Образовательный электронный материал

Министерство образования Российской Федерации Орловский Государственный Технический Университет Кафедра физики РЕФЕРАТ на тему: «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генер а торном режиме». Дисциплина: «Физические основы микроэлектроники» Выполнил студент группы 3– 4 Сенаторов Д.Г. Руководитель: Оценка: Орел. 2000 Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генер а торном режиме. Для усиления и генерации колебаний СВЧ-диапазона может быть использована аномальная зависимость скорости электронов от напряже н ности электрического поля в некоторых полупроводниковых соединениях, прежде всего в арсениде галлия. При этом основную роль играют проце с сы, происходящие в объеме полупроводника, а не в p - n -переходе. Генер а цию СВЧ-колебаний в однородных образцах GaAs n -типа при напряже н ности постоянного электрического поля выше порогового значения впе р вые наблюдал Дж. Ганн в 1963 г. (поэтому такие приборы называют ди о дами Ганна). В отечественной литературе их называют также приборами с объемной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов, поскольку активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из «центральной» энергетической долины в «боковую», где они характер и зуются большой эффективной массой и малой подвижностью. В иностра н ной литературе последнему названию соответствует термин ТЭД ( Transferred Electron Device ). В слабом поле подвижность электронов велика и составляет 6000 – 8500 см 2 /(В с). При напряженности поля выше 3,5 кВ/см за счет п е рехода части электронов в «боковую» долину средняя дрейфовая скорость электронов уменьшается с ростом поля. Наибольшее значение модуля дифференциальной подвижности на падающем участке пр и мерно втрое ниже, чем подвижность в слабых полях. При напряженности поля выше 15– 20 кВ/см средняя скорость электронов почти не зависит от поля и составляет около 10 7 см/с, так что отношение , а хара к теристика скорость– поле может быть приближенно аппроксимирована так, как показано на рис.1. Время установления отрицательной дифференц и альной проводимости (ОДП) складывается из времени разогрева электро н ного газа в «центральной» долине ( ~10 – 12 с для GaAs ), определяемого п о стоянной времени релаксации по энергии и времени междолинного пер е хода (~5 - 10 – 14 с). Можно было бы ожидать, что наличие падающего участка характ е ристики в области ОДП при однородном распределении электрич е ского поля вдоль однородно легированного образца GaAs приведет к поя в лению падающего участка на вольт-амперной характеристике диода, п о скольку значение конвекционного тока через диод определяется как , где ; – площадь сечения; – длина образца между ко н тактами. На этом участке диод характеризовался бы отрицательной акти в ной проводимостью и мог бы использоваться для генерирования и усил е ния колебаний аналогично туннельному диоду. Однако на практике ос у ществление такого режима в образце полупроводникового материала с ОДП затруднено из-за неустойчивости поля и объемного заряда. Как было показано в § 8.1, флюктуация объемного заряда в этом случае приводит к нарастанию об ъ емного заряда по закону , где – постоянная диэлектрической релаксации; – концентрация электронов в исходном n - GaAs . В однородном образце, к к о торому приложено постоянное напряжение , локальное п о вышение концентрации электронов приводит к появлению отрицательно заряженного слоя (рис. 2), перемещающегося вдоль образца от катода к ан о ду. Рис.1. Аппроксимированная зависимость дрейфовой ск о рости электронов от напр я женности электрического п о ля для GaAs . Рис.2. К пояснению процесса формир о вания слоя накопления в однородно л е гированном GaAs . Под катодом понимается контакт к образцу, на который подан отрицател ь ный потенциал. Возникающие при этом внутренние электрические поля и накладываются на постоянное поле , увеличивая напряженность поля справа от слоя и уменьшая ее слева (рис.2, а). Скорость электронов справа от слоя уменьшается, а слева – возрастает. Это приводит к дал ь нейшему нарастанию движущегося слоя накопления и к соответствующ е му перераспределению поля в образце (рис.2, б). Обычно слой объемного заряда зарождается у катода, так как вблизи катодного омического конта к та имеется область с повышенной концентрацией электронов и малой н а пряженностью электрического поля. Флюктуации, возникающие вблизи анодного контакта, вследствие движения электронов к аноду не успевают развиться. Однако такое распределение электрического поля неустойчиво и при наличии в образце неоднородности в виде скачков концентрации, подви ж ности или температуры может преобразоваться в так называемый домен сильного поля. Напряженность электрического поля связана с концентр а цией электронов уравнением Пуассона, которое для одномерного случая имеет вид (1) Повышение электрического поля в части образца будет сопровождаться появлением на границах этого участка объемного заряда, отрицательного со стороны катода и положительного со стороны анода (рис.3, а). При этом скорость электронов внутри участка падает в соответствии с рис.1. Эле к троны со стороны катода будут догонять электроны внутри этого участка, за счет чего увеличивается отрицательный заряд и образуется обогаще н ный электронами слой. Электроны со стороны анода будут уходить вп е ред, за счет чего увеличивается положительный заряд и образуется обе д ненный слой, в котором . Это приводит к дальнейшему увеличению поля в области флюктуации по мере движения заряда к аноду и к возраст а нию протяженности дипольной области объемного заряда. Если напряж е ние, приложенное к диоду, поддерживается постоянным, то с ростом д и польного домена поле вне его будет уменьшаться (рис.3, б). Нарастание поля в домене прекратится, когда его скорость сравняется со скор о стью электронов вне домена. Очевидно, что . Напряженность электрического поля вне домена (рис.3, в) будет ниже пороговой н а пряженности , из-за чего становится невозможным междолинный п е реход электронов вне домена и образование другого домена вплоть до и с чезновения сформировавшегося ранее на аноде. После образования ст а бильного домена сильного поля в течение времени его движения от катода к аноду ток через диод остается постоя н ным. Рис.3. К поя снению процесса формирования ди польного д о мена . После того как домен исчезнет на аноде, напряженность поля в образце повышается, а когда она достигнет значения , начинается образование нового домена. При этом ток достигает максимального значения, равного (рис.4, в) (2) Такой режим работы диода Ганна называют пролетным режимом. В пролетном режиме ток через диод представляет собой импульсы, следу ю щие с периодом . Диод генерирует СВЧ-колебания с проле т ной частотой , определяемой в основном длиной образца и слабо зависящей от нагрузки (именно такие колебания наблюдал Ганн при и с следовании образцов из GaAs и In Р). Электронные процессы в диоде Ганна должны рассматриваться с учетом уравнений Пуассона, непрерывности и полной плотности тока, имеющих для одномерного случая следующий вид: ; (3) . (4) Рис.4. Эквивалентная схема генератора на диоде Ганна (а) и временные з а висимости напряжения (б) и тока через диод Ганна в пролетном режиме (в) и в режимах с задержкой (г) и гашением дом е на (д). Мгновенное напряжение на диоде . Полный ток не зависит от к о ординаты и является функцией времени. Часто коэффициент диффузии считают не зависящим от электрич е ского поля. В зависимости от параметров диода (степени и профиля легирования материала, длины и площади сечения образца и его температуры), а также от напряжения питания и свойств нагрузки диод Ганна, как генератор и усилитель СВЧ-диапазона, может работать в различных режимах: доме н ных, ограничения накопления объемного заряда (ОНОЗ, в иностранной л и тературе LSA– Limited Space Charge Accumulation ), гибридном, бегущих волн объемного заряда, отрицательной пров о димости. Доменные режимы работы. Для доменных режимов работы диода Ганна характерно наличие в образце сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Характеристики стационарного дипольного д о мена подробно рассмотрены в [?], где показано, что из (1), (3) и (4) след у ет, что скорость домена и максимальная напряженность поля в нем связаны правилом равных площ а дей . (5) В соответствии с (5) площади, заштрихованные на рис.5, а и огран и ченные линиями , являются одинаковыми. Как видно из рисунка, максимальная напряженность поля в домене знач и тельно превышает поле вне домена и может достигать десятков кВ/см. Рис.5. К опред е лению параметров дипольного домена. На рис.5, б приведена зависимость напряжения домена от напряженности электрического поля вне его, где – длина домена (рис.3, в). Там же построена «приборная прямая» диода длиной при з а данном напряжении с учетом того, что полное напряжение на диоде . Точка пересечения А определяет напряжение домена и напряженность поля вне его . Следует иметь в виду, что домен возникает при постоянном напряжении , однако он может существовать и тогда, когда в процессе движения домена к аноду напр я жение на диоде уменьшается до значения (пунктирная линия на рис.5, б). Если еще более понизить напряжение на диоде так, что оно ст а нет меньше напряжения гашения домена , возникший домен рассас ы вается. Напряжение гашения соответствует моменту касания «приборной пр я мой» к линии на рис.5, б. Таким образом, напряжение исчезновения домена оказывается меньше порогового напряжения формирования домена. Как видно из рис.5, вследствие резкой зависимости избыточного напряжения на домене от напряженности поля вне домена поле вне домена и скорость домена м а ло изменяются при изменении напряжения на диоде. Избыточное напр я жение поглощается в основном в домене. Уже при скорость домена лишь немного отличается от скорости насыщения и можно пр и ближенно считать , а , поэтому пролетная частота, как характеристика диода, обычно определяется выражен и ем: (6) Длина домена зависит от концентрации донорной примеси, а также от напряжения на диоде и при составляет 5– 10 мкм. Уменьш е ние концентрации примеси приводит к расширению домена за счет увел и чения обедненного слоя. Формирование домена происходит за конечное время и связано с установлением отрицательной дифференциальной проводимости и с нарастанием объемного заряда. Постоянная времени н а растания объемного заряда в режиме малого возмущения равна постоя н ной диэлектрической релаксации и определяется отрицательной дифф е ренциальной подвижностью и концентрацией электронов . При ма к симальном значении , тогда как время у с тановления ОДП менее . Таким образом, время формирования домена определяется в значительной степени процессом перераспределения об ъ емного заряда. Оно зависит от начальной неоднородности поля, уровня л е гирования и приложенного напряж е ния. Рис6. Диод Ганна. Приближенно считают, что Домен успеет полностью сформироваться за время: , (7) где выражено в . Говорить о доменных режимах имеет смысл тол ь ко в том случае, если домен успеет сформироваться за время пролета эле к тронов в образце . Отсюда условием существования дипольного д о мена является или . Значение произведения концентрации электронов на длину образца называют критическим и обозначают . Это значение явл я ется границей доменных режимов диода Ганна и режимов с устойчивым распределением электрического поля в однородно легированном образце. При домен сильного поля не образуется и образец называют стабильным. При возможны различные доменные режимы. Критерий типа справедлив, строго говоря, только для структур, у которых длина активного слоя между катодом и анодом много меньше поперечных размеров: (рис.6, а), что соответствует одномерной з а даче и характерно для планарных и мезаструктур. У тонкопленочных структур (рис.6, б) эпитаксиальный активный слой GaAs 1 длиной может быть расположен между высокоомной подложкой 3 и изолирующей д и электрической пленкой 2 , выполненной, например, из SiO 2 . Омические анодный и катодный контакты изготовляют методами фотолитографии. Поперечный размер диода может быть сравним с его длиной . В этом случае образующиеся при формировании домена объемные заряды созд а ют внутренние электрические поля, имеющие не только продольную ко м поненту , но и поперечную компоненту (рис.6, в). Это приводит к уменьшению поля по сравнению с одномерной задачей. При малой толщ и не активной пленки, когда , критерий отсутствия доменной неусто й чивости заменяется на условие . Для таких структур при устойчивом распределении электрического поля может быть больше . Время формирования домена не должно превышать полупериода СВЧ-колебаний. Поэтому имеется и второе условие существования дв и жущегося домена , из которого с учетом (1) получаем . В зависимости от соотношения времени пролета и п е риода СВЧ-колебаний, а также от значений постоянного напряжения и амплитуды высокочастотного напряжения могут быть реализованы следующие доменные режимы: пролетный, режим с задержкой домена, режим с п о давлением (гашением) домена. Процессы, происходящие в этих режимах, рассмотрим для случая работы диода Ганна на нагрузку в виде параллел ь ного колебательного контура с активным сопротивлением на резонан с ной частоте и питанием диода от генератора напряжения с малым вну т ренним сопротивлением (см. рис.4,а). При этом напряжение на диоде и з меняется по синусоидал ь ному закону. Генерация возможна при . При малом сопротивлении нагрузки, когда , где – сопротивление диода Ганна в слабых полях, амплитуда в ы сокочастотного напряжения невелика и мгновенное напряжение на диоде превышает пороговое значение (см. рис.4,б кривая 1). Здесь имеет место рассмотренный ранее пролетный режим, когда после формирования домена ток через диод остается постоянным и равным (см. рис. 9.39, в). При исчезновении домена ток возрастает до . Для GaAs . Частота колебаний в пролетном режиме равна . Так как отношение мало, к.п.д. генераторов на диоде Ганна, раб о тающих в пролетном режиме, невелик и этот режим обычно не имеет практического примен е ния. При работе диода на контур с высоким сопротивлением, когда , амплитуда переменного напряжения может быть достаточно большой, так что в течение некоторой части периода мгновенное напряж е ние на диоде становится меньше порогового (соответствует кривой 2 на рис.4,б). В этом случае говорят о режиме с задержкой формирования д о мена. Домен образуется, когда напряжение на диоде превышает пороговое, т. е. в момент времени (см. рис.4, г). После образования домена ток диода уменьшается до и остается таким в течение времени пролета дом е на. При исчезновении домена на аноде в момент времени напряжение на диоде меньше порогового и диод представляет собой активное сопроти в ление . Изменение тока пропорционально напряжению на диоде до м о мента , когда ток достигает максимального значения , а напряжение на диоде равно пороговому. Начинается образование нового домена, и весь процесс повторяется. Длительность импульса тока равна времени запазд ы вания образования нового домена . Время формирования домена считается малым по сравнению с и . Очевидно, что такой режим во з можен, если время пролета находится в пределах и частота г е нерируемых колебаний составляет . При еще большей амплитуде высокочастотного напряжения, соо т ветствующей кривой 3 на рис.4,б, минимальное напряжение на диоде м о жет оказаться меньше напряжения гашения диода .В этом случае им е ет место режим с гашением домена (см. рис.4, д). Домен образуется в м о мент времени и рассасывается в момент времени , когда .Новый домен начинает формироваться после того, как напряжение превысит пороговое значение. Поскольку исчезновение домена не связано с достижением им анода, время пролета электронов между катодом и ан о дом в режиме гашения домена может превышать период колебаний: . Таким образом, в режиме гашения . Верхний предел г е нерируемых частот ограничен условием и может составлять . Электронный к.п.д. генераторов на диодах Ганна, работающих в д о менных режимах, можно определить, раскладывая в ряд Фурье функцию тока (см. рис.4) для нахождения амплитуды первой гармоники и п о стоянной составляющей тока. Значение к.п.д. зависит от отношений , , , и при оптимальном значении не превышает для диодов из GaAs 6% в режиме с з а держкой домена. Электронный к.п.д. в режиме с гашением домена меньше, чем в режиме с з а держкой домена. Режим ОНОЗ. Несколько позднее доменных режимов был предложен и осущест в лен для диодов Ганна режим ограничения накопления объемного заряда. Он существует при постоянных напряжениях на диоде, в несколько раз превышающих пороговое значение, и больших амплитудах напряжения на частотах, в несколько раз больших пролетной частоты. Для реализации режима ОНОЗ требуются диоды с очень однородным профилем легиров а ния. Однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде. Если промежуток времени, в течение к о торого напряженность электрического поля проходит область ОДП хара к теристики , много меньше времени формирования домена , то не происходит заметного перераспределения поля и объемного заряда по длине диода. Скорость электронов во всем образце «следует» за изменен и ем электрического поля, а ток через диод определяется зависимостью ск о рости от поля (рис.7). Таким образом, в режиме ОНОЗ для преобразования энергии исто ч ника питания в энергию СВЧ-колебаний используется отрицательная пр о водимость диода. В этом режиме в течение части периода колебаний дл и тельностью напряжение на диоде остается меньше порогового и образец находится в состоянии, характеризуемом положительной подвижностью электронов, т. е. происходит рассасывание объемного заряда, который у с пел образоваться за время, когда электрическое поле в диоде было выше порогов о го. Условие слабого нарастания заряда за время приближенно з а пишем в виде , где ; – среднее значение отрицательной дифференциальной подвижности электронов в области . Рассасывание объемного заряда за время , будет э ф фективным, если и , где ; и – постоянная времени диэлектрической релаксации и подвижность электр о нов в слабом поле. Считая , , имеем . Это неравенство определяет интервал значений , в пределах которого реализуется режим ОНОЗ. Электронный к. п. д. генератора на диоде Ганна в режиме ОНОЗ можно рассчитать по форме тока (рис.7). При максимальный к. п. д. составляет 17%. Рис.7. Временная зависимость тока на ди о де Ганна в режиме ОНОЗ. В доменных режимах частота генерируемых колебаний примерно равна пролетной частоте. Поэтому длина диодов Ганна, работающих в д о менных режимах, связана с рабочим диап а зоном частот выражением , (8) где выражена в ГГц, а – в мкм. В режиме ОНОЗ длина диода не зависит от рабочей частоты и может во много раз превышать длину диодов, раб о тающих на тех же частотах в доменных режимах. Это позволяет знач и тельно увеличивать мощность генераторов в режиме ОНОЗ по сравнению с генераторами, работающими в доменных реж и мах. Рассмотренные процессы в диоде Ганна в доменных режимах являются, по существу, идеализированными, так как реализуются на сравнительно низких частотах (1– 3 ГГц), где период колебаний значительно меньше времени формирования домена, а длина диода много больше длины дом е на при обычных уровнях легирования . Чаще всего диоды Ганна в непрерывном режиме используют на более высоких частотах в так называемых гибридных режимах. Гибридные режимы работы диодов Га н на являются промежуточными между режимами ОНОЗ и доменным. Для гибридных режимов характерно, что образование домена занимает бол ь шую часть периода колебаний. Не полностью сформировавшийся домен рассасывается, когда мгновенное напряжение на диоде снижается до зн а чений, меньших порогового. Напряженность электрического поля вне о б ласти нарастающего объемного заряда остается в основном больше пор о гового. Процессы, происходящие в диоде в гибридном режиме, анализ и руют с применением ЭВМ при использовании уравнений (1), (3) и (4). Гибридные режимы занимают широкую область значений и не столь чувствительны к параметрам схемы, как режим ОНОЗ. Режим ОНОЗ и гибридные режимы работы диода Ганна относят к реж и мам с «жестким» самовозбуждением, для которых характерна зависимость отрицательной электронной проводимости от амплитуды высокочастотн о го напряжения. Ввод генератора в гибридный режим (как и в режим ОНОЗ) представляет сложную задачу и обычно осуществляется послед о вательным переходом диода из проле т ного режима в гибридные. Рис.8. Электронный к. п. д. генераторов на диоде Ганна из GaAs для различных реж и мов работы: 1– с задержкой формиров а ния домена 2– с гашением д о мена Рис.9. Временная завис и мость напряж е ния (а) и тока (б) диода Ганна в режиме повышенного к. п. д. 3– гибридный 4– ОНОЗ Конструкции и параметры генераторов на диодах Ганна. На рис.8 приведены значения максимального электронного к.п.д. диода Ганна из GaAs в различных режимах работы. Видно, что значения не превышают 20%. Повысить к.п.д. генераторов на диодах Ганна мо ж но за счет использования более сложных колебательных систем, позв о ляющих обеспечить временные зависимости тока и напряжения на диоде, показанные на рис.9. Разложение функций и в ряд Фурье при и дает значения электронного к. п. д. для диодов Ганна из GaAs 25 %. Достаточно хорошее приближение к оптимальной кривой получается при использовании второй гармоники напряжения. Другой путь повышения к.п.д. состоит в применении в диодах Ганна мат е риалов с большим отношением . Так, для фосфида индия оно до с тигает 3,5, что увеличивает 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 период колебаний стан о вится соизмеримым с временем установления ОДП (это проявляется уже на частотах ~30 ГГц). Инерционность процессов, определяющих завис и мость средней дрейфовой скорости электронов от поля, приводит к уменьшению противофазной составляющей тока диода. Предельные ча с тоты диодов Ганна, связанные с этим явлением, оцениваются значениями ~100 ГГц для приборов из GaAs и 150 – 300 ГГц для приборов из InP . Выходная мощность диодов Ганна ограничена электрическими и т е пловыми процессами. Влияние последних приводит к зависимости макс и мальной мощности от частоты в виде , где постоянная опред е ляется допустимым перегревом структуры, тепловыми характеристиками материала, электронным к.п.д. и емкостью диода. Ограничения по эле к трическому режиму связаны с тем, что при большой выходной мощности амплитуда колебаний оказывается соизмеримой с постоянным напр я жением на диоде: . В доменных режимах поэтому в соответствии с имеем: , где – эквивалентное сопротивление нагрузки, пересчитанное к зажимам диода и равное модулю активного отрицательного сопротивления ЛПД. Максимальная напряженность электрического поля в домене знач и тельно превышает среднее значение поля в диоде , в то же время она должна быть меньше пробивной напряженности, при которой возникает лавинный пробой материала (для GaAs ). Обычно допуст и мым значением электрического поля считают . Как и для ЛПД, на относительно низких частотах (в сантиметровом диапазоне длин волн) максимальное значение выходной мощности диодов Ганна определяется тепловыми эффектами. В миллиметровом диапазоне толщина активной области диодов, работающих в доменных режимах, ст а новится малой и преобладают ограничения электрического характера. В непрерывном режиме в трехсантиметровом диапазоне от одного диода можно получить мощность 1 – 2 Вт при к. п. д. до 14%; на частотах 60 – 100 ГГц – до 100 вВт при к. п. д. в единицы процентов. Генераторы на диодах Ганна характеризуются значительно меньшими частотными шумами, чем генераторы на ЛПД. Режим ОНОЗ отличается значительно более равномерным распред е лением электрического поля. Кроме того, длина диода, работающего в этом режиме, может быть значительной. Поэт о му амплитуда СВЧ-напряжения на диоде в режиме ОНОЗ может на 1– 2 порядка превышать напряжение в доменных режимах. Таким образом, выходная мощность диодов Ганна в режиме ОНОЗ может быть повышена на несколько поря д ков по сравнению с доменными режимами. Для режима ОНОЗ на первый план выступают тепловые ограничения. Диоды Ганна в режиме ОНОЗ р а ботают чаще всего в импульсном режиме с большой скважностью и ген е рируют в сантиметровом диапазоне длин волн мощность до единиц кил о ватт. Частота генераторов на диодах Ганна определяется в основном рез о нансной частотой колебательной системы с учетом емкостной проводим о сти диода и может перестраиваться в широких пределах механическими и электрическими методами. В волноводном генераторе (рис.10, а) диод Ганна 1 установлен ме ж ду широкими стенками прямоугольного волновода в конце металлического стержня. Напряжение смещения подается через дроссельный ввод 2 , кот о рый выполнен в виде отрезков четвертьволновых коаксиальных линий и служит для предотвращения проникновения СВЧ-колебаний в цепь исто ч ника питания. Низкодобротный резонатор образован элементами крепл е ния диода в волноводе. Частота генератора перестраивается с помощью варакторного диода 3 , расположенного на полуволновом расстоянии и установленного в волноводе аналогично диоду Ганна. Часто диоды включают в волновод с уменьшенной высотой , который соединен с в ы ходным волноводом стандартного сечения четвертьволновым трансформ а тором. Рис.10. Устройство генераторов на диодах Ганна: а– волноводного; б– микрополоскового; в– с перестройкой част о ты ЖИГ-сферой В микрополосковой конструкции (рис.10, б) диод 1 включен между основанием и полосковым проводником. Для стабилизации частоты и с пользуется высокодобротный диэлектрический резонатор 4 в виде диска из диэлектрика с малыми потерями и высоким значением (например, из т и таната бария), расположенного вблизи полоскового проводника МПЛ ш и риной . Конденсатор 5 служит для разделения цепей п и тания и СВЧ-тракта. Напряжение питания подается через дроссельную цепь 2 , состо я щую из двух четвертьволновых отрезков МПЛ с различными волновыми сопротивлениями, причем линия с малым сопротивлением разомкнута. Использование диэлектрических резонаторов с положительным темпер а турным коэффициентом частоты позволяет создавать генераторы с мал ы ми уходами частоты при изменении темпер а туры (~40 кГц/°С). Перестраиваемые по частоте генераторы на диодах Ганна могут быть сконструированы с применением монокристаллов железоиттриевого граната (рис.10, в). Частота генератора в этом случае изменяется за счет перестройки резонансной частоты высокодобротного резонатора, имеющ е го вид ЖИГ– сферы малого диаметра, при изменении магнитного поля . Максимальная перестройка достигается в бескорпусных диодах, имеющих минимальные реактивные параметры. Высокочастотный контур диода с о стоит из короткого витка, охватывающего ЖИГ– сферу 6 . Связь контура диода с контуром нагрузки осуществляется за счет взаимной индуктивн о сти, обеспечиваемой ЖИГ– сферой и ортогонально расположенными ви т ками связи. Диапазон электрической перестройки таких генераторов, ш и роко используемых в автоматических измерительных устройствах, дост и гает октавы при выходной мощности 10– 20 мВт. Следует отметить, что расчет генераторов на диодах Ганна затру д нен приблизительным характером данных как о параметрах эквивалентной схемы диода, так и о параметрах эквивалентной схемы колебательной си с темы, а также узла крепления диода (особенно на высоких частотах). Обобщенную эквивалентную схему диода Ганна обычно задают в виде, показанном на рис.11. Активную область диода представляют в виде п а раллельного соединения отрицательной проводимости ( ) и емкости , значения которой в различных режимах работы могут существенно отл и чаться от «холодной» емкости диодной структуры . Величины и зависят как от постоянного напряжения , так и от амплитуды СВЧ-напряжения , а также частоты. Поэтому весьма актуальной являе т ся проблема непосредственных измерений параметров эквивалентной сх е мы диодов в реальных режимах работы. Конструкции корпусов диодов Ганна и значения их паразитных параметров не отличаются от констру к ций и параметров других ди о дов. Рис.11. Обобщенная эквивалентная схема диода Ганна. Усилители на диодах Ганна. Большой интерес представляют разработки усилителей на диодах Ганна, особенно для миллиметрового диапазона длин волн, где примен е ние СВЧ-транзисторов ограничено. Важной задачей при создании усил и телей на диодах Ганна является обеспечение устойчивости их работы (ст а билизация диода) и прежде всего подавление малосигнальных колебаний доменного типа. Это может быть достигнуто ограничением параметра диода, нагрузкой диода внешней цепью, выбором профиля легирования диода, уменьшением поперечного сечения или нанесением диэлектрич е ской пленки на образец. В качестве усилителей применяют как диоды пл а нарной и мезаструктуры, обладающие отрицательной проводимостью при напряжениях выше порогового в широкой области частот вблизи проле т ной частоты и использующиеся в качестве регенеративных усилителей о т ражательного типа с циркулятором на входе, так и более сложные плено ч ные структуры, в которых используется явление нарастания волн объемн о го заряда в материале с ОДП, называемые часто тонкопленочными усил и телями бегущей волны (УБВ). В субкритически легированных диодах при невозмо ж но образование бегущего домена даже при напряжениях, превышающих пороговое. Как показывают расчеты, субкритические диоды характериз у ются отрицательным эквивалентным сопротивлением на частотах, близких к пролетной частоте, при напряжениях, превышающих пороговые. Их можно использовать в усилителях отражательного типа. Однако из-за м а лых динамического диапазона и коэффициента усиления они находят о г раниченное примен е ние. Устойчивая отрицательная проводимость в широком диапазоне ча с тот, достигающем 40%, реализуется в диодах с при м а лой длине диода (~8– 15 мкм) и напряжениях . При меньших напряжениях наблюдается генерация, срыв которой при увеличении н а пряжения может быть объяснен уменьшением ОДП материала при пов ы шении температуры пр и бора. Однородное распределение электрического поля по длине диода и устойчивое усиление в широкой полосе частот могут быть получены за счет неоднородного легирования образца (рис.12, а). Если вблизи катода имеется узкий слаболегированный слой длиной около 1 мкм, то он огран и чивает инжекцию электронов из катода и приводит к резкому возрастанию электрического поля. Увеличение концентрации примеси по длине образца по направлению к аноду в пределах от до позволяет д о биться однородности электрического поля. Процессы в диодах с таким профилем обы ч но рассчитывают на ЭВМ. Рис.12. Профиль легирования (а) и распределение поля (б) в диоде Ганна с высокоомной прик а тодной областью. Рассмотренные типы усилителей характеризуются широким дин а мическим диапазоном, к.п.д., равным 2– 3%, и коэффициентом шума ~10дБ в сантиметр о вом диапазоне длин волн. Ведутся разработки тонкопленочных усилителей бегущей волны (рис.13), которые обеспечивают однонаправленное усиление в широкой полосе частот и не требуют применения развязывающих циркуляторов. Усилитель представляет собой эпитаксиальный слой GaAs 2 толщиной (2 – 15 мкм), выращенный на высокоомной подложке 1 . Омические като д ные и анодные контакты расположены на расстоянии друг от друга и обеспечивают дрейф электронов вдоль пленки при подаче на них постоя н ного напряжения . Два контакта 3 в виде барьера Шоттки шириной 1– 5 мкм используются для ввода и вывода СВЧ-сигнала из прибора. Входной сигнал, подводимый между катодом и первым контактом Шоттки, возбу ж дает в потоке электронов волну объемного заряда, которая изменяется по амплитуде при движении к аноду с фазовой скоростью . Рис.13. Схема устройства тонкопленочного усилителя бегущей волны на GaAs с продол ь ным дрейфом Для работы усилителя требуется обеспечить однородность пленки и однородность электрического поля по длине прибора. Напряжение смещ е ния УБВ лежит в области ОДП GaAs , т. е. при . В этом сл у чае происходит нарастание волны объемного заряда при ее движении вдоль пленки. Устойчивое однородное распределение электрического поля достигается в УБВ за счет использования пленок малой толщины и покр ы тия пленки GaAs диэлектриком с большим значением . Применение основных уравнений движения электронов для одномерн о го случая (1), (3), (4) и режима малого сигнала, когда постоянные соста в ляющие конвекционного тока, напряженности электрического поля и плотности заряда много больше амплитуды переменных составляющих ( ) , приводит к дисперсионн о му уравнению для постоянной распространения , имеющему р е шение в виде двух волн. Одна из них является прямой волной, распространяющейся вдоль пленки от катода к аноду с фазовой скоростью , и имеет амплитуду, изм е няющуюся по закону: , (9) где – время движения электронов от входа прибора. При работе в области ОДП и прямая волна нарастает. Вторая волна является обратной, распространяется от анода к катоду и затухает по амплитуде как . Коэффициент диффузии для GaAs составляет , поэтому и обратная волна быстро затухает. Из (9) коэффициент усил е ния прибора равен (дБ) (10) Оценка по (10) при и дает усиление порядка 0,3 – 3 дБ/мкм. Следует иметь в виду, что выражение (10) является, по существу, качественным. Непосредственное использование его для ра с чета нарастающих волн объемного заряда может привести к ошибкам из-за сильного влияния граничных условий при малой толщине пленки, так как задача должна рассматриваться как двумерная. Необходимо также учит ы вать диффузию электронов, ограничивающую диапазон частот, в котором возможно усиление. Расчеты подтверждают возможность получения в УБВ усиления ~0,5 – 1 дБ/мкм на частотах 10 и более ГГц. Подобные пр и боры можно использовать также в качестве управляемых фазосдвигателей и линий задержки СВЧ. [ Л ]. Березин и др. Электронные приборы СВЧ. – М. Высшая школа 1985.

Приложенные файлы


Добавить комментарий