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耿氏二極管

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「耿氏二極管」的各地常用別名
中國大陸 耿氏二極管[1]
港臺 甘恩二極體、剛氏二極體[1][2]
耿氏二極管的電壓-電流示意曲線,圖中曲線的下降部分顯示了其負阻效應。

耿氏二極體(英語:Gunn diode,中國大陸作耿氏二極管,台灣作甘恩二極體、剛氏二極體),或稱轉移電子器件transferred electron device, TED)是一種在高頻率電子學中應用的二極管形式。與一般的二極管同時具有N型區和P型區不同,它只由N型雜質半導體材料組成。耿氏二極管具有三個區域:兩端是N型重摻雜區,介於二者中間的是一層輕摻雜的薄層。當電壓施加在耿氏二極管的兩端時,中央薄層處的電梯度(electrical gradients,類似電化學梯度)最大。由於在導體材料中,電流與電壓成正比,導電性將會產生。最終,中央薄層處會產生較高的電場值,從而得到較高的電阻,阻止導電性的進一步增加,電流會開始下降。這意味着耿氏二極管具有負阻Negative resistance)效應,或稱負微分電阻(Negative differential resistance)。[3]

利用負微分電阻性質與中間層的時間特性,可以讓直流電流通過耿氏二極管,從而形成一個弛豫振盪器Relaxation oscillator)。在效果上,耿氏二極管中的負微分電阻會抵消的部分真實存在的正阻值,這樣就可以使電路等效成一個「零電阻」的電路,從而獲得無窮振盪。振盪頻率部分取決於耿氏二極管的中間層,不過也可以通過改變其他外部因素來改變振盪頻率。耿氏二極管被用來構造10 GHz或更高(例如太赫茲級別)的頻率範圍,這時共振腔常被用來控制頻率。共振腔可以是波導等形式。頻率以機械進行調諧(如通過改變共振腔的參數)。

砷化鎵(GaAs)材料製造的耿氏二極管可以達到200 GHz的頻率,而氮化鎵的耿氏二極管可以獲得高達3 THz的頻率。[4][5]

耿氏二極管的理論基礎是耿氏效應Gunn effect[2],兩個命名中「耿氏」都是來自於IBM物理學家J. B. 耿氏英語J. B. Gunn,他在1962年發現了這一效應。當時他反對將實驗中的一些不連續現象視為雜訊,他對這現象做了一些研究。1965年6月,貝爾實驗室的Alan Chynoweth指出,只有電子在能谷間的轉移可以解釋這一實驗現象。[3][6]對此現象的解釋參見芮瓦希 (RWH)英語Ridley–Watkins–Hilsum theory[7]理論。

耿氏效應及其與芮瓦希 (RWH) 機制英語Ridley–Watkins–Hilsum theory[7]的聯繫,在1970年的一些專著(例如轉移電子器件、以及後來電荷傳輸非線性波動方法等領域的書籍)中被展現。[8]其他一些涉及耿氏二極管的書籍在研究過程中出版,這些資料可以在圖書館等文獻機構查閱到。

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 Gunn diode. 國家教育研究院. [2017年1月3日 (2017-01-03)]. 
  2. ^ 2.0 2.1 Gunn effect. 國家教育研究院. [2017年1月3日 (2017-01-03)]. (原始內容存檔於2017-01-04). 
  3. ^ 3.0 3.1 劉恩科; 朱秉升; 羅晉生. 半導體物理學(第4版). 國防工業出版社. January 1, 2010: 406頁 [2000]. ISBN 978-7-118-06562-6 (中文(中國大陸)‎). ASIN B003N63SMK:119-123
  4. ^ V. Gružinskis, J.H. Zhao, O.Shiktorov and E. Starikov, Gunn Effect and the THz Frequency Power Generation in n(+)-n-n(+) GaN Structures, Materials Science Forum, 297--298, 34--344, 1999. [1]
  5. ^ Gribnikov, Z. S., Bashirov, R. R., & Mitin, V. V. (2001). Negative effective mass mechanism of negative differential drift velocity and terahertz generation. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 7(4), 630-640.
  6. ^ John Voelcker. The Gunn effect: puzzling over noise. IEEE Spectrum. 1989. ISSN 0018-9235. 
  7. ^ 7.0 7.1 Ridley-Watkins-Hilsum mechanism. 國家教育研究院. [2017年1月3日 (2017-01-03)]. (原始內容存檔於2017-01-04). 
  8. ^ P. J. Bulman, G. S. Hobson and B. C. Taylor. Transferred electron devices, Academic Press, New York, 1972