WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

«Министерство образования Республики Беларусь УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ» Ю.М.РЫЧКОВ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ Допущено Министерством ...»

-- [ Страница 2 ] --

х Iдр(t) Iнав x = w t Iнав<1> Iл(t) E(t) х = хл t 0 t др Рис. 7. Во всем пространстве от х = 0 до х = хл существует пере менное поле Е(t). На рис. 7.4 оно изображено при х = хл в начале слоя дрейфа. Как будет показано ниже, при достаточно большой амплитуде напряженности поля лавинный пробой приводит здесь к образованию короткого сгустка носителей заряда, который на чет верть периода запаздывает от максимума поля. Этому сгустку соответствует короткий импульс лавинного тока Iл(t) на границе х = = хл между слоями умножения и дрейфа. Далее этот сгусток дви жется в слое дрейфа, пока не достигнет его границы х = w при угле пролета др. Если др <, то носители заряда в сгустке все время летят в тормозящем полупериоде поля и отдают ему свою кинети ческую энергию, обеспечивая усиление поля.

На рис. 7.4 изображена также кривая наведенного тока Iнав(t), созданного движением сгустка от х = хл до х = w. Первую гармо нику этого тока можно определить разложением в ряд Фурье. В идеальном случае (угол пролета равен ) она находится в противо фазе с полем. По амплитуде первой гармоники наведенного тока можно найти мощность, передаваемую сгустком носителей заряда электрическому полю.

Ток проводимости в слое умножения Запишем уравнения непрерывности для слоя умножения:

S p/t = -(1/e) Ip/x + SV(n + p), S n/t = (1/e) In/x + SV(n + p), (7.10) где V – скорость электронов и дырок, n и р – их концентра ции, S – площадь поперечного сечения, In и Ip – электронный и ды рочный токи.

Левая часть уравнений есть изменение за 1 секунду числа носителей в слое сечения S и длиной 1 см. Первое слагаемое пра вой части учитывает изменение числа носителей вследствие про хождения тока, второе – ударную ионизацию.

В слое умножения ток вызван дрейфовым движением но сителей заряда в пренебрежении процессом диффузии. Это можно записать как I = In + Ip = SeV(n + p), (7.11) p/t = (1/SeV) Ip/t, n/t = (1/SeV) In/t. (7.12) Подставляя (7.11) и (7.12) в (7.10), получим:

(1/V)Ip/t = - Ip/x +I, (1/V)In/t = In/x + I. (7.13) В (7.13) складываем оба уравнения:

(1/V)I/t = 2I + In/t - Ip/t (7.14) и принимаем допущение, что I = const, т.е. I/t = dI/dt.

Поскольку скорость носителей равна скорости насыщения, то время пролета слоя умножения можно определить как л = хл/Vн. (7.15) Интегрирование (7.14) в пределах 0 - хл дает:

хл л dI/dt = 2I odx + [Ip(0) - In(0)] - [Ip(xл) - In(хл)]. (7.16) Поскольку Ip(x) + In(x) = I = const, то Ip(xл) - In(xл) = I - 2In(xл), Ip(0) - In(0) = 2Ip(0) - I. (7.17) Таким образом, из (7.16) и (7.17) следует:

хл (л/2)dI/dt = I[ odx - 1] + Iт, (7.18) где Iт = Ip(0) + In(0) – тепловой ток носителей при входе в слой умножения.

Обычно вводят среднее значение ср:

хл ср = (1/xл) odx. (7.19) Тогда (7.19) можно переписать:

(л/2)dI/dt = I(срхл - 1) + Iт. (7.20) Поскольку при достаточно большом лавинном умножении тепло вым током можно пренебречь, то окончательно:

dI/dt = 2I(срхл - 1)/л. (7.21) Рассмотрим режим малых амплитуд переменной составляю щей напряженности электрического поля. Постоянную составляю щую при этом примем равной Екр, достаточному для лавинного пробоя.

Е = Екр + Елeit, Ел << Екр, ср = 0 + лeit, л << 0, I = I0 + Iлeit, Iл << I0. (7.22) В первом приближении л = (d/dE)Eл = /Eл, срхл = 0xл + /Eлхлeit. (7.23) По условию лавинного пробоя 0xл = 1, поэтому:

срxл = 1 + /Елхлeit. (7.24) Подставляя (7.24) и (7.22) в (7.21) и пренебрегая членами вто рого порядка малости, получим:

Iл = 2I0хлЕл/iл. (7.25) Если ширина слоя умножения сравнительно мала, то напря женность переменного электрического поля практически одинако ва по всему слою, и для падения потенциала в слое можно запи сать:

Uл = Елхл, (7.26) т.е. Iл = Uл/iLл, Lл = л/2I0/. (7.27) Величина Lл названа индуктивностью лавины, так как ток лавины отстает от напряжения на 90о. Специальное решение (7.21) показывает, что и при увеличении амплитуды переменного напря жения и импульсном характере сигнала положение максимума тока остается прежним, т.е. слой лавинного умножения можно рассмат ривать как источник импульсов тока, запаздывающих на четверть периода по отношению к максимальному значению напряжения в слое.

Ток смещения в слое умножения Iсм = S(E/t) = iСлUл, Сл = S/xл. (7.28) Полный ток слоя:

Iполн = Iл + Iсм = Uл(1/iLл + iCл). (7.29) Полное сопротивление слоя:

Zл = Uл/Iл = 1/iCл(1 - л2/2), (7.30) где величина л = (LлСл)-1/2 называется лавинной частотой.

С учетом (7.15), (7.27) и (7.28) получим:

fл = л/2 = (1/2)(2J0/Vн /)1/2, J0 = I0/S. (7.31) Лавинная частота пропорциональна корню из плотности тока J0 и производной / коэффициента ионизации от напря женности поля.

Ток проводимости в слое дрейфа В слое дрейфа постоянная составляющая напряженности электрического поля меньше критического значения Екр, но еще достаточна для того, чтобы скорость носителей была равна скоро сти насыщения. При постоянной скорости носителей ток проводи мости в любом сечении х в момент t равен току в начале слоя дрейфа в момент t - x, где x – время пролета до сечения х:

Iдр(х, t) = I0(0, t - x). (7.32) Переменная составляющая тока проводимости Iдр(х, t) = Iлexp(-ix)exp(it). (7.33) Наведенный ток, создаваемый в слое дрейфа:

w-xл Iнав(t) = (w - xл)-1oконв(x, t)dx. (7.34) С учетом (8.33) получим:

Iнав(t) = [Iл/iдр][1 - exp(-iдр)]exp(it), (7.35) где др = (w-xл)/Vн.

Комплексная амплитуда наведенного тока:

Iнав = [Iл/iдр][1 - exp(-iдр)]. (7.36) Емкостной ток слоя дрейфа:

Iемк = iСдрUдр. (7.37) Полный ток слоя дрейфа:

Iполн = [Iл/iдр][1 - exp(-iдр)] + iСдрUдр. (7.38) Из (7.29), (7.30) можно найти связь Iполн с Iл :

= Iл/Iполн = [1 - 2/л2]-1, (7.39) а из (7.40) – полное сопротивление слоя дрейфа:

Zдр = Uдр/Iполн = (1/iСдр){1 - (/iдр)[1-exp(-iдр)]}. (7.40) После преобразования (7.40) сводится к виду:

Zдр = Rдр + i Xдр, (7.41) где Rдр = (/Сдр)(1 - cosдр)/др, (7.42) Хдр = (1/Сдр)( - sinдр/др). (7.43) При > л < 0 и активное сопротивление слоя дрейфа отрицательно. Наибольшее значение модуля Rдр достигается при др =. Из этого условия, с учетом хл << w, можно определить пролетную частоту, соответствующую оптималь ному режиму работы ЛПД :

fпр = пр/2 = 1/2пр = Vн/w. (7.44) (При w ~ 5 мкм и Vн ~ 107 см/c это соответствует ~ ГГц.) Наличие отрицательного сопротивления позволяет использо вать ЛПД в режимах усиления (УЛПД) и генерации (ГЛПД) СВЧ колебаний.

7.3. Параметры и характеристики генераторов и усилителей на ЛПД в пролетном режиме На ЛПД можно создавать как генераторы, так и усилители СВЧ. В обоих случаях ЛПД включен в колебательную систему, и усиление или генерация СВЧ колебаний объясняется отрицатель ным сопротивлением ЛПД. Модуль этого сопротивления зависит от тока ЛПД, и поэтому в генераторах на ЛПД при заданном со противлении потерь существует минимальный пусковой ток, с ко торого начинается генерация. При токах, меньших пускового, обес печивается только усиление.

Простейшая схема ГЛПД показана на рис. 7.5 ;

УЛПД – на рис. 7.6.

ЛПД ЛПД Рис. 7.5 Рис. 7. Схема ГЛПД содержит коаксиальный резонатор 1, перестраива емый с помощью поршня 2, и ЛПД, помещенный между централь ным проводником резонатора и его торцом. Схема УЛПД пред ставляет собой регенеративный усилитель отражательного типа.

Источник сигнала и нагрузка включены в два плеча волноводного циркулятора. К третьему плечу присоединена колебательная сис тема с ЛПД. Усиление сигнала происходит в результате его взаи модействия с колебательной системой, имеющей отрицательную добротность.

Выходная мощность и электронный КПД ГЛПД Примем упрощение, что напряжение на ЛПД синусоидаль ное, импульсы лавинного тока короткие, а угол пролёта в слое дрейфа равен оптимальному. Если I0 – среднее значение наведенного тока, то амплитуда его первой гармоники в ряде Фурье равна I1 = 4I0/. (7.45) Мощность СВЧ колебаний в слое дрейфа P = 0,5I1Uдр1 ~ 0,25I1U0 = I0U0/. (7.46) Тогда для электронного КПД получим оценку э = P/P0 ~ 1/, (7.47) что весьма близко к лучшим экспериментальным результатам, по лученным для ЛПД из арсенида галлия. Обычно в непрерывном режиме электронный КПД ГЛПД составляет примерно 20 %, при мощности генерируемых колебаний (в сантиметровом диапазоне) – 3–5 Вт. В импульсном режиме получены мощности до 50 Вт при КПД 10 %.

ЛПД нашли применение в усилителях промежуточных кас кадов. Во входных каскадах их стараются не применять вслед ствие высокого уровня шума (20–30 Дб). Высокий уровень шума позволяет использовать ЛПД в генераторах шума. Эти генерато ры просты, имеют большую плотность шума и выгодно отличают ся от электровакуумных генераторов шума.

В заключение следует отметить существование аномально го режима работы ЛПД–режима с захваченной плазмой (TRAPPAT).

В режиме TRAPPAT в электронно-дырочном переходе со здаются условия, когда фронт лавинного умножения движется со скоростью, в несколько раз превышающей скорость насыщения. В результате этого в переходе очень быстро образуется электронно дырочная плазма, снижающая напряжение на переходе. Скорость носителей уменьшается, а время пролета увеличивается (захва ченная плазма). Последнее приводит к снижению частоты генера ции в несколько раз по сравнению с пролетным режимом работы ЛПД (IMPAT), однако, достоинством режима TRAPPAT является снижение потребляемой мощности вследствие уменьшения напряже ния на диоде.

КПД в этих приборах достигает 50 %, а выходная мощность в непрерывном режиме (сантиметровый диапазон) увеличивается до 10 Вт, в импульсном режиме – до 150 Вт.

Контрольные вопросы по теме 1. Объясните лавинное умножение носителей заряда в p-n пере ходе.

2. Объясните пролетный режим работы ЛПД.

3. Объясните параметры и характеристики ГЛПД и УЛПД.

ТЕМА ДИОДЫ ГАННА 8.1. Неустойчивость объемного заряда Диоды Ганна (приборы с объемной неустойчивостью) – полупроводниковые приборы, в которых для генерации и уси ления СВЧ колебаний используется отрицательная дифферен циальная подвижность носителей заряда и его объемная не устойчивость.

Рассмотрим особенности арсенида галлия, для которого был впервые обнаружен и обоснован этот эффект. На рис. 8.1 показана связь энергии электронов с волновым числом k в валентной зоне и зоне проводимости арсенида галлия (k отложено в единицах /a, где а – постоянная кристаллической решетки).

107см/c V 2,0 µ1Е 1 ЗП µд < 1, µ2Е ВЗ k E 0 1 (/a) 0 4 8 12 кВ/cм Рис. 8.1 Рис. 8. Зависимость от k в зоне проводимости имеет два миниму ма, или долины (строго говоря, минимумов семь, но эту сложную схему при рассмотрении заменяют эквивалентной двухдолинной моделью). Интервал энергии между минимумами в долинах 1 = = 0,36 эВ. Ширина запрещенной зоны 0 = 1,4 эВ. Поскольку вол новое число определяет импульс частицы (Р = hk ), то наличие двух долин эквивалентно появлению в зоне проводимости двух подзон, отличающихся друг от друга подвижностью и эффективной мас сой электронов. Эффективная масса электрона есть коэффициент пропорциональности между внешней силой и ускорением электро на и введена для того, чтобы учитывать совместное действие внеш него поля с периодическим полем пространственной решетки крис талла. Установлено, что эффективная масса в первой долине зна чительно меньше, чем во второй:

mэф1 = 0,07 m, mэф2 = 1,2 m, где m – масса свободного электрона. Подвижность у «тяжелых» электронов, соответственно, оказывается значительно меньше, чем у «легких»: µ2 = 100 см2/Вc, µ1 = 5000 cм2/Bc. Соотношение концен траций электронов в долинах:

n2/n1 = (mэф2/mэф1)3./2exp(-1/kT). (8.1) В нормальных условиях (комнатная температура, отсутствие сильного внешнего поля) n2/n1 < 10-4, поэтому все электроны находятся в первой долине. Однако это соотношение сильно из меняется, если в кристалле создано сильное электрическое поле, увеличивающее среднюю кинетическую энергию электронов, что эквивалентно увеличению температуры электронов по срав нению с температурой решетки. (Такие электроны называют горячими электронами.) При напряженности внешнего элект рического поля большей некоторого критического значения Еп~ 3 кВ/см основная часть электронов переходит из первой долины во вторую. Переход из первой долины во вторую сопровождает ся потерей скорости электронов, что эквивалентно появлению отрицательной дифференциальной подвижности этих носителей (рис. 8.2). Как будет показано ниже, наличием эффекта отрица тельной подвижности носителей заряда и объясняется работа диодов Ганна.

Доменная неустойчивость (эффект Ганна) В 1963 году Дж.Ганн экспериментально обнаружил, что в об разцах арсенида галлия с n-проводимостью при напряженностях внешнего электрического поля порядка 3 кВ/см и более появля ются колебания тока с периодом, примерно равным времени про лета электронов в образце. Это явление, названное эффектом Ганна, объясняется только что рассмотренным влиянием поля на подвижность носителей.

Специальные исследования показали, что междолинный пере ход электронов происходит не по всей длине образца GaAs, а лишь в его некоторой узкой области, где имеется неоднородность кон центрации примеси или флуктуация напряженности электрическо го поля.

Предположим, что на некотором участке с протяженностью (рис. 8.3а) концентрация донорной примеси несколько меньше, чем в остальной части образца (обычно такой участок создается ис кусственно вблизи электрода). Вследствие повышенного сопротив ления на этом участке создается большая, чем в остальной части образца, напряженность электрического поля (рис. 8.3б). Пусть внешнее поле подобрано так, что на участке его локальная на пряженность несколько выше, а вне – несколько ниже порогового значения Еп.

- U0 + GaAs L a) Е Еп б) 0 х n Ед no t1 t2 в) 0 х Е Ед t1 t Еп г) Евн 0 х Рис. 8. Вследствие выполнения условия Е > Eп на участке начнет ся междолинный переход электронов с уменьшением их дрейфо вой скорости. Электроны, совершившие переход во вторую долину, отстают от электронов, оставшихся в первой долине. В результате в левой части участка (рис. 8.3в) появляется избыток электронов (отрицательный объемный заряд), а в правой – их недостаток (по ложительный объемный заряд), поскольку совершившие переход электроны не успевают скомпенсировать пустые электронные ор биты донорных ионов.

Образуется двойной электрический слой объемного заряда, называемый электрическим доменом. В целом домен электри чески нейтрален и движется в образце в направлении движения электронов (вправо) со скоростью, равной скорости насыщения. На рис. 8.3в изображено положение домена в различные моменты вре мени t1 и t2. Образование домена приводит к увеличению локаль ной напряженности электрического поля на движущемся участке домена (рис. 8.3г) и, как следствие – к его уменьшению в осталь ной части образца до уровня, ниже порогового, что мешает обра зованию нового домена. Таким образом, в образце движется толь ко один домен, образовавшийся на участке. Следующий домен начнет формироваться и двигаться по образцу только после того, как первый домен поглотится на аноде и в образце восстановится первоначальное распределение электрического поля (рис. 8.3б).

Как уже отмечалось выше, в однородном образце домен воз никает вблизи катода, поэтому время его движения в образце:

Т0 = L / Vн. (8.2) Время Т0 называется временем пролета доменов в образ це. Оно определяет периодичность прихода доменов к аноду и, следовательно, период импульсов тока во внешней цепи. При ко ротких образцах GaAs можно получить колебания СВЧ диапазона (L = 5 мкм, Vн = 107см/c, Т0 = 5 10-11с, f = 20 ГГц).

Волны объемного заряда Отрицательная дифференциальная подвижность носителей за ряда может привести к появлению еще одного эффекта объемной неустойчивости: возникновению нарастающих волн объемного за ряда.

В образце, подчиняющемся закону Ома, любые флуктуации заряда с течением времени изменяются по закону:

Q(t) = Q0exp(-t/tм), (8.3) где Q0 – флуктуация заряда в момент времени t = 0, tм = /en0µд – характерное время, называемое временем максвелловской релак сации, µд = dV/dE – дифференциальная подвижность носителей заряда.

Действительно, из уравнения непрерывности divI + dQ/dt = для одномерного случая следует:

dQ/dt + d(en0V)/dx = dQ/dt + en0(dV/dE)(dE/dx) = = dQ/dt + (en0µд/)Q = 0 => dQ/Q = - dt/tм.

Если Е > Еп, то µд < 0 => tм < 0. Следовательно, возникшая флуктуация заряда с течением времени будет нарастать по экспо ненциальному закону, приводя к объемной неустойчивости.

Условие существования домена Домен успевает сформироваться, если время Т0 пролета элек тронов больше характерного времени tм :

Т0 = L /Vн > /en0 µд. (8.4) Обычно это условие записывают в виде:

n0L > /en0 µд = (n0L)1. (8.5) Таким образом, необходимым условием существования домена яв ляется достаточная концентрация электронов при выбранной дли не образца. Если n0L велико, то даже незначительное превышение Е над пороговым значением приводит к образованию домена. Если n0L мало, то домен не образуется при любом значении Е. Иссле дование этого вопроса выявило следующую зависимость Еп от n0L (рис. 8.4) :

Е п кВ/см 11 1 2 1 1 0 1 0 1 Рис. 8. При n0L > (n0L)1 = 5.1011(см)-2 Еп практически не зависит от n0L.

Условие (8.5) можно считать условием существования пролетно го режима, в котором частота следования доменов определяется временем пролета: f = 1/T0 = Vн /L = fпр. (8.6) Используя (8.5), соотношение (8.6) можно записать как:

no/f > 2.105c.см-3. (8.7) Последняя запись удобна для расчета генераторов.

В образцах с n0L < 5.1011(см)-2 нет доменов, но могут суще ствовать волны объемного заряда, которые используются для уси лительного режима. Исследование этого вопроса показало, что существование нарастающих волн объемного заряда еще возмож но, если:

n0L > 1010(см)-2. (8.8) Во всех остальных случаях дифференциальное сопротивление об разца положительно на всех частотах и усиление невозможно.

8.2. Генераторы на диодах Ганна Вольт-амперная характеристика диода Ганна Доменные режимы генераторов на диодах Ганна характери зуются наличием сформировавшихся доменов, двигающихся че рез полупроводниковый образец. При этом необходимо учитывать влияние колебательной системы (нагрузки) на физические процес сы в диоде, так как в режиме генерации на нем, кроме постоянно го, имеется еще переменное напряжение. Для сравнения различ ных доменных режимов воспользуемся понятием вольт-амперной характеристики (рис. 8.5).

I Imax A Е Imin B С Д 0 U0и U0п U0пр U Рис. 8. При напряжении на образце, меньшем порогового значения Uоп (участок ОА), вольт-амперная характеристика линейна, так как ток пропорционален скорости электронов, а напряженность поля – на пряжению на образце. После образования домена при U0 > Uоп ток скачкообразно переходит от значения Imax до Imin, что связано с уменьшением поля в остальной части образца. При дальнейшем росте U0, когда напряженность поля в GaAs становится больше 150 кВ/см, в области домена начнется лавинный пробой, приводя щий к росту тока (участок DE). При дальнейшем снижении напря жения от Uокр до Uоп изменение тока соответствует участку кри вой DCB. Однако при Uоп домен не исчезнет, а существует далее до напряжения Uои (напряжение исчезновения). Перед исчезнове нием домена скорость электронов и напряженность поля вне его примерно соответствуют точке минимума D. При этом в образце течет минимальный ток, мало изменяющийся при снижении напря жения от Uoп до Uои. Последнее можно объяснить тем, что при снижении напряжения на образце одновременно уменьшаются поле в домене и его протяженность, и следовательно, падение напряже ния на домене. Напряженность поля вне домена и ток остаются практически постоянными, пока напряжение на приборе не станет меньше напряжения исчезновения домена Uои. Таким образом, на блюдается гистерезис: напряжение возникновения домена больше напряжения исчезновения (Uоп > Uои). Если U0 < Uои, то произойдет увеличение тока, а при дальнейшем уменьшении напряжения ток определяется начальным участком ОА.

Вольт-амперная характеристика прибора при большом напря жении Uо ограничена лавинным пробоем. Опасность начала удар ной ионизации в домене при напряженностях поля более 150 кВ/см определяет максимально возможное значение n0L. Найдено, что при n0L > 1014см-2 (8.9) прибор работает неустойчиво из-за появления лавинного пробоя.

Это условие ограничивает длину образца при заданной концентра ции и концентрацию при заданной длине.

Доменные режимы работы генераторов на диодах Ганна Пролетный режим. Обычно так называют режим работы, в котором колебательная система имеет низкую добротность. В этом случае переменное напряжение на колебательной системе мало по сравнению с постоянным напряжением и не оказывает влияния на процессы в образце из GaAs. Если постоянное напря жение превышает пороговое, то в образце возникают импульсы тока, частота следования которых определяется временем пролета (эф фект Ганна).

Частота генерации определяется по (8.6) как f = 1/T0 = Vн /L = fпр, где Т0 — время пролета домена.

Условие существования пролетного режима по (8.5):

n0L > (n0L)1 = 5.1011(см)-2.

Теоретический анализ показывает, что КПД в пролетном режиме максимален, когда n0L составляет от одной до нескольких единиц на 1012 см-2. Домен при этом занимает примерно половину длины образца, а форма тока почти синусоидальная. Обычно КПД меньше 10 %. Из-за сильной зависимости мощности и КПД от частоты пролетный режим не нашел применения в СВЧ генераторах.

Режим с задержкой образования домена. В этом режиме каждый домен возникает через некоторое время после прихода к концу образца предыдущего домена. Для получения такого режима необходимо, чтобы время пролета домена Т0 было меньше перио да переменного напряжения Т, задающего периодичность появления доменов. Кроме того, домен не должен исчезнуть, прежде чем дойдет до конца образца. Он может преждевременно исчезнуть в том случае, когда результирующее напряжение на образце в некоторый момент времени станет меньше напряжения исчезновения домена Uои, т.е. при Uо+U1 sin t < Uои.

Поэтому при выбранном постоянном напряжении Uо амплитуда U ограничена.

На рис. 8.6 показаны вольт-амперная характеристика прибора и изменение напряжения на нем во времени в режиме генерации колебаний с амплитудой U1.

Когда напряжение достигает порогового значения Uоп, возникает домен и ток уменьшается в соответствии с участком АС вольт-амперной характеристики. Далее зависимость тока от напряжения изображается участком CDN, а после прохождения напряжения через амплитудное значение – обратным движением по ветви NDCB.

I A I A F F K B B M С D K С D N N 0 U0 U U0п U0и U0п U(t) U(t) U U C/ D/ A/ C/ D/ T T0 U1 N/ T T0/ U1 N/ C/ D/ C/ D/ M/ F/ K/ K/ F/ Tи F/ C/ Tи F/ D/ C/ D/ t t Рис. 8.6 Рис. 8. Так как время пролета Т0 меньше периода Т, то в момент при хода домена к концу образца напряжение меньше порогового (точ ки М, М’) и домен исчезает. Следующий домен возникает только через время Т-Т0, когда напряжение достигает снова порогового значения. В интервале Ти = Т - Т0 (пассивная часть периода) обра зец эквивалентен обычному сопротивлению, и изменения тока и напряжения здесь показаны на характеристике участками FK и KFA.

После этого возникает новый домен, и весь процесс повторяется.

Периодичность появления доменов определяется периодом колебаний, т.е. настройкой резонатора. При заданном времени пролета Т0 возможна механическая перестройка частоты в некотором диапазоне, зависящем от значений U0 и U0п, которые определяют отношение Т к То. Очевидно, что при U0 = U0п T/T0= 2.

Таким образом, при U0 = U0п частота генератора может изменяться настройкой резонатора от пролетной частоты fnp =l/T0 до вдвое меньшего значения: fnp > f > f /2. Диапазон перестройки np уменьшается при U0 > U0п.

Режим с задержкой образования домена энергетически более выгоден, чем пролетный режим, длительность импульсов тока в котором ограничивается суммой времени нарастания и рассасывания домена. В режиме с задержкой образования домена длительность импульса может превышать эту cyммy, что приводит к росту КПД. Максимальное значение КПД получается примерно при Ти = Т/2 = Т0, т.е. на рабочей частоте, вдвое меньшей пролетной.

В режиме с задержкой образования домена теоретическая оценка КПД дает 25 %, а экспериментальная – 20 %.

Режим с подавлением домена. В этом режиме домен исче зает (подавляется) раньше, чем он дойдет до анода. Для этого не обходимо, чтобы постоянное напряжение U0 и амплитуда U1 находи лись в таком соотношении, что в некоторый момент времени напря жение на образце станет меньше напряжения исчезновения. На рис.

8.7 этот момент смещен относительно момента возникновения до / мена на величину Т, которую можно назвать временем жизни домена, или временем его существования, в отличие от времени пролета Т0 в пролетном режиме, когда домен проходит через весь / образец. Следующий домен возникает лишь спустя время Т0-T, когда напряжение достигнет порогового значения.

Пользуясь вольт-амперной характеристикой, нетрудно опреде лить изменение тока во времени. В интервале времени tи = T0- T’ образец ведет себя как омическое сопротивление.

В режиме с подавлением домена время жизни домена мень ше периода колебаний генератора ( T/ < T ). Частоту колебаний удобно сравнивать с возможной пролетной частотой, которая оп ределяется временем пролета Т0 через образец. В нашем случае T/ < T (домен гибнет, не доходя до конца образца). Само же вре мя пролета может быть и больше периода колебаний, так как оно никак далее не влияет на процессы в образце. Таким образом, воз можны два случая : T/ < T0 < T и T/ < T < T0. Первому неравен 0 ству соответствует частота генерируемых колебаний меньше про летной частоты образца. При U0 = Uоп она составляет примерно 0,75fnp. Второе неравенство означает возможность получения час тоты больше пролетной. Ограничение по частоте сверху связано с тем, что период колебаний не может быть меньше суммы време ни формирования и исчезновения домена. Верхняя частота может в несколько раз превышать fпр, и диапазон перестройки частоты в режиме с подавлением домена оказывается достаточно широким.

При заданном напряжении питания постоянная составляющая тока, амплитуда первой гармоники тока, выходная мощность, элек тронный КПД и сопротивление нагрузки зависят от амплитуды на пряжения U1. При определенных значениях U1, соответствующих согласованной нагрузке генератора, КПД будет максимальным. До стоинством режима работы с подавлением домена является то, что в широком диапазоне рабочих частот мощность в нагрузке и КПД генератора при неизменном напряжении питания и нагрузке остаются постоянными.

Режим ограниченного накопления заряда и гибридный режим Режим ограниченного накопления заряда (ОНОЗ). Назва ние режима связано с тем, что появившийся у катода объемный за ряд оказывается ограниченным и не приводит к образованию домена.

Для получения такого режима период колебаний должен быть много меньше времени формирования домена. Предположим, что к образцу приложены постоянное напряжение, большее порогового значения (U0> > Uоп), и переменное напряжение с амплитудой U1 > (U0-Uоп), как по казано на рис. 8.8.

Когда результирующее I A напряжение превысит Uon, начинает образовываться до Е мен. Если в эту часть перио да домен не успевает сфор С D мироваться (условие режима ОНОЗ), то зависимость тока от поля повторяет зависи 0 U0п U мость дрейфовой скорости от поля. При этом ток сначала A/ C/ U(t) уменьшается, а затем растет до значения Imax при U0 = Uоп.

T t/ A/ C/ D/ В течение этой части перио / E/ да t образец ведет себя как A/ C/ отрицательное сопротивление.

t// D/ В оставшуюся часть периода U (t// = T- t/) U0

/ Требование, чтобы накопленный за время t заряд рассасывал // ся за t (или tp), ограничивает минимальное значение tp / T, а следова тельно, и минимальную амплитуду напряжения U1 при заданном по стоянном напряжении U0 (чем меньше U1, тем меньше tр). Макси мальное же значение tр определяется мощноcтью потерь. Мощ ность СВЧ, создаваемая в единице объема при амплитудах первой гармоники тока I1 и напряжения U = E1 L, где E1 – амплитуда на пряженности поля, равна P=0,5 U1 I1. Абсолютное значение отри цательного дифференциального образца R = U2 / 2P, поэтому l PR 0,58 E2 L2, т.е. в режиме ОНОЗ произведение мощности на сопротивление не зависит от частоты и определяется амплитудой переменной составляющей поля в домене и длиной образца. Величина E ограничена условием на время рассасывания.

Режим ОНОЗ особенно эффективен на высоких частотах, так как в нем, в отличие от других режимов, нет ограничения на время пролета, что позволяет увеличить длину образца и мощность.

Однако, как уже отмечалось, имеется ограничение для частоты, связанное с тем, что на частотах более 20 ГГц зависимость дрейфовой скорости от поля заметно отличается от статической зависимости. Расчеты показывают, что максимальная частота генерации не превышает 200 ГГц. Наибольшая достигнутая частота в режиме ОНОЗ составляет 160 ГГц. Отмеченное принципиальное ограничение приводит к падению КПД с ростом частоты. Максимальное значение КПД на частоте около 20 ГГц составляет 20–25 %. Значение КПД можно несколько увеличить (до 30 %), если обеспечить получение несинусоидальной формы напряжения на приборе. Режим ОНОЗ характеризуется большой амплитудой колебаний, однако, ввод в этот режим труден. Частота колебаний в режиме ОНОЗ определяется резонатором, при этом применяют как механическую, так и электрическую перестройки с помощью варикапа.

Гибридный режим. Этот режим является промежуточным между режимами ОНОЗ и подавлением домена. Отличие от режима ОНОЗ состоит в том, что время формирования домена составляет большую часть периода, а от режима подавления – в том, что домен рассасывается, не успев полностью сформироваться.

При понижении рабочей частоты наблюдается плавный переход из режима ОНОЗ в гибридный режим, а далее из гибридного режима – в режим с подавлением домена. Таким образом можно изменять частоту в очень широком диапазоне, перекрывающем диапазоны отдельных режимов работы.

Особенности применения диодов Ганна в генераторах Частотный диапазон, перекрываемый генераторами Ганна, очень широк и составляет 100 МГц –150 ГГц. На частотах от 1 до 150 ГГц диоды Ганна используют в основном для создания СВЧ генераторов. Диоды Ганна включают в линии передачи и резона торы, перестраиваемые по частоте. Коаксиально-волноводная сек ция с диодом Ганна, включаемая в волноводный тракт, показана на рис. 8.9.

Диод Рис. 8. Короткозамыкающие поршни необходимы для перестройки ге нератора по частоте и согласования диода с нагрузкой.

Коэффициент полезного действия генераторов зависит от режима работы и составляет от единиц до 20 %. В отдельных генераторах 30 %. Мощность в непрерывном режиме достигает 0,62 Вт на частоте 12,8 ГГц при = 34 %. В импульсном режиме на частоте 7,0 ГГц получена мощность 2,1 кВт при = 4 %, на частоте 100 ГГц – около 100 мВт при = 5 %.

Генераторы на диодах Ганна перестраиваются по частоте изменением либо параметров резонаторов, либо напряжения питания. Механическую перестройку можно производить в широких пределах при условии плавного перехода из одного режима работы в другой. Кроме того, возможна перестройка с помощью варикапов, ферритов. Электронная перестройка частоты изменением напряже ния питания в резонансных режимах работы мала и составляет 5– 20 МГц/В. Эта перестройка связана с изменением емкости домена.

В настоящее время генераторы на диодах Ганна находят применение в качестве СВЧ гетеродинов и генераторов в маломощных передатчиках в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.

8.3. Усилители на диодах Ганна Усилительный режим с использованием волн пространствен ного заряда возможен, когда параметр n0L удовлетворяет условию 1010 см-2 < n0L < (n0L)1 или 1010 см-2 < n0L < 5+1011 см-2.

Вместе с тем, существуют режимы стабильного усиления и при n0L > (n0L)1, т.е. когда выполнено условие существования доменов. Диоды Ганна, в которых выполнено условие n0L > (n0L)1, называют сверхкритически легированными. В случае выполнения условия n0L < (n0L)1 диоды называют субкритически легированными.

Если n0L лишь немного превышает (n0L)1, то устойчивоcть усилителя может быть обеспечена подключением к диоду положительного сопротивления. При большом значении n0L стабилизирующим фактором может быть диффузия носителей заряда. Оказалось, что в коротких диодах Ганна при определенном законе распределения концентрации доноров Nд (рис. 8.10) устанавливается такое распределение поля, при котором у анода омического контакта образуется неподвижный домен сильного поля. Постоянство числа электронов в домене поддерживается вследствие диффузии электронов из анодного контакта. В той части образца, где поле ниже порогового значения, сопротивление положительное, а ток меньше порогового. Усиление объясняется наличием в распределении напряженности поля падающего участка, соответствующего отрицательной дифференциальной подвижности.

Необходимо, чтобы этот участок занимал возможно большую часть образца. Исследования показали, что подобные усилители теряют устойчивость при больших сигналах.

N, n Е д 0, Е n Nд Еп x / L Рис. 8. Более перспективными из усилителей с большим значением n0L являются усилители на диодах Ганна, имеющие узкий мини мум в распределении концентрации примеси около катода (рис. 8.11).

В области этого минимума напряженность поля возрастает выше порогового значения и остается постоянной в большей части об разца практически до анода. В области, где поле значительно боль ше порогового, абсолютное значение отрицательной дифференци альной подвижности µд уменьшается. Следовательно, в этой обла сти в соответствии с (8.5) увеличивается (nоL)1, что позволяет со хранить устойчивость усиления.

Nд, n0, Е Nд Е n Еп Рис. 8. Существует другой способ стабилизации, заключающийся в покрытии боковой поверхности образца диэлектрической пленкой с большой диэлектрической проницаемостью. Покрытие приводит к снижению напряженности электрического поля в образце, умень шению дифференциальной подвижности носителей и, следователь но, к росту параметра n0L.

Линейная теория позволяет получить аналитическое выраже ние для полного сопротивления диода Ганна с однородным рас пределением концентрации примеси. Активная составляющая это го сопротивления отрицательна на пролетной частоте и ее гармо никах. Частотная зависимость подобна ЛПД. Однако практически удалось получить стабильное усиление только на пролетной час тоте и второй гармонике.

Как уже отмечалось, длительность процесса передачи энер гии от внешнего поля электронам составляет примерно 10-12 с. Это время определяет предельную частоту, выше которой нет отрица тельного сопротивления. В реальных приборах предельную часто ту ограничивает влияние размеров образца, так как для возбуждения бегущей волны необходимо, чтобы расстояние между электро дами примерно равнялось половине длины волны (L = 1 мкм для 50 ГГц). Сверхкритически легированные диоды Ганна, работаю щие в режиме стабильного усиления, более предпочтительны. (Так в них для 50 ГГц L = 2 мкм.) В этих диодах верхняя частота ограничивается временем ус тановления скорости электронов, инжектированных из катода.

Сверхкритически легированные усилители уже работают на час тоте 60 ГГц и выше. На рис. 8.12 показана схема конструкции однокаскадного усилителя бегущей волны пространственного за ряда.

(-) GaAs (+) Рис. 8. Усилители на диодах Ганна из-за использования «горя чих» электронов не могут быть малошумящими, но по сравнению с ЛПД имеют меньший коэффициент шума. При использовании в диодах GaAs коэффициент шума составляет примерно 15 дБ, в слу чае фосфида индия - на несколько децибел меньше.

Контрольные вопросы по теме 1. Объясните эффект неустойчивости объемного заряда.

2. Объясните доменные режимы работы генераторов на диодах Ганна.

3. Объясните режим ОНОЗ и гибридный режим.

4. Объясните особенности применения диодов Ганна в генера торах.

5. Объясните особенности применения диодов Ганна в усили телях.

Заключение Основные направления развития электроники СВЧ в настоя щее время обусловлены освоением миллиметрового и оптическо го диапазонов, а также переходом на новую элементную базу с повышением уровня интеграции аппаратуры. Поэтому в последние годы в электронике СВЧ наряду с электронными приборами проч ное место завоевали квантовые приборы, позволившие отодвинуть верхнюю границу использования электромагнитных колебаний в радиоэлектронике от миллиметровых к ультрафиолетовым волнам.

В настоящее время уже трудно провести границу между электро никой СВЧ и квантовой электроникой, и эта связь, по-видимому, будет еще больше расширяться и углубляться. (Как отмечалось во введении, квантовые приборы СВЧ в данном пособии не рас сматривались в связи с тем, что им посвящен отдельный курс «Квантовая радиофизика».) Однако наряду с развитием квантовой электроники продолжа ется и развитие «классических» электронных приборов СВЧ. Рабо ты в этом направлении характеризуются улучшением основных па раметров приборов: повышения мощности колебаний в генерато рах и коэффициента усиления в усилителях, увеличения КПД, сни жения уровня собственных шумов, расширения диапазона рабочих частот и т.д.

Среди новых мощных приборов миллиметрового диапазона следует отметить ЛБВ с выходной мощностью в импульсном ре жиме 1кВт и коэффициентом усиления 50 дБ на частоте 94 ГГц, усилительного трехрезонаторного клистрона с распределенным вза имодействием с такой же выходной мощностью и коэффициентом усиления 30 дБ на частоте 95 ГГц. Активно идут разработки при боров, основанных на циклотронном резонансе. В настоящее вре мя на гиротронах уже получена мощность излучения в непрерыв ном режиме 100 кВт на частоте 28 ГГц и 1 кВТ на частоте 90 ГГц при КПД 95 %.

Усиленно развиваются и полупроводниковые приборы милли метрового диапазона. Вполне понятно, что полупроводниковые при боры не могут конкурировать по мощности с электровакуумными приборами СВЧ, но иные их достоинства (малые габариты, высо кая надежность, низкий уровень шумов и т.д.) обеспечивают их дальнейшее широкое применение в различных областях электро ники СВЧ.

Рекомендуемая литература 1. Дулин И.В. Электронные и квантовые приборы СВЧ. – М.: Энер гия, 1972.

2. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т.1. Изд.

2-е. – М.: Высш. шк., 1970.

3. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т.2. Изд.

2-е. – М.: Высш. шк., 1972.

4. Тараненко В.П. Электронные и квантовые приборы СВЧ. – Киев:

Вища школа, 1974.

5. Кацман Ю.А. Приборы сверхвысоких частот. Т.2. – М.: Высш.

шк., 1973.

6. Андрушко Л.М., Федоров Н.Д. Электронные и квантовые при боры СВЧ. – М.: Радио и связь, 1981.

7. Рычков Ю.М. Прикладная электродинамика. – Гродно: ГрГУ, 1998.

8. Рычков Ю.М. Лабораторный практикум «Приборы сверхвысо ких частот». – Гродно: ГрГУ, 1996.

9. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение.: Пер. с англ./ Под ред. Г.Уотсона. – М.: Мир, 1972.

10. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ: Пер. с англ./ Под ред. М.Хауэтса, Д.Моргана. – М.: Мир, 1979.

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение............................................................................................. Тема 1. Общие сведения о приборах СВЧ 1.1. Историческая справка............................................................... 1.2. Основы работы электронных приборов СВЧ.......................... 1.3. Классификация электронных приборов СВЧ........................... 1.4. Основные параметры приборов СВЧ....................................... Тема 2. Триоды и тетроды СВЧ 2.1. Полный ток в промежутке между электродами и во внешней цепи электровакуумных приборов............................. 2.2. Работа триода на СВЧ............................................................ Тема 3. Клистроны 3.1. Двухрезонаторный усилительный клистрон........................... 3.2. Многорезонаторный усилительный клистрон........................ 3.3. Отражательный клистрон........................................................ Тема 4. Лампы бегущей и обратной волны типа О 4.1. Лампа бегущей волны типа О................................................. 4.2. Лампа обратной волны типа О................................................ 4.3. Гибридные приборы типа О..................................................... Тема 5. Приборы типа М 5.1. Движение электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях........................................................................... 5.2. Лампа бегущей волны типа М (ЛБВМ)................................. 5.3. Лампа обратной волны типа М (ЛОВМ)............................... 5.4. Многорезонаторный магнетрон............................................... 5.5. Митрон....................................................................................... 5.6. Платинотрон.............................................................................. 5.7. Приборы с циклотронным резонансом................................... Тема 6. Полупроводниковые диоды и транзисторы СВЧ 6.1. Диоды с p-n переходом............................................................ 6.2. Туннельный диод...................................................................... 6.3. Рin-диод..................................................................................... 6.4. Диод с барьером Шотки.......................................................... 6.5. Биполярные транзисторы СВЧ................................................ 6.6. Полевые транзисторы СВЧ..................................................... Тема 7. Лавино-пролетные диоды (ЛПД) 7.1. Лавинное умножение носителей заряда................................. 7.2. Пролетный режим работы ЛПД (IMPATT)........................... 7.3. Параметры и характеристики генераторов и усилителей на ЛПД в пролетном режиме..................................... ТЕМА 8. Диоды Ганна 8.1. Неустойчивость объемного заряда....................................... 8.2. Генераторы на диодах Ганна.................................................. 8.3. Усилители на диодах Ганна..................................................... Заключение..................................................................................... Рекомендуемая литература.......................................................... Учебное издание Рычков Юрий Михайлович ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ Учебное пособие Редактор Н.П.Дудко Сдано в набор 08.07.2002. Подписано в печать 19.08.2002.

Формат 60х84/16. Бумага офсетная №1.

Печать офсетная. Гарнитура Таймс.

Усл.печ.л. 6,8. Уч.-изд.л. 6,4. Тираж 120 экз. Заказ.

Учреждение образования «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы».

ЛВ №96 от 02.12.97. Ул. Пушкина, 39, 230012, Гродно.

Отпечатано на технике издательского отдела Учреждения образования «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы».

ЛП №111 от 29.12.97. Ул. Пушкина, 39, 230012, Гродно.

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.