Реферат: АЦЭ - Разработка и расчёт автогенератора на диоде ганна с перестройкой частоты

и станет меньше Еп (рис [3], в ), так как напряжения, подаваемое на образец, поддерживается постоянным. В результате этого дрейфовая скорость электронов и плотность тока в области существования объёмного заряда уменьшается, а в остальной части образца изменятся незначительно. Это приведёт к дальнейшему увеличению концентрации электронов в левой части объёмного заряда (за счёт их подтока от катода) и концентрации некомпенсированных доноров в правой части его. Этот процесс увеличения dn и dN_d ⁺ прекратится и дипольный слой достигнет стабильной конфигурации, когда плотность тока внутри и вне его станет одинаковой и будет соответствовать точкам ВАХ, лежащим вне участка ОДС (рис [4], например, точки Е=Е_в и Е=Е_д ). Спад силы тока в цепи при формировании диполя или домена сильного поля обусловлен резким уменьшением подвижности электронов в нём и, следовательно, увеличением сопротивления образца. Логично предположить, что наиболее стабильное состояние домена соответствует минимальной мощности, потребляемой образцом от источника питания, то есть, когда плотность тока в образце имеет наименьшее возможное значение - (см рис [4] ). Тогда максимальная напряжённость поля внутри домена сильного поля будет равняться Е_д , а вне его - Е_в (см рис [3],в и [4] ).

Ширину или толщину домена (d _дм ) можно оценить исходя из того, что падение напряжения на образце до и после образования домена одно и то же, то есть

(9)

где исходная напряжённость поля Е_и ~ Е_п . Из (9)

(10)

Распределение напряжённости электрического поля в домене, как показывает решение уравнения Пуассона, зависит от концентрации электронов в данном образце. При больших n ₀ максимум Е располагается в центре домена и зависимость Е от x имеет симметричный вид. Если n ₀ мало, то криваяпринимает форму, близкую к прямоугольному треугольнику ( см рис [3], в ).

В процессе формирования и после его окончания дипольный домен дрейфует от катода к аноду. Если предположить, что домен возникает у катода за счёт имеющейся здесь неоднородности в распределении примеси (пониженное значение N_d и повышенная напряжённость поля), то за время пролёта

Лист

8

Изм

Лист

№ докум

Подпись

Дата

(11)

где - некоторая средняя скорость дрейфа домена, он достигнет анода и исчезнет, после чего в образце восстановится однородное распределение поля и первоначальное (до формирования домена) значение тока. Затем за счёт тепловой флуктуации у катода начнёт формироваться следующий домен и т. д. Периодически повторяющиеся процессы формирования домена у катода и рассасывания его у анода приведут к соответствующему изменению сопротивления образца и силы тока (рис [5] ).

Для того чтобы первоначальная тепловая флуктуация концентрация электронов заметно возросла, необходим интервал времени, превосходящий - (см (7) ). Отсюда следует, что периодическое изменение силы тока через образец будет возникать лишь в том случае, когда или в соответствии с (11 ) и (8 )

(12)

Это неравенство иногда называют критерием Кремера. Не останавливаясь на методах оценки, отметим, что после подстановки всех величин в правую часть (12 ) для арсенида галлия и фосфида индия получается величина порядка 10¹² см^-2 .

Режим работы диода на эффекте междолинного перехода электронов ( или диода Ганна), при котором уверенно выполняется неравенство

(13)

называется пролётным режимом. Для его реализации необходимо включить диод в параллельную резонансную цепь, например в СВЧ - резонатор с высокой добротностью, настроенный на пролётную частоту. Отметим, что в пролётном режиме на кривой зависимости тока от времени будут наблюдаться резкие всплески (см рис [5] ), если длина образца значительно превышает длину домена. Для получения формы колебаний тока, близкой к синусоидальной, необходимо уменьшать длину образца или увеличивать ширину домена. Последнее можно реализовать, уменьшая концентрацию электронов (n ₀ ) в образце.

Лист

9

Изм

Лист

№ докум

Подпись

Дата

При работе диода в резонаторе к нему кроме постоянного внешнего смещения оказывается приложенным также СВЧ - поле, возникающее в резонаторе за счёт колебания тока, протекающего через диод. Предположим, что СВЧ - поле меняется во времени по гармоническому закону, а резонатор настроен на частоту выше пролётной . Тогда при достаточно большой амплитуде СВЧ - поля дипольный момент в образце может рассосаться, не доходя до анода. Для этого необходимо, чтобы в полупериод, когда векторы напряжённости постоянного и СВЧ - поля противоположны, суммарная напряжённость поля была бы меньше некоторой величины, а длительность полупериода была бы больше, соответствующего положительной подвижности. С точностью до численного коэффициента последнее условие можно записать так:

. или

(14)

Для GaAs и InP . Неравенство (14 ) является условием реализации режима работы диода с подавлением домена. В этом режиме в каждый “положительный” полупериод СВЧ - поля в диоде Е>Е_п и у катода зарождается домен, а в каждый “отрицательный” полупериод он рассасывается на пути к аноду. Таким образом, генерация переменного тока в этом случае происходит на частоте, определяемой параметрами резонансной цепи.

Если обеспечить одновременное выполнение двух неравенств:

(15)

то диод Ганна будет работать в режиме ограниченного накопления объёмного заряда. Для GaAs и InP из (15) следует что . Поскольку в (15) период СВЧ – сигнала меньше , соответствующего отрицательной дифференциальной подвижности, то в полупериод, когда Е>Е_п , домен сильного поля не успевает полностью сформироваться, а в следующий полупериод (Е<Е_п ) он полностью рассасывается. При этом будет наблюдаться возрастание сопротивления образца в один полупериод СВЧ – сигнала и спад его в другой, что и вызывает эффективную генерацию мощности на частоте, определяемой параметрами внешней цепи.

Режим с обогащенным слоем

Этот режим соответствует случаю, когда не выполняется условие (12), следовательно, домен сильного поля не успевает сформироваться, доменная неустойчивость не возникает и образец не является генератором. При однородном распределении концентрации носителей вдоль образца (n ₀ y не зависит от x ) его ВАХ в соответствии с (1) повторяла бы зависимость от Е (рис [2]). Однако в реальных случаях катод (обычно контакт n ⁺ - n -типа ) инжектирует в образец электроны, что приводит к совершенно иному виду ВАХ.

Из условия непрерывности тока в образце следует, что там, где концентрация носителей заряда выше, напряжённость поля должна быть меньше. Полагая в первом приближении, что у катода, инжектирующего электроны, Е=0 и численно решая систему уравнений

(16)

(17)

Лист

10

Изм

Лист

№ докум

Подпись

Дата

получим распределение напряжённости поля и концентрации электронов вдоль образца, которые качественно представлены на рис [6] . Если напряжённость поля всюду меньше Е_п , то в большей части образца она слабо зависит от х (рис [6], а, кривая 1), а концентрация электронов вдали от катода равна равновесной (рис [6], б, кривая 1).

Как только в некоторой точке Е станет больше Е_п , скорость дрейфа электрона здесь уменьшится и соответственно должна увеличиваться их концентрация, чтобы сила тока при любом х оставалась постоянной. Подток избыточных электронов от катода в данную точку вызовет увеличение плотности избыточного заряда и dE / dx [(см 17)]. Во всех остальных точках, расположенных правее рассматриваемой, сила тока также поддерживаться постоянной за счёт роста n ( x ) и dE / dx (рис [6], а и б, кривые 2). Причём как следует из (16) и (17), чем выше плотность тока, тем больше должно быть dE / dx , то есть нелинейность кривой, изображающей зависимость Е от х , должна увеличиваться (рис [6], а, кривые 2,3). В этой области образца, где Е<Е_п , и концентрация электронов уменьшается с ростом х.

Лист

11

Изм

Лист

№ докум

Подпись

Дата

ВАХ таких образцов при Е<Е_п подчиняется закону Ома (рис [7]), а затем ток практически выходит на насыщение, если равновесная концентрация электронов не очень мала.

Если же n₀ меньше некоторой величины при фиксированной длине образца, то на ВАХ вслед за линейным должен наблюдаться участок, соответствующий току, ограниченному пространственным зарядом. Таким образом, в реальных образцах за счёт инжекции электронов с катода и подтока их к области с пониженной подвижностью, где Е>Е_п , на ВАХ исчезает участок с ОДС. У анода таких образцов, как видно из рис [6], существует статический (неподвижный) домен сильного электрического поля с повышенной концентрацией электронов. Иногда такой домен называют статическим доменом обогащённого слоя.

Нарисованная выше картина реализуется при наличие лишь постоянного напряжения на образце. Стационарное неоднородное распределение электрического поля и концентрации электронов вдоль образца, приводящее к исчезновению участка ВАХ с ОДС, устанавливается приблизительно за время пролёта (см. (11)). Поэтому если к диоду кроме постоянного смещения приложить ещё и малое переменное поле с частотой, близкой к пролётной (), то объёмный заряд не будет успевать стабилизировать образец. В этом случае небольшая флуктуация объёмного заряда, появившаяся у катода за счёт наличия переменного поля, будет нарастать по мере продвижения к аноду, что приведёт к усилению переменного сигнала. Следовательно, такой диод будет играть роль усилителя СВЧ сигнала с частотой, совпадающей с пролётной или с её гармониками. Эксперимент подтверждает наличие отрицательной активной проводимости на соответствующих частотах для образцов арсенида галлия, у которых n ₀ W <10¹² см^-2 .

Мощность и КПД диодов Ганна

СВЧ – мощность, генерируемую диодом Ганна, можно представить как , где R – сопротивление диода. В пролётном режиме работы и . Это соотношение между мощностью и частотой сопровождается экспериментом для диодов из GaAs и InP . Для диодов из GaAs с достаточно длинной базой при подаче импульсного смещения получена максимальная СВЧ – мощность порядка 6 кВт на частоте около 2 ГГц. В непрерывном режиме работы, когда на диод подаётся постоянное напряжение смещения, на частоте 10 ГГц СВЧ – мощность равна приблизительно 2 Вт.

• «
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• »

• >>> Скачать <<<