-скачок тока при
образовании домена), растет при увеличении Rn. Однако,, как видно из
(11.6), скорость переключения при этом уменьшается. Ограничение на
максимально возможную величину сопротивления Ru можно получить из
условия, чтобы характерное время переключения Тф не превышало половины
пролетного времени Ь/щЕгт111.
Используя формулу (11.6), получаем
1 I Rн ^ 4itqnoL(Et--fir min) . Qv
1+Ж<-------------25Шк~----------------------------¦ (П-8)
г тт
При малых Rh(Rn/Ro-^0) критерий (11.8) устанавливает ограничение снизу на
значение п0Ь (аналогично критерию Кремера) *). С возрастанием величины
п0Ь допустимое значение Rn/Ro возрастает. Однако при этом возрастает
также падение напряжения на домене (11.7), и соответственно максимальное
поле в домене
р /'8гс<7Яо j j \ 1/2
\ -----Ud ¦
е j
Для нормальной работы в триггерном режиме необходимо, чтобы Ет было
меньше определенной доли (около 1/3) характерного поля ударной ионизации
?V Отсюда получаем следующий критерий:
zE3;
1 [____________________ И l Э!
Ro 8Q^qn0L (Et - Er rain)
*> Заметим, что выражение (11.8) существенно отличается от
соответствующего выражения, полученного в работе [13]. Это связано с тем,
что в работе [13] ошибочно не учитывалась зависимость Cd от величины Re-
233
Перемножив выражения (11.8) и (11.9), можно получить необходимый (но
недостаточный) критерий, ограничивающий величину допустимого
сопротивления нагрузки:
1+^<Л5-10-*^
Но сгт]
'г mi и
(11.10)
Принимая для GaAs ?{ = 550 кВ/см, кВ/см, Et~3 кВ/см, из
критериев (11.8) -(11.10) получаем соответственно:
Важным параметром усилителя является величина максимального коэффициента
усиления на один каскад. Эта величина равна отношению Д/^н/^и min, ГДе
t/и шт - минимальная амплитуда входного импуль-са, приводящая к
формированию домена. Для уменьшения величины f/итш необходимо уменьшить
разность Et-Е0. Однако при очень малых значениях Et-Е0 возможны случайные
"паразитные" переключения схемы за счет шумов.
Когда смещение Е0 подается на образец импульсами, основным источником
шумов являются, как правило, шумы импульсной схемы [14]. При постоянном
напряжении смещения шумы источника питания могут быть сделаны существенно
меньше собственных шумов диода Гаина. Адекватной теории переключения
диода под действием собственных шумов в настоящее время не существует.
Экспериментально случайное переключение изучалось в работе [15].
В работе [14] был получен коэффициент усиления 32 дБ в импульсном режиме
на образцах с п0Ь~Ю13 см-2 и L^50 мкм. В работе [16] коэффициент усиления
в непрерывном режиме составлял 6 дБ. Длина образцов L равнялась 100 мкм,
концентрация электронов - 2-1014 см~3, сопротивление образца в слабом
поле- 150 Ом. В работе [17] в схеме, аналогичной показанной на рис. 11.1,
был получен коэффициент усиления 20 дБ.
В работе [18] на диоде L = 600 мкм с р= 1,95 Ом-см и i?o=620 Ом при
нагрузке ^н=50 Ом было получено усиление по току 20 дБ. Усиление по
мощности при этом составило 9 дБ.
Во многих случаях важным параметром является мощность, выделяющаяся в
диоде. До переключения в омическом режиме потребляемая диодом мощность
при E=Et равна
При этом на резисторе нагрузки Rs выделяется мощность, в RH/Rо раз
большая. После переключения, во время прохождения домена через образец
потребляемая диодом мощность
Мсщнсть, выделяемая в этот период времени на резисторе нагрузки, равна
(jticixEf тш-^н*
Ro ~ noL (см-2) '
(11.11а)
(11.116)
(11.11в)
Pi = qtioynE2t LS.
(11.12)
Рг ^ Qfl^iEr minEtEl 1 -j-
Bt - Er min Re
'r min JVH_
)s. (11.13)
Et
234
Для логических схем представляет интерес вопрос о минимальной мощности,
потребляемой логическим элементом. Поскольку в силу критерия Кремера
поЬ>(поЬ)±, то из (11.12) следует, что Pi/S р-5 q(naL) i\\iE2t ~5 • 103
Вт/см2 для GaAs. Уменьшая площадь прибора, можно неограниченно уменьшать^
выделяющуюся в приборе мощность. Условие tiodo> (n0do)KV, (d0& )AS -
поперечный размер диода) не накладывает дополнительных ограничений на
величину Рг, поскольку, увеличивая riocodo^-S-*/2, этому условию можно
удовлетворить при любых d0. Таким образом, минимальная мощность диодов
Ганна определяется технологическими соображениями (это противоречит
результатам работы [19]). Так, при d0~3 мкм Р\^5-10~4 Вт.
Другим важным параметром, характеризующим логические элементы, является
произведение потребляемой мощности на скорость переключения. При малом
сопротивлении нагрузки имеем
Pixф 3,5E*tS
Для GaAs
L3en<>
8щ (Et - Er min)
1/2
Р1Тф(Дж) -2,5- 10-10|[Ь3(см)По(см_3)]1/25(см_2). При /го = 1014 см-2, L =
10-2 см, 5"10"в см-2, Р1Тф~2,5-10~12 Дж.
