Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989) (1095875), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Требования к подобным автогенераторам аналогичны требованиям, предъявляемым к усилителям мощности, — обеспечить высокие выходную мощность и КПД. В то же время относительная нестабильность частоты может быть достаточно большой (Ь(/Г ~ 1О-' ...10-'). Диодные генераторы СВЧ включают генераторный диод, резонатор, элементы связи с нагрузкой и цепь питания. Они конструктивно проще, чем транзисторные автогенераторы, поскольку здесь не требуется внешней обратной связи.
Диод Ганна — это генераторный диод СВЧ, работающий в диапазоне частот от единиц до сотен гигагерц, изготовленный, как правило, из арсенида галлия. Выходная мощность диода Ганна — от десятков милливатт до долей ватта в непрерывном режиме колебаний, КПД весьма мал — 1 ...5 'Ъ. Больший КПД можно получить на диодах из фосфида индия. В импульсном режиме при длительности импульсов не более 1 мкс и скважности, равной нескольким ,сотням, выходная мощность увеличивается приблизительно на порядок. Диод Ганна (рис.
4.37) представляет собой кристалл однородно легированного арсенида галлия п-типа, выращенного на низкоомной подложке арсенида галлия л+-типа. На противоположных гранях кристалла выполнены невыпрямляющие (омические) контамты. Как видим, в диоде Ганна нет контактов с потенциальными барьерами (р-п-переходов, барьеров Шотки и т.д.). Название «диод Ганна» обусловлено тем, что это полупроводниковый прибор с двумя электродами, механизм работы которого основан на эффекте Ганна. Низкоомная подложка содержит донорные примеси с концентрацией и+ — -- !О" ... 10 " см-' и выполняет роль одного из омических контактов.
Второй омический контакт образуется на противоположной стороне а-слоя путем вжигания некоторого сплава, содержащего металл. Активной частью диода является и-слой длиной ! с концентрацией донорных примесей и = 10" ... 1О" см-'. Длина ! оп. ределяет диапазон рабочих частот диода. Кроме арсенида галлия, для изготовления диодов Ганна могут быть использованы фосфид индия и другиеболеесложные соедине. ния. Механизм работы диода Ганна. Диод Ганна как активный элемент может преобразовывать энергию постоянного электрического поля в энергию электромагнитных колебаний.
Если подвести к диоду небольшое постоянное напряжение У„то в соответствии с законом Ома через него будет протекать постоянный ток ! = д,пп, где о, — заряд электрона; л — концентрация электронов (равная концентрации доноров) в и-области; о=рЕ (4.45) — средняя дрейфовая скорость электронов; р — подвижность электронов; Š— напряженность электрического поля в п-области. При малых У, — поле в диоде распределено равномерно по длине 165 г' и может быть рассчитано по соотношению Е = Уе!Е При изменении Уе пропорционально изменится Е, а следовательно, и и !„ г.
е. диод подобен резистору. С ростом напряжения (7, начинает проявляться нелинейность диода, зависимость о (Е) уже не определяется соотношением (4.45), а подчиняется более сложному закону. Особенностью арсенида гал.лия и других полупроводниковых материалов, из которых изготов.ляются диоды Ганна, является наличие участка отрицатглоной тг Угг, слгс Е~Е Ги Е,Иlсл Рис, 4.37. Структура ди- ода Гаииа Рис. 4,38, Зависимость средией дрейфовой скорости электроиов от иапряжеииости электрического поля в арсеииде галлия 166 крупшзны на зависимости о (Е) (рис.
4.38). Когда постоянное напряжение Уе превышает пороговое значение (4.46) (Е„в — напряженность электрического поля, соответствующая максимуму характеристики и (Е), Е„р (3....3,6) кВ(см для арсенида галлия), равномерность распределения поля в диоде нарушается. Эго вызвано перераспределением электронов в и-области: происходит накопление электронов у контакта, к которому присоединен отрицательный полюс источника напряжения.
Под действием электрического поля электроны дрейфуют от электрода с отрицательным потенциалом — истока (или катода) к электроду с положительным потенциалом — коллектору (или аноду). Таким же образом перемещается и область накопления электронов, называемая обогащенным слоем. Пролетев а-область длиной !, обогащенный слой рассасывается на коллекторе. Палее процесс периодически повторяется: у истока образуется новый обогащенный слой, он движется к коллектору и т. д. Следует отметить, что при наличии неоднородности в распределении примеси по длине диода вместо обогащенных слоев у истока образуются и движутся к коллектору так называемые дипольные домены. Дипольный домен — это область двойного объемного заря- да, образованная отрицательно заряженным слоем, обогащенным электронами (со стороны истока) и положительно заряженным участком, обедненным электронами (со стороны коллектора).
Как видим, в диоде Ганна возникает пульсирующий поток электронов, он приводит к периодическому изменению тока во внешней цепи генератора. Частота колебаний равна величине, обратной времени пролета т,р электронов через л-область, /,р —— 1/т,р — — рир/1, т. е. зависит от длины 1. В арсениде галлия о,р — -- 10' см/с, поэтому /ар 100// (4.47) где/„р, ГГц; 1, мкм. Итак, при постоянном напряжении 1/«) и„р диод Ганна является генератором переменного тока и в принципе не нуждается в резонаторе. ! Летально механизм работы диодов Ган- '»«а на изложен в [15 — 171.
Параметры и ВАХ диода Ганна. Для диода Ганна наиболее важными являются следующие параметры: л, — концентрация //и и // донорных примесей в л-области; 1 — дли- 1 1 на л-области; /,р — «пролетная» частота; и„р — пороговое напряжение; /„р — ток, соответствующий пороговому напряжению; Рис. «,ЗВ, Статическая напряжение источника питания (/а; посто- Вдх диода Гаииа янная составляющая тока /,.
На рис. 4.39 изображена статическая ВАХ диода Ганна. Если структура диода симметрична относительно плоскости, перпендикулярной его оси и проходящей через середину л-области, то ВАХ симметрична относительно начала координат. Это означает, что в принципе безразлична полярность постоянного напряжения, приложенного к диоду. Однако, как было отмечено, структура диодов, выпускаемых промышленностью, несимметрична: один из контамтов образован л+-областью, а другой — вплавлением. Поэтому вблизи второго контакта имеется неоднородность распределения примесей — участок пониженной концентрации доноров л„ нанряженность поля на котором при подаче иа диод напряжения выше, чем в остальной части диода. В результате на нем образуется дипольный домен — двойной заряженный слой, на котором поле достигает 20 ...
30 кВ/см. Если контакт с неоднородностью — исток (т. е. на него подан отрицательный потенциал (/а), то образовавшийся домен перемещается к коллектору. Если же контакт с неоднородностью является коллектором (электродом с положительным потенциалом), то домен оказывается неподвижным, на нем падает напряжение, что уменьшает КПЛ генератора. Кроме того, наличие высокой напряженности поля у коллектора увеличивает вероятность пробоя,что снижает надежность работы диода. Учитывая изложенное, следует поло- 167 жительный полюс источника напряжения присоединять к контакту, расположенному со стороны низкоомной подложки л+.
Статическая ВАХ диода Ганна однозначна только при изменении напряжения источника питания от нуля до и„р. При У, ) и„р возникают колебания тока и измеряется их постоянная составляющая (щтриховая линия на рис. 4.39), которая зависит от нагрузки диода. Оптимальные параметры диода Ганна. Существует оптимальный диапазон значений произведения концентрации донорных примесей на длину диода (см ') л 1= (2 ... 4) ° 10". (4.48) При л,1 10ьч колебания тока не возникают, т. е. диод теряет свои активные свойства. Соотношения (4.47) и (4.48) определяют оптимальные параметры л, и 1 диода для заданной частоты 1. Оптимальное напряжение источника питания по критерию максимума КПД (4.
49) (l~ (2,5 ... 3)ии,, при этом !„ы (0,8 ...0,95) 1 р, 9 4.18. Автогенераторы СВЧ на диодах Ганна Несмотря на то что диоды Ганна генерируют колебания СВЧ даже при отсутствии колебательной системы, на практике их все же устанавливают в резонаторах, В результате частота колебаний автогенератора не 1 р (4.47), а оказывается равной резонансной частоте резонатора (с учетом реактивных параметров диода). Резонансная частота колебательной системы может быть изменена в пределах ~- 40 % 1, . Применение резонаторов позволяет: увеличить выходную мощность и КПД автогенератора из-за большой амплитуды напряжения на диоде; настроить его на требуемую частоту и перестраивать по частоте; уменьшить уровень высших гармоник в нагрузке; уменьшитьвероятность возбуждения колебаний иа частотах, обусловленных неявными паразитными резонансами.
Существуют различные конструкции генераторов на диодах Ганна: с волноводными, коаксиальными, волноводно-коаксиальными и другими резонаторами. Часто применяют генераторы Ганна на микрополосковых линиях. Они содержат: диод Ганна, цепь подачи питания, микрополосковый резонатор, элементы настройки на нужную частоту и на максимум мощности. При необходимости перестройки частоты в резонатор включают варикап. Для устранения возбуждения паразитных низкочастотных колебаний в цепь питания включают антипаразитные резисторы.
ироектнрованне генераторов на диодах Ганна в микрополосковом исполнении включает следующие этапы: выбор диода, состав- 168 Рнс. 4.4Д Эквнвалентная схема генератора на диоде Ганна Рнс. 4.40. Топология генерато- ра на диоде Ганна Максимум выходной мощности (или КПД) генератора на заданной частоте получается в том случае, когда диод оказывается нагруженным на некоторую оптимальную проводимость )'„. Наличие внутри диода обогащенных слоев или дипольных доменов обусловливает эквивалентность диода генератору тока, параллельно которому включена динамическая емкость С„„„ (рис.
4.41). Для резонанса на требуемой частоте гор проводимость Уа должна иметь мнимую составляющую индуктивного характера: В„= = — 1!(горГ.„). Резонанс в схеме рис. 4.41 соответствует частоте вгр 1Р'т'„С „, где, как показывает практика, С „„= (3...5) С„ С = еЗП вЂ” «холодная» емкость диода, е — — диэлектрическая проницаемость полупроводника; е = е'е,; е'=12„5 для арсенида галлия, е = 8,85 1О-'«Ф/см, 5 — площадь сечения диода. В соответствии с теорией генераторов на диодах Ганна сопротивление нагрузки на выводах диода, соответствующее максимуму КПД на частоте генерации, удовлетворяет соотношению Я„=1/б„=(20 ...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
