Реферат: Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме

Министерствообразования Российской Федерации

ОрловскийГосударственный Технический Университет

Кафедрафизики

РЕФЕРАТ

на тему:«Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме».

Дисциплина: «Физические основы микроэлектроники»

Выполнилстудент группы 3–4
Сенаторов Д.Г.

Руководитель:                       

Оценка:      

Орел. 2000

Эффект Ганна и его использование, в диодах,работающих в генераторном режиме.

          Для усиления и генерации колебаний СВЧ-диапазонаможет быть использована аномальная зависимость скорости электронов от напряженностиэлектрического поля в некоторых полупроводниковых соединениях, прежде всего варсениде галлия. При этом основную роль играют процессы, происходящие в объемеполупроводника, а не в p-n-переходе.Генерацию СВЧ-колебаний в однородных образцах GaAsn-типапри напряженности постоянного электрического поля выше порогового значения впервыенаблюдал Дж. Ганн в 1963 г. (поэтому такие приборы называют диодами Ганна). Вотечественной литературе их называют также приборамис объемной неустойчивостью или с междолиннымпереносом электронов, поскольку активные свойства диодов обусловленыпереходом электронов из «центральной» энергетической долины в «боковую», гдеони характеризуются большой эффективной массой и малой подвижностью. В иностраннойлитературе последнему названию соответствует термин ТЭД (TransferredElectron Device).

          В слабомполе подвижность <img src="/cache/referats/4085/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> электронов велика исоставляет 6000–8500см2/(В<img src="/cache/referats/4085/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">кВ/смза счет перехода части электронов в «боковую» долину средняя дрейфовая скоростьэлектронов уменьшается с ростом поля. Наибольшее значение модулядифференциальной подвижности <img src="/cache/referats/4085/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> на падающем участке примерновтрое ниже, чем подвижность в слабых полях. При напряженности поля выше 15–20 кВ/см средняя скорость электронов почти не зависит от поляи составляет около 107 см/с, так что отношение <img src="/cache/referats/4085/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">~10–12с для GaAs),определяемого постоянной времени релаксации по энергии и времени междолинногоперехода (~5-10–14с).

          Можнобыло бы ожидать, что наличие падающего участка характеристики <img src="/cache/referats/4085/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> в области ОДП при однородномраспределении электрического поля вдоль однородно легированного образца GaAsприведет к появлениюпадающего участка на вольт-амперной характеристике диода, поскольку значениеконвекционного тока через диод определяется как <img src="/cache/referats/4085/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"><img src="/cache/referats/4085/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031"><img src="/cache/referats/4085/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032"><img src="/cache/referats/4085/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033">

<img src="/cache/referats/4085/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1034">

где <img src="/cache/referats/4085/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1035"><img src="/cache/referats/4085/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1036">n-GaAs. В однородном образце, к которомуприложено постоянное напряжение <img src="/cache/referats/4085/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1037">локальноеповышение концентрации электронов приводит к появлению отрицательно заряженногослоя (рис. 2), перемещающегося вдоль образца от катода к аноду.

<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA;layout-grid-mode:line">

<img src="/cache/referats/4085/image028.gif" v:shapes="_x0000_s1027">
Рис.1.Аппроксимированная зависимость дрейфовой скорости электронов от напряженностиэлектрического поля для GaAs.

Рис.2. К пояснению процессаформирования слоя накопления в однородно легированном GaAs.

<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA;layout-grid-mode:line">

Под катодом понимается контактк образцу, на который подан отрицательный потенциал. Возникающие при этомвнутренние электрические поля <img src="/cache/referats/4085/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1038"> и <img src="/cache/referats/4085/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1039"> накладываются на постоянноеполе <img src="/cache/referats/4085/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1040">

          Однакотакое распределение электрического поля неустойчиво и при наличии в образценеоднородности в виде скачков концентрации, подвижности или температуры можетпреобразоваться в так называемый доменсильного поля. Напряженность электрического поля связана с концентрациейэлектронов уравнением Пуассона, которое для одномерного случая имеет вид

                                                <img src="/cache/referats/4085/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1041">                                   (1)

Повышениеэлектрического поля в части образца будет сопровождаться появлением на границахэтого участка объемного заряда, отрицательного со стороны катода и положительногосо стороны анода (рис.3, а). При этом скорость электронов внутри участка падаетв соответствии с рис.1. Электроны со стороны катода будут догонять электронывнутри этого участка, за счет чего увеличивается отрицательный заряд иобразуется обогащенный электронами слой. Электроны со стороны анода будутуходить вперед, за счет чего увеличивается положительный заряд и образуется обедненныйслой, в котором <img src="/cache/referats/4085/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1042"><img src="/cache/referats/4085/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> сравняется со скоростью электронов внедомена. Очевидно,что <img src="/cache/referats/4085/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1044"><img src="/cache/referats/4085/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1045"><img src="/cache/referats/4085/image046.gif" v:shapes="_x0000_i1046">

<img src="/cache/referats/4085/image048.gif" v:shapes="_x0000_s1028">
Рис.3.К пояснениюпроцесса формирования дипольного домена.

После того как домен исчезнет на аноде, напряженностьполя в образце повышается, а когда она достигнет значения <img src="/cache/referats/4085/image046.gif" v:shapes="_x0000_i1047">, начинается образование нового домена. При этом токдостигает максимального значения, равного (рис.4, в)

                                                <img src="/cache/referats/4085/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1048">                                        (2)

          Такой режим работы диода Ганна называют пролетным режимом. В пролетном режиметок через диод представляет собой импульсы, следующие с периодом <img src="/cache/referats/4085/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1049"><img src="/cache/referats/4085/image054.gif" v:shapes="_x0000_i1050">GaAsи InР).

          Электронныепроцессы в диоде Ганна должны рассматриваться с учетом уравнений Пуассона,непрерывности и полной плотности тока, имеющих для одномерного случая следующийвид:

                                      <img src="/cache/referats/4085/image056.gif" v:shapes="_x0000_i1051">;                              (3)

                                       <img src="/cache/referats/4085/image058.gif" v:shapes="_x0000_i1052">              (4)

<img src="/cache/referats/4085/image060.gif" v:shapes="_x0000_s1031">

Рис.4. Эквивалентная схема генератора на диоде Ганна (а)и временные зависимости напряжения (б) и тока через диод Ганна в пролетномрежиме (в) и в режимах с задержкой (г) и гашением домена (д).

Мгновенное напряжение на диоде <img src="/cache/referats/4085/image062.gif" v:shapes="_x0000_i1053"><img src="/cache/referats/4085/image064.gif" v:shapes="_x0000_i1054"> считают не зависящимот электрического поля.

          Взависимости от параметров диода (степени и профиля легирования материала, длиныи площади сечения образца и его температуры), а также от напряжения питания исвойств нагрузки диод Ганна, как генератор и усилитель СВЧ-диапазона, можетработать в различных режимах: доменных, ограничения накопления объемного заряда(ОНОЗ, в иностранной литературе LSA–LimitedSpace Charge Accumulation), гибридном, бегущих волн объемного заряда, отрицательнойпроводимости.

Доменные режимы работы.

          Длядоменных режимов работы диода Ганна характерно наличие в образце сформировавшегосядипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Характеристикистационарного дипольного домена подробно рассмотрены в [?], где показано, чтоиз (1), (3) и (4) следует, что скорость домена <img src="/cache/referats/4085/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1055"> и максимальная напряженностьполя в нем <img src="/cache/referats/4085/image066.gif" v:shapes="_x0000_i1056"> связаны правилом равных площадей

                                                <img src="/cache/referats/4085/image068.gif" v:shapes="_x0000_i1057">                              (5)

          В соответствии с (5) площади, заштрихованные на рис.5, а иограниченные линиями <img src="/cache/referats/4085/image070.gif" v:shapes="_x0000_i1058"><img src="/cache/referats/4085/image066.gif" v:shapes="_x0000_i1059"> в домене значительнопревышает поле <img src="/cache/referats/4085/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1060"> вне домена и может достигатьдесятков кВ/см.

<img src="/cache/referats/4085/image073.gif" v:shapes="_x0000_s1032">
                   Рис.5. К определениюпараметров дипольного домена.

На рис.5, б приведеназависимость напряжения домена <img src="/cache/referats/4085/image075.gif" v:shapes="_x0000_i1061"> от напряженностиэлектрического поля вне его, где <img src="/cache/referats/4085/image077.gif" v:shapes="_x0000_i1062"><img src="/cache/referats/4085/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1063"> при заданномнапряжении <img src="/cache/referats/4085/image080.gif" v:shapes="_x0000_i1064"> с учетом того, чтополное напряжение на диоде <img src="/cache/referats/4085/image082.gif" v:shapes="_x0000_i1065">Аопределяет напряжение домена <img src="/cache/referats/4085/image084.gif" v:shapes="_x0000_i1066"> и напряженность полявне его <img src="/cache/referats/4085/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1067"><img src="/cache/referats/4085/image087.gif" v:shapes="_x0000_i1068"><img src="/cache/referats/4085/image089.gif" v:shapes="_x0000_i1069"> (пунктирная линия нарис.5, б). Если еще более понизить напряжение на диоде так, что оно станетменьше напряжения гашения домена <img src="/cache/referats/4085/image091.gif" v:shapes="_x0000_i1070"><img src="/cache/referats/4085/image093.gif" v:shapes="_x0000_i1071"> на рис.5, б.

Таким образом, напряжениеисчезновения домена оказывается меньше порогового напряжения формированиядомена. Как видно из рис.5, вследствие резкой зависимости избыточногонапряжения на домене от напряженности поля вне домена поле вне домена искорость домена мало изменяются при изменении напряжения на диоде. Избыточное напряжениепоглощается в основном в домене. Уже при <img src="/cache/referats/4085/image095.gif" v:shapes="_x0000_i1072"> скорость домена лишьнемного отличается от скорости насыщения и можно приближенно считать <img src="/cache/referats/4085/image097.gif" v:shapes="_x0000_i1073"><img src="/cache/referats/4085/image099.gif" v:shapes="_x0000_i1074">

                                                          <img src="/cache/referats/4085/image101.gif" v:shapes="_x0000_i1075">                                    (6)

          Длина домена зависит от концентрации донорной примеси, атакже от напряжения на диоде и при <img src="/cache/referats/4085/image103.gif" v:shapes="_x0000_i1076"><img src="/cache/referats/4085/image105.gif" v:shapes="_x0000_i1077"> и связано сустановлением отрицательной дифференциальной проводимости и с нарастаниемобъемного заряда. Постоянная времени нарастания объемного заряда в режимемалого возмущения равна постоянной диэлектрической релаксации <img src="/cache/referats/4085/image107.gif" v:shapes="_x0000_i1078"><img src="/cache/referats/4085/image109.gif" v:shapes="_x0000_i1079"><img src="/cache/referats/4085/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1080"><img src="/cache/referats/4085/image112.gif" v:shapes="_x0000_i1081"><img src="/cache/referats/4085/image114.gif" v:shapes="_x0000_i1082">

<img src="/cache/referats/4085/image116.gif" v:shapes="_x0000_s1033">
Рис6.Диод Ганна.

Приближенно считают, что Домен успеетполностьюсформироваться за время:

                                      <img src="/cache/referats/4085/image118.gif" v:shapes="_x0000_i1083">                            (7)

где <img src="/cache/referats/4085/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1084"> выражено в <img src="/cache/referats/4085/image121.gif" v:shapes="_x0000_i1085"><img src="/cache/referats/4085/image123.gif" v:shapes="_x0000_i1086"><img src="/cache/referats/4085/image125.gif" v:shapes="_x0000_i1087"> или <img src="/cache/referats/4085/image127.gif" v:shapes="_x0000_i1088">

Значение произведенияконцентрации электронов на длину образца <img src="/cache/referats/4085/image129.gif" v:shapes="_x0000_i1089"> называют критическим и обозначают <img src="/cache/referats/4085/image131.gif" v:shapes="_x0000_i1090"><img src="/cache/referats/4085/image133.gif" v:shapes="_x0000_i1091"> домен сильного поля необразуется и образец называют стабильным.При <img src="/cache/referats/4085/image135.gif" v:shapes="_x0000_i1092"> возможны различныедоменные режимы. Критерий типа <img src="/cache/referats/4085/image133.gif" v:shapes="_x0000_i1093"> справедлив, строгоговоря, только для структур, у которых длина активного слоя между катодом ианодом много меньше поперечных размеров: <img src="/cache/referats/4085/image137.gif" v:shapes="_x0000_i1094"> (рис.6, а), чтосоответствует одномерной задаче и характерно для планарных и мезаструктур. Утонкопленочных структур (рис.6, б) эпитаксиальный активный слой GaAs1длиной <img src="/cache/referats/4085/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1095"> может быть расположен междувысокоомной подложкой 3 и изолирующей диэлектрическойпленкой 2, выполненной, например, изSiO2. Омические анодный и катодныйконтакты изготовляют методами фотолитографии. Поперечный размер диода<img src="/cache/referats/4085/image077.gif" v:shapes="_x0000_i1096"> может бытьсравним с его длиной<img src="/cache/referats/4085/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1097">. В этом случае образующиеся при формированиидомена объемные заряды создают внутренние электрические поля, имеющие не толькопродольную компоненту<img src="/cache/referats/4085/image142.gif" v:shapes="_x0000_i1098">, но и поперечную компоненту <img src="/cache/referats/4085/image144.gif" v:shapes="_x0000_i1099"> (рис.6, в). Это приводит куменьшению поля по сравнению с одномерной задачей. При малой толщине активнойпленки, когда<img src="/cache/referats/4085/image146.gif" v:shapes="_x0000_i1100">, критерий отсутствия доменной неустойчивости <img src="/cache/referats/4085/image133.gif" v:shapes="_x0000_i1101"> заменяетсяна условие<img src="/cache/referats/4085/image148.gif" v:shapes="_x0000_i1102"><img src="/cache/referats/4085/image150.gif" v:shapes="_x0000_i1103"> при устойчивом распределенииэлектрического поля может быть больше<img src="/cache/referats/4085/image152.gif" v:shapes="_x0000_i1104">.

          Времяформирования домена не должно превышать полупериода СВЧ-колебаний. Поэтомуимеется и второе условие существования движущегося домена<img src="/cache/referats/4085/image154.gif" v:shapes="_x0000_i1105">, из которого с учетом (1) получаем<img src="/cache/referats/4085/image156.gif" v:shapes="_x0000_i1106">.

          Взависимости от соотношения времени пролета и периода СВЧ-колебаний, а также отзначений постоянного напряжения <img src="/cache/referats/4085/image080.gif" v:shapes="_x0000_i1107"> и амплитуды высокочастотногонапряжения <img src="/cache/referats/4085/image159.gif" v:shapes="_x0000_i1108"> могут быть реализованыследующие доменные режимы: пролетный, режим с задержкой домена, режим с подавлением(гашением) домена. Процессы, происходящие в этих режимах, рассмотрим для случаяработы диода Ганна на нагрузку в виде параллельного колебательного контура сактивным сопротивлением <img src="/cache/referats/4085/image161.gif" v:shapes="_x0000_i1109"> на резонансной частоте ипитанием диода от генератора напряжения с малым внутренним сопротивлением (см.рис.4, а). При этом напряжение на диоде изменяется по синусоидальному закону.Генерация возможна при <img src="/cache/referats/4085/image163.gif" v:shapes="_x0000_i1110">

          При маломсопротивлении нагрузки, когда <img src="/cache/referats/4085/image165.gif" v:shapes="_x0000_i1111"><img src="/cache/referats/4085/image167.gif" v:shapes="_x0000_i1112"><img src="/cache/referats/4085/image159.gif" v:shapes="_x0000_i1113"> невелика и мгновенноенапряжение на диоде превышает пороговое значение (см. рис.4, б кривая 1). Здесьимеет место рассмотренный ранее пролетный режим, когда после формированиядомена ток через диод остается постоянным и равным <img src="/cache/referats/4085/image169.gif" v:shapes="_x0000_i1114"> (см. рис. 9.39, в).При исчезновении домена ток возрастает до <img src="/cache/referats/4085/image171.gif" v:shapes="_x0000_i1115">GaAs <img src="/cache/referats/4085/image173.gif" v:shapes="_x0000_i1116">. Частота колебаний в пролетном режиме равна <img src="/cache/referats/4085/image175.gif" v:shapes="_x0000_i1117"><img src="/cache/referats/4085/image177.gif" v:shapes="_x0000_i1118"> мало, к.п.д. генераторов надиоде Ганна, работающих в пролетном режиме, невелик и этот режим обычно неимеет практического применения.

          Приработе диода на контур с высоким сопротивлением, когда<img src="/cache/referats/4085/image179.gif" v:shapes="_x0000_i1119">, амплитуда переменного напряжения <img src="/cache/referats/4085/image159.gif" v:shapes="_x0000_i1120"> может быть достаточнобольшой, так что в течение некоторой части периода мгновенное напряжение надиоде становится меньше порогового (соответствует кривой 2 на рис.4, б). В этомслучае говорят о режиме с задержкойформирования домена. Домен образуется, когда напряжение на диоде превышаетпороговое, т. е. в момент времени <img src="/cache/referats/4085/image182.gif" v:shapes="_x0000_i1121"><img src="/cache/referats/4085/image184.gif" v:shapes="_x0000_i1122"> и остается таким втечение времени пролета <img src="/cache/referats/4085/image186.gif" v:shapes="_x0000_i1123"> домена. Приисчезновении домена на аноде в момент времени <img src="/cache/referats/4085/image188.gif" v:shapes="_x0000_i1124"> напряжение на диодеменьше порогового и диод представляет собой активное сопротивление <img src="/cache/referats/4085/image190.gif" v:shapes="_x0000_i1125"><img src="/cache/referats/4085/image192.gif" v:shapes="_x0000_i1126"><img src="/cache/referats/4085/image171.gif" v:shapes="_x0000_i1127"><img src="/cache/referats/4085/image195.gif" v:shapes="_x0000_i1128"><img src="/cache/referats/4085/image186.gif" v:shapes="_x0000_i1129"> и <img src="/cache/referats/4085/image198.gif" v:shapes="_x0000_i1130"><img src="/cache/referats/4085/image200.gif" v:shapes="_x0000_i1131"> и частота генерируемыхколебаний составляет <img src="/cache/referats/4085/image202.gif" v:shapes="_x0000_i1132">

          При ещебольшей амплитуде высокочастотного напряжения, соответствующей кривой 3на рис.4, б, минимальное напряжение на диоде может оказаться меньше напряжениягашения диода <img src="/cache/referats/4085/image091.gif" v:shapes="_x0000_i1133">режим с гашением домена (см. рис.4, д).Домен образуется в момент времени <img src="/cache/referats/4085/image182.gif" v:shapes="_x0000_i1134"> и рассасывается вмомент времени <img src="/cache/referats/4085/image188.gif" v:shapes="_x0000_i1135"><img src="/cache/referats/4085/image207.gif" v:shapes="_x0000_i1136"><img src="/cache/referats/4085/image209.gif" v:shapes="_x0000_i1137"><img src="/cache/referats/4085/image211.gif" v:shapes="_x0000_i1138"><img src="/cache/referats/4085/image213.gif" v:shapes="_x0000_i1139"> и может составлять <img src="/cache/referats/4085/image215.gif" v:shapes="_x0000_i1140">

          Электронныйк.п.д. генераторов на диодах Ганна, работающих в доменных режимах, можноопределить, раскладывая в ряд Фурье функцию тока <img src="/cache/referats/4085/image217.gif" v:shapes="_x0000_i1141"> (см. рис.4) длянахождения амплитуды первой гармоники и постоянной составляющей тока. Значениек.п.д. зависит от отношений <img src="/cache/referats/4085/image219.gif" v:shapes="_x0000_i1142"><img src="/cache/referats/4085/image221.gif" v:shapes="_x0000_i1143"><img src="/cache/referats/4085/image223.gif" v:shapes="_x0000_i1144"><img src="/cache/referats/4085/image225.gif" v:shapes="_x0000_i1145"> и при оптимальномзначении <img src="/cache/referats/4085/image227.gif" v:shapes="_x0000_i1146"> не превышает длядиодов из GaAs6% врежиме с задержкой домена. Электронный к.п.д. в режиме с гашением доменаменьше, чем в режиме с задержкой домена.

Режим ОНОЗ.

          Несколькопозднее доменных режимов был предложен и осуществлен для диодов Ганна режим ограничения накопления объемногозаряда. Он существует при постоянных напряжениях на диоде, в несколько разпревышающих пороговое значение, и больших амплитудах напряжения на частотах, внесколько раз больших пролетной частоты. Для реализации режима ОНОЗ требуютсядиоды с очень однородным профилем легирования. Однородное распределениеэлектрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечиваетсяза счет большой скорости изменения напряжения на диоде. Если промежутоквремени, в течение которого напряженность электрического поля проходит областьОДП характеристики<img src="/cache/referats/4085/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1147">, много меньше времени формирования домена<img src="/cache/referats/4085/image105.gif" v:shapes="_x0000_i1148">, то не происходит заметного перераспределенияполя и объемного заряда по длине диода. Скорость электронов во всем образце«следует» за изменением электрического поля, а ток через диод определяетсязависимостью скорости от поля (рис.7).

          Такимобразом, в режиме ОНОЗ для преобразования энергии источника питания в энергиюСВЧ-колебаний используется отрицательная проводимость диода. В этом режиме втечение части периода колебаний длительностью <img src="/cache/referats/4085/image230.gif" v:shapes="_x0000_i1149"> напряжение на диодеостается меньше порогового и образец находится в состоянии, характеризуемомположительной подвижностью электронов, т. е. происходит рассасывание объемногозаряда, который успел образоваться за время, когда электрическое поле в диодебыло выше порогового.

          Условиеслабого нарастания заряда за время <img src="/cache/referats/4085/image232.gif" v:shapes="_x0000_i1150"> приближенно запишем в виде<img src="/cache/referats/4085/image234.gif" v:shapes="_x0000_i1151">, где<img src="/cache/referats/4085/image236.gif" v:shapes="_x0000_i1152">; <img src="/cache/referats/4085/image238.gif" v:shapes="_x0000_i1153">–среднеезначение отрицательной дифференциальной подвижности электронов в области<img src="/cache/referats/4085/image240.gif" v:shapes="_x0000_i1154">. Рассасывание объемного заряда за время <img src="/cache/referats/4085/image230.gif" v:shapes="_x0000_i1155"><img src="/cache/referats/4085/image243.gif" v:shapes="_x0000_i1156"> и<img src="/cache/referats/4085/image245.gif" v:shapes="_x0000_i1157">, где<img src="/cache/referats/4085/image247.gif" v:shapes="_x0000_i1158">; <img src="/cache/referats/4085/image249.gif" v:shapes="_x0000_i1159"> и <img src="/cache/referats/4085/image251.gif" v:shapes="_x0000_i1160">

Считая <img src="/cache/referats/4085/image253.gif" v:shapes="_x0000_i1161"><img src="/cache/referats/4085/image255.gif" v:shapes="_x0000_i1162"><img src="/cache/referats/4085/image257.gif" v:shapes="_x0000_i1163"><img src="/cache/referats/4085/image259.gif" v:shapes="_x0000_i1164"> ОНОЗ.

          Электронныйк. п. д. генератора на диоде Ганна в режиме ОНОЗ можно рассчитать по форме тока(рис.7). При <img src="/cache/referats/4085/image261.gif" v:shapes="_x0000_i1165"> максимальный к. п. д.составляет 17%.

<img src="/cache/referats/4085/image263.gif" v:shapes="_x0000_s1044">

Рис.7.Временная зависимость тока на диоде Ганна в режиме ОНОЗ.

          Вдоменных режимах частота генерируемых колебаний примерно равна пролетнойчастоте. Поэтому длина диодов Ганна, работающих в доменных режимах, связана срабочим диапазоном частот выражением

                                                          <img src="/cache/referats/4085/image265.gif" v:shapes="_x0000_i1166">                                       (8)

где <img src="/cache/referats/4085/image267.gif" v:shapes="_x0000_i1167"> выражена в ГГц, а <img src="/cache/referats/4085/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1168">

Рассмотренные процессы в диодеГанна в доменных режимах являются, по существу, идеализированными, так какреализуются на сравнительно низких частотах (1–3 ГГц), где период колебанийзначительно меньше времени формирования домена, а длина диода много большедлины домена при обычных уровнях легирования <img src="/cache/referats/4085/image269.gif" v:shapes="_x0000_i1169">Гибридные режимы работы диодов Ганна являются промежуточными междурежимами ОНОЗ и доменным. Для гибридных режимов характерно, что образованиедомена занимает большую часть периода колебаний. Не полностью сформировавшийсядомен рассасывается, когда мгновенное напряжение на диоде снижается до значений,меньших порогового. Напряженность электрического поля вне области нарастающегообъемного заряда остается в основном больше порогового. Процессы, происходящиев диоде в гибридном режиме, анализируют с применением ЭВМ при использованииуравнений (1), (3) и (4). Гибридные режимы занимают широкую область значений <img src="/cache/referats/4085/image259.gif" v:shapes="_x0000_i1170"> и не стольчувствительны к параметрам схемы, как режим ОНОЗ.

Режим ОНОЗ и гибридные режимы работы диода Ганна относят к режимам с«жестким» самовозбуждением, для которых характерна зависимость отрицательнойэлектронной проводимости от амплитуды высокочастотного напряжения. Вводгенератора в гибридный режим (как и в режимОНОЗ) представляет сложную задачу и обычно осуществляется последовательнымпереходом диода из пролетного режима в гибридные.

<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA;layout-grid-mode:line">

<img src="/cache/referats/4085/image271.gif" v:shapes="_x0000_s1035">

Рис.8. Электронный к. п. д.генераторов на диоде Ганна из GaAsдляразличных режимов работы:

1–с задержкой формирования домена

2–с гашением домена

Рис.9. Временная зависимость напряжения (а) и тока (б)диода Ганна в режиме повышенного к. п. д.

<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA;layout-grid-mode:line">

3–гибридный

4–ОНОЗ

Конструкции и параметрыгенераторов на диодах Ганна.

          На рис.8приведены значения максимального электронного к.п.д. диода Ганна из GaAsв различных режимах работы.Видно, что значения <img src="/cache/referats/4085/image273.gif" v:shapes="_x0000_i1171"> не превышают 20%. Повыситьк.п.д. генераторов на диодах Ганна можно за счет использования более сложныхколебательных систем, позволяющих обеспечить временные зависимости тока инапряжения на диоде, показанные на рис.9. Разложение функций <img src="/cache/referats/4085/image275.gif" v:shapes="_x0000_i1172"> и <img src="/cache/referats/4085/image217.gif" v:shapes="_x0000_i1173"> в ряд Фурье при <img src="/cache/referats/4085/image278.gif" v:shapes="_x0000_i1174"> и <img src="/cache/referats/4085/image280.gif" v:shapes="_x0000_i1175"> дает значения электронного к.п. д. для диодов Ганна из GaAs<img src="/cache/referats/4085/image282.gif" v:shapes="_x0000_i1176"><img src="/cache/referats/4085/image275.gif" v:shapes="_x0000_i1177"> получается при использованиивторой гармоники напряжения. Другой путь повышения к.п.д. состоит в применениив диодах Ганна материалов с большим отношением<img src="/cache/referats/4085/image285.gif" v:shapes="_x0000_i1178">. Так, для фосфида индия оно достигает 3,5, чтоувеличивает теоретический электронный к. п. д. диодов до 40 %.

          Следует иметь в виду, что электронный к.п.д.генераторов на диодах Ганна уменьшается на высоких частотах, когда периодколебаний становится соизмеримым с временем установления ОДП (это проявляетсяуже на частотах ~30 ГГц). Инерционность процессов, определяющих зависимостьсредней дрейфовой скорости электронов от поля, приводит к уменьшениюпротивофазной составляющей тока диода. Предельные частоты диодов Ганна,связанные с этим явлением, оцениваются значениями ~100 ГГц для приборов из GaAsи 150–300 ГГц для приборов из InP.

          Выходная мощность диодов Ганна ограниченаэлектрическими и тепловыми процессами. Влияние последних приводит к зависимостимаксимальной мощности от частоты в виде <img src="/cache/referats/4085/image287.gif" v:shapes="_x0000_i1179">  постоянная <img src="/cache/referats/4085/image289.gif" v:shapes="_x0000_i1180"> определяетсядопустимым перегревом структуры, тепловыми характеристиками материала,электронным к.п.д. и емкостью диода. Ограничения по электрическому режиму связаныс тем, что при большой выходной мощности амплитуда колебаний <img src="/cache/referats/4085/image159.gif" v:shapes="_x0000_i1181"> оказываетсясоизмеримой с постоянным напряжением <img src="/cache/referats/4085/image080.gif" v:shapes="_x0000_i1182"> на диоде: <img src="/cache/referats/4085/image293.gif" v:shapes="_x0000_i1183">

          В доменных режимах <img src="/cache/referats/4085/image295.gif" v:shapes="_x0000_i1184"> поэтому в соответствиис <img src="/cache/referats/4085/image297.gif" v:shapes="_x0000_i1185"> имеем:

<img src="/cache/referats/4085/image299.gif" v:shapes="_x0000_i1186">

где <img src="/cache/referats/4085/image301.gif" v:shapes="_x0000_i1187">

Максимальная напряженность электрического поля в домене <img src="/cache/referats/4085/image066.gif" v:shapes="_x0000_i1188"> значительно превышаетсреднее значение поля в диоде <img src="/cache/referats/4085/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1189">GaAs <img src="/cache/referats/4085/image305.gif" v:shapes="_x0000_i1190">). Обычно допустимым значением электрического поля <img src="/cache/referats/4085/image307.gif" v:shapes="_x0000_i1191"> считают<img src="/cache/referats/4085/image309.gif" v:shapes="_x0000_i1192">.

          Как и для ЛПД, на относительно низких частотах (всантиметровом диапазоне длин волн) максимальное значение выходной мощностидиодов Ганна определяется тепловыми эффектами. В миллиметровом диапазонетолщина активной области диодов, работающих в доменных режимах, становитсямалой и преобладают ограничения электрического характера. В непрерывном режимев трехсантиметровом диапазоне от одного диода можно получить мощность 1–2 Вт при к. п. д. до 14%; на частотах 60–100 ГГц –до100 вВт при к. п. д. в единицы процентов. Генераторына диодах Ганна характеризуются значительно меньшими частотными шумами, чемгенераторы на ЛПД.

          Режим ОНОЗ отличается значительно болееравномерным распределением электрического поля. Кроме того, длина диода,работающего в этом режиме, может быть значительной. Поэтому амплитудаСВЧ-напряжения на диоде в режиме ОНОЗ может на 1–2 порядка превышать напряжениев доменных режимах. Таким образом, выходная мощность диодов Ганна в режиме ОНОЗможет быть повышена на несколько порядков по сравнению с доменными режимами.Для режима ОНОЗ на первый план выступают тепловые ограничения. Диоды Ганна врежиме ОНОЗ работают чаще всего в импульсном режиме с большой скважностью и генерируютв сантиметровом диапазоне длин волн мощность до единиц киловатт.

          Частотагенераторов на диодах Ганна определяется в основном резонансной частотойколебательной системы с учетом емкостной проводимости диода и может перестраиватьсяв широких пределах механическими и электрическими методами.

<img src="/cache/referats/4085/image311.gif" v:shapes="_x0000_s1037">
          Вволноводном генераторе (рис.10, а) диод Ганна 1 установлен между широкими стенками прямоугольного волновода вконце металлического стержня. Напряжение смещения подается через дроссельныйввод 2, который выполнен в видеотрезков четвертьволновых коаксиальных линий и служит для предотвращенияпроникновения СВЧ-колебаний в цепь источника питания. Низкодобротный резонаторобразован элементами крепления диода в волноводе. Частота генератораперестраивается с помощью варакторного диода 3, расположенного на полуволновом расстоянии <img src="/cache/referats/4085/image313.gif" v:shapes="_x0000_i1193"> и установленного вволноводе аналогично диоду Ганна. Часто диоды включают в волновод с уменьшеннойвысотой <img src="/cache/referats/4085/image315.gif" v:shapes="_x0000_i1194">

Рис.10.Устройство генераторов на диодах Ганна:

а–волноводного;б–микрополоскового; в–с перестройкой частоты ЖИГ-сферой

          В микрополосковойконструкции (рис.10, б) диод 1включен между основанием и полосковым проводником. Для стабилизации частоты используетсявысокодобротный диэлектрический резонатор 4в виде диска из диэлектрика с малыми потерями и высоким значением <img src="/cache/referats/4085/image317.gif" v:shapes="_x0000_i1195"> (например, из титанатабария), расположенного вблизи полоскового проводника МПЛ шириной <img src="/cache/referats/4085/image319.gif" v:shapes="_x0000_i1196">5служит для разделения цепей питания и СВЧ-тракта. Напряжение питания подаетсячерез дроссельную цепь 2, состоящуюиз двух четвертьволновых отрезков МПЛ с различными волновыми сопротивлениями,причем линия с малым сопротивлением разомкнута. Использование диэлектрическихрезонаторов с положительным температурным коэффициентом частоты позволяетсоздавать генераторы с малыми уходами частоты при изменении температуры (~40кГц/°С).

          Перестраиваемые по частоте генераторы надиодах Ганна могут быть сконструированы с применением монокристалловжелезоиттриевого граната (рис.10, в). Частота генератора в этом случаеизменяется за счет перестройки резонансной частоты высокодобротного резонатора,имеющего вид ЖИГ–сферы малого диаметра, при изменении магнитного поля <img src="/cache/referats/4085/image321.gif" v:shapes="_x0000_i1197">6. Связь контура диода с контуром нагрузки осуществляется за счетвзаимной индуктивности, обеспечиваемой ЖИГ–сферой и ортогонально расположеннымивитками связи. Диапазон электрической перестройки таких генераторов, широкоиспользуемых в автоматических измерительных устройствах, достигает октавы привыходной мощности 10–20 мВт.

          Следуетотметить, что расчет генераторов на диодах Ганна затруднен приблизительнымхарактером данных как о параметрах эквивалентной схемы диода, так и опараметрах эквивалентной схемы колебательной системы, а также узла креплениядиода (особенно на высоких частотах). Обобщенную эквивалентную схему диодаГанна обычно задают в виде, показанном на рис.11. Активную область диода представляютв виде параллельного соединения отрицательной проводимости (<img src="/cache/referats/4085/image323.gif" v:shapes="_x0000_i1198"><img src="/cache/referats/4085/image325.gif" v:shapes="_x0000_i1199"><img src="/cache/referats/4085/image327.gif" v:shapes="_x0000_i1200"><img src="/cache/referats/4085/image329.gif" v:shapes="_x0000_i1201"><img src="/cache/referats/4085/image325.gif" v:shapes="_x0000_i1202"> зависят как отпостоянного напряжения <img src="/cache/referats/4085/image080.gif" v:shapes="_x0000_i1203"><img src="/cache/referats/4085/image159.gif" v:shapes="_x0000_i1204">

<img src="/cache/referats/4085/image333.gif" v:shapes="_x0000_s1038">
Рис.11.Обобщенная эквивалентная схема диода Ганна.

Усилители на диодах Ганна.

          Большойинтерес представляют разработки усилителей на диодах Ганна, особенно длямиллиметрового

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике