Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Содержание
Введение………………………………………………………………….…3
1 Эффект Ганна……………………………………………………………4
2 Конструкция диода Ганна………………………………………………7
3 Режимы работы генераторов Ганна…………………………………….8
4 Основные параметры генераторных диодов Ганна………………….14
5 Схема измерительной установки………………………………………15
Список литературы………………………………………………………17
Введение
Одной из наиболее важных проблем современной твердотельной электроники является создание генераторов мощности электромагнитных колебаний коротковолновой части СВЧ-диапазона. Особо актуальна эта проблема в миллиметровом диапазоне. Генераторы Ганна по совокупности параметров являются в настоящее время одним из лучших твердотельных СВЧ генераторов:
Учитывая, что перечисленные параметры и характеристики генераторов Ганна в ближайшем будущем могут быть значительно улучшены путем совершенствования технологии, переходом к новым материалам ( в частности к InP ), а также путем тщательного изучения физики процессов, происходящих в диодах Ганна, их можно считать наиболее перспективными твердотельными источниками СВЧ колебаний. Целью данной лабораторной работы является изучение физики эффекта Ганна и знакомство с работой диода Ганна в генераторе СВЧ-диапазона.
1 Эффект Ганна
В 1963 году сотрудник фирмы «IBM Corporation» физик-экспериментатор Дж. Ганн обнаружил, что если приложить постоянное электрическое поле E0, большее некоторого порогового значения Епор, к арсениду галлия или фосфиду индия n-типа, то наблюдаются периодические колебания тока, протекающего через образцы. Для GaAs Епор. ~ 3, 2 кВ/см, а для InP ~ 10,5 кВ/см. Этот эффект, получивший название «эффекта Ганна», сейчас широко используется для создания генераторов и усилителей СВЧ диапазона. Важной особенностью эффекта Ганна является то, что период колебаний тока приближенно равняется времени пролета электронов от катода к аноду и, таким образом, может варьироваться путем изменения длины образцов.
Годом позже Ганн установил, что периодические колебания тока, протекающего через образцы, связаны с периодическим возникновением у катода, движением, и исчезновением у анода доменов электрического поля. В том же 1964 году Кремер показал, что эффект Ганна может быть объяснен на основе модели механизма снижения дрейфовой скорости электронов с ростом электрического поля в полупроводниках типа n-GaAs, который был рассмотрен в 1961-1962 гг. Ридли, Уоткинсом и независимо от них Хилсумом. Суть механизма заключается в следующем. Зона проводимости GaAs, InP и некоторых других полупроводников имеет несколько минимумов, различающихся по значениям эффективной массы m* и подвижности электронов Причем более высокие долины имеют большее значение m* и малую заселенность электронами в слабых полях, вследствие чего, с увеличением электрического поля, приводящего к переходу электронов из нижней долины в верхние, может происходить снижение средней дрейфовой скорости электронов. Таким образом, на зависимости Vd(E) появляется падающий участок при E > Епоp. При дальнейшем увеличении когда электроны в основном перейдут в верхние долины, наблюдается обычный рост Vd, характерный для верхних долин. Однако, вскоре было экспериментально установлено, что для GaAs u InP рост Vd, следующий за падающим участком, не наблюдается, что связано с интенсификацией рассеяния электронов с испусканием полярных оптических фононов. В результате Vd(E) стремится к насыщению. Эта зависимость, характерная для GaAs u InP показана на рис. 1. На падающем участке зависимости дифференциальная подвижность (а, следовательно, и проводимость) становится отрицательной величиной. Состояние образца с отрицательной дифференциальной подвижностью нестабильно. Вследствие того, что < 0, всякая флуктуация объемного заряда от равновесного значения не затухает со временем, а нарастает, что в конечном итоге и приводит к формированию доменов и, как следствие, обусловливает колебания тока, протекающего через образец. Обычно домен начинает формироваться у катода. Характерное время его формирования определяется временем диэлектрической ( максвелловской ) релаксации
Для того, чтобы в образце успел сформироваться стабильный домен, необходимо, чтобы время пролета электронов через активный слой длиной L от катода к аноду был больше
Рисунок 1: Зависимость скорости электронов от напряженности электрического поля характерная для n-GaAs и InP.
Тт ,то есть:
откуда следует , что
В правой части этого неравенства (его часто называют критерием Кремера) стоят константы, характеризующие полупроводник. Для n-GaAs и n-InP правая часть этого неравенства равна приблизительно 1012 см-2. Если произведение nL < 1012см-2, то распределение поля в образце устойчиво и домены не формируются.
2 Конструкция диода Ганна
По конструкции диод Ганна - это типичный СВЧ-диод в корпусе. В качестве примера на рисунке 2 изображена патронная конструкция серийного диода Ганна, который используется в экспериментальной части этой работы. На кристаллодержатель 1 с «постаментом» 2 припаян кристалл полупроводника 3. Керамическая втулка 4 разделяет по постоянному току крышку 5 и кристаллодержатель. Золотой контакт 6 от крышки с помощью термокомпрессии присоединяется к верхнему омическому контакту кристалла. Сам кристалл полупроводника (см. рис.2) обычно представляет собой слоистую меза-структуру. Активный слой n, толщиной L, определяющей рабочую частоту диода Ганна, заключен между двумя высоколегированными областями n+, являющимися переходными для создания к ним омических контактов.
Рисунок 2: Конструкция диода Ганна и полупроводниковая эпитаксиальная меза-структура, используемая в диодах Ганна.
3 Режимы работы генераторов Ганна
Конструкция генератора Ганна СВЧ-диапазона представляет собой объемный резонатор,который в диапазоне СВЧ выполняет роль колебательного контура. В соответствующем месте резонатора помещен диод Ганна, на который предусмотрена возможность подачи постоянного питающего напряжения. Диод Ганна может использоваться для создания генераторов СВЧ диапазона благодаря отрицательной дифференциальной проводимости в определенном интервале прикладываемых напряжений. На рисунке 3 показана вольтамперная характеристика (ВАХ) диода Ганна. При U <Uпор. диод практически представляет собой омическое сопротивление. При U=Uпор. образуется домен.
Рисунок 3: ВАХ диода Ганна.
Iпор. и Uпор.- пороговые ток и напряжение, Iнас. – ток насыщения, Uи – напряжение исчезновения домена.
Помещение диода Ганна в резонатор создает благоприятные условия для ганновских колебаний. При работе диода Ганна к нему, кроме постоянного напряжения, может прикладываться также СВЧ напряжение, возникающее в резонаторе за счет колебаний тока, протекающего через диод
В настоящее время известны и достаточно хорошо изучены несколько основных режимов работы генераторов Ганна.
Для доменных режимов характерно наличие полностью сформировавшегося домена в течение значительной части периода генерируемых колебаний. Изменяя сопротивление нагрузки, можно получить три различных доменных режима.
Этот режим существует при работе на малую нагрузку, которая порядка сопротивления самого диода при малых (допороговых) напряжениях, когда амплитуда колебаний напряжения мала и не оказывает заметного влияния на образование и движение доменов. Частота пролетных колебаний определяется в основном толщиной активного слоя диода L и может быть приближенно рассчитана по формуле:
где Vдм — скорость движения доменов. С повышением питающего напряжения fпр несколько падает из-за уменьшения скорости движения доменов. Ток через диод Ганна в этом случае равен току насыщения Iнас, на который наложены узкие всплески, связанные с коротковолновым повышением тока при втягивании очередного домена в анод и образованием нового домена. КПД генератора в этом режиме обычно низок и не превышает долей процента.
Этот режим реализуется, когда диод Ганна нагружен на параллельный колебательный контур, резонансное сопротивление которого достаточно велико, чтобы минимальное напряжение на диоде Umin = U0 — U1 опустилось ниже порогового Uпор, но все же осталось выше Uи (рисунок 4а.). В этом случае домен, как и в пролетном режиме, исчезает, достигнув анода. Однако, в этот момент напряжение на диоде оказывается ниже Uпор. Новый домен не образуется, и диод ведет себя как омическое сопротивление до тех пор, пока напряжение не станет равным Uпор. Период колебаний тока T определяется суммой времени пролета домена и времени задержки домена. Частота генерации определяется настройкой контура. В этом состоит качественное отличие данного режима от пролетного.
При увеличении резонансного сопротивления контура режим с задержкой домена переходит в режим с гашением домена. Этот переход сопровождается скачком мощности и небольшим изменением генерируемой частоты, обусловленным изменением реактивного сопротивления диода Ганна. Режим с гашением домена возможен, когда в процессе движения, домена к аноду мгновенное напряжение на диоде Ганна падает ниже Uи (см. рисунок 4б.). В этом случае домен быстро рассасывается, не успев дойти до анода и рабочая точка переходит на восходящую ветвь ВАХ. Частота колебаний в этом режиме может быть как больше, так и меньше пролетной и, также, как и в предыдущем режиме, может перестраиваться резонатором.
Для реализации режима ОНОЗ необходимо выполнение следующих двух условий. Во-первых, частота СВЧ колебаний напряжения достаточно велика, так что в часть периода, когда U > Uпоp, домены не успевают формироваться, и зависимость тока от напряжения повторяет кривую Vd(E). Во-вторых, амплитуда переменного напряжения на диоде Ганна должна быть достаточно велика, чтобы некоторую часть периода ts напряжение на диоде было меньше порогового (см. рисунок). Когда U > Uпоp., ток через диод падает с ростом напряжения, и диод отдает мощность в СВЧ цепь. Когда U < Uпор, диод является пассивным элементом. За время ts происходит рассасывание объемного заряда, накопленного за время активной части периода (T — ts). Достоинством режима ОНОЗ является высокий уровень генерируемой мощности и возможность плавной перестройки частоты генератора в широких пределах с помощью перестройки резонатора. Однако, введение в этот режим является далеко не простой задачей, и, кроме того, спектр выходного сигнала генератора Ганна в ОНОЗ-режиме получается хуже, чем в доменных режимах.
Эти режимы занимают промежуточное положение между режимом ОНОЗ и доменными режимами, когда период напряжения в резонаторе сравним с обратным временем формирования домена. Поэтому, в отличие от режима ОНОЗ, в гибридном режиме в течение части периода колебаний в структуре диода существует достаточно большой неравновесный пространственный заряд, обычно имеющий вид одного или нескольких дипольных доменов. В последние годы ведутся работы по исследованию других режимов генерации гармоник, а также двухчастотной генерации. Но пока они изучены значительно слабее описанных выше и природа их существования до конца не выяснена. Анализ динамики зарядов в структуре диода Ганна из GaAs позволил получить численные критерии работы генераторов Ганна. Переход из доменного режима в режим ОНОЗ происходит при выполнении следующих неравенств:
где n0 — равновесная концентрация электронов в активной области, L — длина активной области, fc — рабочая частота. Если вместо знака «»в реальном случае получается обратный знак, то есть «», то генератор работает в доменном режиме, если «=», то в гибридном режиме.
Рисунок 3.1: Зависимости напряжения U и тока I через диод от времени t: а — для режима с задержкой домена, б — для режима с гашением домена. Та — активная часть периода T, Тп — «пассивная» часть периода
Рисунок 3.2: Принцип работы диода Ганна в режиме ОНОЗ
4 Основные параметры генераторных диодов Ганна
Генераторные диоды Ганна относятся к группе диодов СВЧ и характеризуются рядом параметров, к которым относятся:
5 Схема измерительной установки
На рисунке 5 показана топология волноводной секции генератора Ганна вместе со схемой питания диода Ганна. Диод (ДГ) размещен в волноводном резонаторе. Фильтр нижних частот (ФНЧ) служит для предотвращения утечки СВЧ мощности из резонатора в низкочастотную часть схемы. Короткозамыкающий поршень (КЗ) предназначен для настройки резонатора. Емкость С = 10 мкФ предотвращает возбуждение низкочастотных колебаний в цепи питания. Схема питания ДГ содержит переменные резисторы R2 = 2 кОм и R1 = 47 кОм для плавной регулировки постоянного напряжения, питающего диод, а также измертельные приборы для измерения постоянного тока и напряжения на ДГ. На рисунке 5.1 изображена схема СВЧ части измерительной установки. СВЧ мощность от генератора на ДГ через направленный ответвитель (НО) с переходным затуханием 10 дБ поступает в согласованную нагрузку. Десятая часть мощности, проходящей в согласованную нагрузку, ответвляется к измерительным приборам: измерителю мощности (ИМ) Я2М-66 и к анализатору спектра П.Ч. С4-27.
Рисунок 5: Схема питания диода Ганна
Рисунок 5.1: Схема измерительной установки
Список литературы
1 Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы.— М.:Высш.шк., 1987.
2 Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Сов.радио,
1980.
3Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984, т.2.