4.2. Усилители и генераторы на туннельном диоде

Упрощенная схема включения туннельного диода в усилительном режиме показано на рис.4.2,а. Принципы работы усилителя поясняется рис.4.2,б.

а)

б)

Рис.4.2. Усилитель на туннельном диоде: а – упрощенная схема; б – графики, поясняющие принцип усиления входного сигнала

При отсутствии входного сигнала имеет место следующее уравнение электрического равновесия:

.

Из этого уравнения получаем нагрузочную линию (характеристику)

.

Пересечение нагрузочной линии с вольтамперной характеристикой туннельного диода дает точку покоя П с координатами , . Желательно, чтобы точка П делила участок АВ вольтамперной характеристики пополам.

При подаче входного сигнала в цепи действует напряжение, и нагрузочная линия описывается следующим уравнением

.

Наклон линии не изменяется, а происходит ее параллельное смещение. На рис.4.2,б показаны два крайних положения линии, соответствующие амплитудным значением входного сигнала. Нагрузочные линии позволяют построить временное изменение выходного сигнала.

Схема высокочастотного генератора с внешним возбуждением приведена на рис.4.3.

Рис.4.3. Схема ГВВ на туннельном диоде

Последовательно включенное с туннельным диодом сопротивление R определяет наклон нагрузочной линии. Конденсатор достаточно большой емкости замыкает путь протекания переменного тока, то есть исключает его протекание через источник питания E. Сопротивление резистора должно быть достаточно малым, чтобы постоянная времени была значительно меньше периода низкочастотной составляющей в спектре тока, которую ещё следует учитывать. Колебательный контур настраивается на частоту входного сигнала.

На рис.4.4 приведена схема автогенератора на туннельном диоде с колебательной системой в виде отрезка прямоугольного волновода с перестраиваемой длиной.

Рис.4.4. СВЧ автогенератор на туннельном диоде

Длина от плунжера до места включения диода

,

где - длина волны в прямоугольном волноводе

, ;

К аноду диода через диэлектрический уплотнитель подводиться необходимый положительный потенциал относительно катода. Вывод катода припаивается к стенке волновода.

4.3. Физика работы диода Ганна

Энергия свободного электрона

,

где - импульс электрона.

С другой стороны

,

Где - длина электронной волны по де Бройлю;

- волновой вектор, по направлению совпадающий с направлением электронной волны;

;

-постоянная Планка.

Следователь, энергию можно представить через волновой вектор k:

.

Эта зависимость имеет квадратичный характер, то есть энергия свободного электрона от его волнового вектора изменяется по квадратичному закону.

В твердом теле на электрон действует периодическое потенциальное поле кристаллической решетки. Чтобы описать сложное движение электрона в кристалле с помощью классической механики, заменяют массу свободного электрона эффективной массой . Тогда импульс называют квазиимпульсом электрона. Квадратичный характер изменения энергетических зон полупроводника в k - пространстве в кристаллографическом направлении (100) показан на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Квадратичный характер границ энергетических зон: валентной и проводимости - а; образование минимумов при перекрытии между собой разрешенных энергетических зон проводимости - б и в

В кристалле арсенида галлия имеют место два минимума в энергетической диаграмме ( рис. 4.5, в). Эти минимумы называются энергетическими долинами, а полупроводник называется двухдолинным. Минимальная энергия электрона при соответствии нижней границе зоны проводимости. Верхняя долина отделена от нижней энергетическим зазором . Следовательно, эффективная масса электрона верхней долины будет больше, чем эффективная масса электрона нижней долины: ; .

Различие эффективных масс приводит к различию значений подвижности электронов в нижней и верхней долинах:

; ,

где - среднее время между столкновениями электрона с узлами решетки; - заряд электрона.

Плотность дрейфового тока, протекающего через идеальный кристалл n - типа, в котором обеспечивается абсолютная однородность электрического поля, создаваемая внешним напряжением, равна

, (4.2)

где - напряженность электрического поля в кристалле; - суммарная концентрация электронов в кристалле.

Выражение (4.2.) запишем в виде

, (4.3)

где - усредненная подвижность электронов по двум доменам.

Так как дрейфовая скорость электронов , то плотность дрейфового тока равна

. (4.4)

Так как не зависит от напряженности поля , то из (4.4) следует, что плотность дрейфового тока пропорционально дрейфовой скорости .

Ток через кристалл диода

, (4.5)

где S - площадь поперечного сечения кристалла; U - напряжение, приложенное к кристаллу; L - длина кристалла.

Выражение (4.5) есть вольтамперная характеристика диода Ганна. Если учесть, что , то (4.5) можно представить в виде

, (4.6)

где - зависимость средней подвижности от напряжения, приложенного к кристаллу.

Проанализируем зависимость . При некотором напряжении на диоде в кристалле создается поле , повышающее энергию электронов до уровня перехода их в верхнюю долину. При напряжении все электроны находились в нижней долине и , . Если полагать, что в области изменений напряжения U значение мало зависит от U, то вольтамперная характеристика диода будет линейной

, при , (4.7)

где .

При напряжении нарастание характеристики замедляется и после перегиба характеристика идет вниз, так как все большее количество электронов переходит в верхнюю долину, где их подвижность примерно на два порядка меньше. При некотором напряжении все электроны перейдут в верхнюю долину и . При ток вновь возрастает по линейному закону

, при , (4.8)

где .

Так как , то наклон линий (4.8) к оси напряжений пренебрежимо мал по сравнению с наклоном линии (4.7).

На рис. 4.6 приведен примерный вид вольтамперной характеристики диода Ганна.

Рис.4.6. Вольтамперная характеристика диода Ганна

В 1963 году американский ученый Д.Ганн обнаружил, что кристалл арсенида галлия с электронной электропроводимостью под действием сильного электрического поля способен генерировать СВЧ колебания. Это явление получило название эффекта Ганна, а созданные на его основе полупроводниковые приборы - диодов Ганна, хотя в них отсутствует выпрямляющий электронно-дырочный переход. Принцип генерирования СВЧ колебаний на основе эффекта Ганна в следующем.

В кристалле арсенида галлия вблизи его торцов, на которых напылены внешние металлические электроды, всегда имеют место неоднородности кристаллической структуры. Неоднородности обусловлены неравномерностью распределения легирующей примеси, дефектами кристаллической структуры у поверхности торцов и диффузией атомов металла ( электродов). Основную роль в генерировании СВЧ колебаний играют неоднородности у катодного торца кристалла (рис.4.7). Эти неоднородности увеличивают сопротивление прикатодного слоя. Если к кристаллу приложено напряжение , но , то в нем вдоль оси ОХ устанавливается напряженность поля за исключением прикатодного слоя (рис. 4.7, б), где напряженность поля будет выше - напряженности интенсивного перехода электронов в верхнюю долину.

Рис. 4.7. Образование домена в кристалле арсенида галлия: а - диод Ганна; б - распределение напряженности постоянного электрического поля вдоль кристалла; в - домен в кристалле, движущийся от катода к аноду диода; г - напряженность электрического постоянного поля в домене

Электроны правее сечения находятся в нижней долине энергетической зоны. Их подвижность и, следовательно, дрейфовая скорость будет выше подвижности и скорости дрейфовой электронов верхней долины. Быстрые электроны нижней долины будут уходить от медленных верхней долины. В результате концентрация электронов в локальной области будет различной (рис.4.7, в). Эту область называют доменом. Таким образом, домен представляет собой два слоя электронов, движущихся к аноду: слой со стороны катода из-за избытка тяжелых электронов имеет отрицательный заряд; слой со стороны анода из-за недостатка легких электронов имеет положительный заряд. Наличие этих заряженных слоев образует электрическое поле внутри домена ( рис.4.7,г) , которая направлена в ту же сторону, что и внешнее поле. По мере формирования домена внутреннее поле растет, а внешнее, то есть за пределами домена, - уменьшается. Следовательно, по мере формирования домена скорость медленных электронов возрастает, а быстрых уменьшается. В некоторый момент времени этой скорости выравниваются и формирование домена завершается. Сформированный домен достигает анода и рассыпается, образуя ток во внешней цепи, а в кристалле устанавливается исходное распределение поля (рис.4.7,б) и начинается формирование нового домена.

Рассмотрим характер изменения тока во внешней цепи. В момент включения все электроны в кристалле являются быстрыми, и плотность тока через кристалл имеет максимальное значение:

.

По мере формирование домена возрастает и уменьшается , что ведет к уменьшению дрейфовой скорости и, следовательно, плотности тока. В момент времени образования домена устанавливается минимальная плотность тока

.

В момент времени домен достигает анода и рассыпается в интервале . В этом интервале ток возрастает (рис.4.8)

Рис. 4.8. Формирование импульсов тока во внешней цепи

Частота следования импульсов тока определяется дрейфовой скоростью и длинной кристалла:

.

При и частота следования импульсов .

На основе эффекта Ганна выполняются СВЧ автогенераторы и усилители. Точка покоя выбирается на падающем участке вольтамперной характеристики. Коэффициент усиления по мощности на частотах 25-30 ГГЦ достигает значения 60-70. Схемы автогенератора и усилителя на диоде Ганна подобны схемам, ранее рассмотренным на туннельном диоде.

Библиографический указатель

1. Теоретические основы электротехники: в 2 т. Т1/Л.Р.Нейман, К.С.Демирчян. – М.:Энергия, 2006. – 522 с.

2. Ефимов, И.Е. Радиочастотные линии передачи / И.Е.Ефимов. – М.: Советское радио, 1977. – 600 с.

3. Алексеев, О.В. Генераторы высоких и сверхвысоких частот: учебное пособие / О.В.Алексеев, А.А.Головков, А.В. Митрофанов, В.В. Полевой, А.А.Соловьев. – М.: Высшая школа, 2003. – 326 с.

4. Терещук, Р.М. Малогабаритная аппаратура: справочник радиолюбителя / Р.М. Терещук, К.М. Терещук, А.Б. Чаклинский [и др.]. – Киев: Наукова думка, 1975. – 560 с.

5. Полупроводниковые прибоы: транзисторы: справочник. – М.: Энергоиздат, 1986. – 904 с.

6. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ / под. ред. О.В. Алексеева. – М.: Радио и связь, 1987. – 392 с.

7. Радиопередающие устройства / под ред. М.Б. Белоцерковского, Г.М. Уткина. – М.: Радио и связь, 1982. – 408 с.

8. Проектирование радиопередающих устройств / под ред.В.В. Шахгильдяна.- 2-е изд. – М.: Радио и связь, 1984. – 424 с.

9. Фано, Р.М. Теоретическое ограничение полосы согласования произвольных импедансов: пер. с англ. / Р.М. Рано; под ред. Г.И. Слободенюка. – М.: Советское радио, 1964. – 69 с.

10. Трубецков, Д.И. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков: в 2 т. Т1/ Д.И. Трубецков, А.Е. Храмов. – М.: Физматлит, 2003. – 496 с.

11. Гладецкий, А.В. СВЧ электроника – история, проблемы и перспективы: базовые лекции по электронике: в 2 т. Т1. Электровакуумная, плазменная и квантовая электроника / А.В. Галдецкий; под ред. В.М. Пролейка. – М.: Техносфера, 2009. – 408 с.

12. Домаков, А.И. Радиоэлектроника в медицине: основы теории и практики: учебное пособие / А.И. Домаков, С.В. Турыгин. – Вологда: ВоГТУ, 2010. – 111 с.

Литература, рекомендованная студентам

1. Алексеев, О.В. Генераторы высоких и сверхвысоких частот: учебное пособие для вузов, обучающихся по направлению подготовки специалистов «Радиотехника» / О.В. Алексеев, А.А. Головков, А.В. Митрофанов. – М.: Высшая школа, 2003. – 326с.

2. Трубецков, Д.И. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков: в 2 т. Т1/ Д.И. Трубецков, А.Е. Храмов. – М.: Физматлит, 2003. – 496 с.

3. Каплун, В.А. Радиотехнические устройства и элементы радиосистем: учебное пособие для вузов по спец. «Радиотехника» / В.А. Каплун, Ю.А. Браммер, С.П. Лохова, И.В. Шостак. – М.: Высшая школа, 2005. – 294с.

4. Догадин, Н.Б. Основы радиотехники: учебное пособие / Н.Б. Догадин. – СПб.: Лань, 2007. – 372с.

5. Сушков, А.Д. Вакуумная электроника: физико-технические основы: учебное пособие / А.Д. Сушков. – СПб.: Лань 2004. – 464с.

6. Петров, К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: учебное пособие для вузов по направлению 654200 – «Радиотехника» / К.С. Петров. – М.[и др.]: Питер, 2003. – 512с.

7. Пасынков, В.В. Полупроводниковые приборы: учебное пособие для вузов / В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. – СПб.; М.: Краснодар: Лань, 2003. – 480с.

141