диапазона. Особо актуальна эта проблема в миллиметровом диапазоне
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Содержание
Введение
1 Эффект Ганна
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:
- рабочие частоты до 200 ГГц,
- мощность генерации в непрерывном режиме достигает сотен мВт,
- генераторы Ганна обладают низкими шумами ( 10-15 дБ ),
- имеют достаточно высокие значения КПД ( до 30% ),
- просты в эксплуатации и легко вводятся в рабочий режим, имеют малые питающие напряжения и др.
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.
- Доменные режимы
Для доменных режимов характерно наличие полностью сформировавшегося домена в течение значительной части периода генерируемых колебаний. Изменяя сопротивление нагрузки, можно получить три различных доменных режима.
- Пролетный режим
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.
- Режим с задержкой домена.
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.
- Режим с гашением домена
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.
- Режим ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ)
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.
- Гибридные режимы
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:
2. тематические экскурсии открывающие для всех желающих двери в таинственный подводный мир
3. тематизированные дневниковые записи не могут рассматриваться в качестве научных работ по психологии а служ
4. а в 4а классе
5. Антидемократические режимы и пути их преодоления1
6. Канон врачебной науки Ибн Сина АльФараби Ибн Рушд Ибн Баджа 5Основна
7. Теоретические и нормативноправовые основы профилактики преступлений в РФ 1.html
8. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата ветеринарних наук Харків 2001 Д
9. Реферат- Методы оценки недвижимости
10. по теме Неотложная помощь больным с заболеваниями органов дыхания и кровообращения Помощь при удушье
11. Финансовое планирование
12. Конспект лекций по дисциплине Компьютерные технологии направление подготовки магистров 230100
13. Бытие в истории философской мысли
14. первая ласточка ознаменовавшая распространение в России социалистических идей
15. География США- рельеф, климат, раститеьный и животный мир
16. Электронная почта как сервис глобальной сети Протоколы передачи почты
17. тема бездефектного изготовления продукции БИП ~1955г
18. В языке есть слова
19. на тему- Сегментирование рынка
20. Кредитування підприємств Питання для підготовки доповідей- Розкрийте поняття індивідуального