Свч генератор на основе диода Ганна

СВЧ сигналы широко используются в настоящее время в системах передачи данных (спутниковое телевидение, системы связи, ), радиолокации (основное достоинство – узкие направленные пучки – направленные системы связи).

Эффект Ганна проявляется в возникновении электрических колебаний в бруске полупроводника (арсенида галлия) при приложении к нему постоянного напряжения достаточно большого значения.

Рисунок – Зависимость напряжения и тока в образце от времени.

Если амплитуда импульса Uн, меньше чем некоторая пороговая величина Ut ВАХ прибора представляет линейную зависимость (приближается к закону Ома). При превышении порога Ut ток It начинает пульсировать с периодом T. Установлено, что пороговое напряжение Ut пропорционально длине образца L.

U_tE_tL, где E_{t –} приблизительно одинаковое для всех образцов полупроводников значение напряженности поля. Для GaAs составляет 3.2*10⁵В/М.

Период колебаний T пропорционален длине образца L и равен:

T , где - скорость электронов при пороговом поле E_t. (2*10⁵м/с)

Частота, генерируемых диодом колебаний составляет (при L=5-10мКм)

Рисунок - Распределение электрического поля в образце

В случае, когда U< Ut электрическое поле внутри полупроводника однородно. В случае когда напряжение на образце превышает Ut, у катода возникает узкая область очень сильного поля «домен». На домене падает значительная часть приложенного к образцу напряжения. Домен движется от катода к аноду со скоростью приблизительно равной . Достигнув анода домен разрушается (аннигилирует). В этот же момент у катода зарождается новый домен и процесс повторяется.

При зарождении домена поле в оставшейся части полупроводника ослабевает (оно сосредоточено в домене), следовательно скорость движения электронов замедляется (уменьшается ток текущий через образец). При аннигиляции домена поле в полупроводнике резко возрастает, что приводит к росту тока (протекает короткий импульс).

Существует возможность осуществлять не только генерацию, но и электрическую перестройку частоты.

Рисунок – Способ электронной перестройки частоты СВЧ генератора

Из –за уменьшения сечения напряженность электрического поля возрастает в направлении от катода к аноду. Длина область критической напряженности будет изменяться в зависимости от значения приложенного напряжения. При относительно низких напряжения домены возникают вблизи узкого конца (генерация высоких частот). С ростом напряжения область критического поля расширяется в сторону катода (увеличивается длина пробега домена – область низких частот). Таким образом можно менять частоту генерации на 1-2 порядка.

При изготовлении диодов Ганна (генераторов ) предъявляются жесткие требования к качеству полупроводникового материала.

Магнитоэлектроника.

Магнитоэлектроника – научно-техническое направление функциональной электроники, в основе которого лежит использование явлений в полупроводниковых структурах, связанных с воздействием магнитного поля.

Устройства и приборы магнитоэлектроники используются для полной электрический развязки входных и выходных электрических цепей, для бесконтактного преобразования малых механических перемещений в электрические сигналы, для детектирования величины и направления индукции магнитного поля с высокой локальностью, создание «не искрящих» механических коммутаторов в электрических цепях, бесконтактного измерения электрических токов.

Существует ряд явлений связанных с воздействием мегнитного поля на свойства полупроводниковых материалов, которые используются при создании магнитоэлектронных приборов.

Эффект Холла – возникновение поперечной разности потенциалов при прохождении электрического тока в поперечном ему магнитном поле.

Эффект магнитосопротивления – возрастание сопротивления полупроводника в магнитном поле.

Эффект Суля – отклонение линий носителей тока магнитным полем к одной из граней полупроводника.

Эффект гальваномагниторекомбинационный – изменение концентрации носителей при прохождении тока в поперечном магнитном поле в полупроводнике со смешанной проводимостью.

Эффект магнитодиодный – изменение в магнитном поле неравновесной проводимости полупроводниковых структур с большим по сравнению с длинной диффузионного смещения расстоянием от инжектирующего контакта до неактивного.

Эффект Холла

Эффект был открыт в 1879 американским физиком Холлом.

Если полупроводник, через который протекает электрический ток поместить в перпендикулярное линиям тока магнитное поле, то в полупроводнике возникнет электрические поле перпендикулярное направлениям тока и магнитного поля, напряженностью, пропорциональной плотности тока и индукции магнитного поля.

Рассмотрим механизм образования эффекта Холла на применении дырочного полупроводника.

На электрический заряд q, движущийся в магнитном поле со скоростью v, действует сила Лоренца:

F=qvBsin()

Где B – индукция магнитного поля;

 - угол между направлениями v и B.

Сила F имеет максимальное значение, когда vB, и равняется нулю, когда vB.

В рассматриваемом случае сила Лоренца отклоняет дырки к верхней грани пластины, вследствие чего их концентрация там увеличивается, а у нижней грани уменьшается.

Такое распределение зарядов приводит к возникновению поперечного холловского электрического поля и разности потенциалов между верхней и нижней гранями пластины, равной U=Ed, где E – напряженность поперечного электрического поля; d – расстояние между гранями.

Возникшее холловское статическое электрическое поле препятствует дальнейшему отклонению зарядов, и при условии qE=qvB поперечный ток исчезнет. Линии тока будут совпадать с направлением внешнего электрического поля. Между верхней и нижней гранями пластины будет существовать разность потенциалов

U=Ed=vBd (1)

Ток, текущий через пластину, помещенную в магнитное поле равен

I=pqvdh (2)

Где p – концентрация носителей заряда (концентрация дырок); h – толщина пластины в направлении магнитного поля.

U=(IB/qph)=(R/h)IB (3)

Холловская разность потенциалов пропорциональна току и индукции магнитного поля.

Величина R=1/qp – коэффициент Холла.

Формула 3 справедлива для полупроводника, длина которого в направлении z больше чем 3d.

Для электронного (n-типа) полупроводника при аналогичных условиях электроны под действием силы Лоренца также отклоняются к верхней грани. Это обусловлено отрицательным знаком заряда электрона и противоположным направлением движения электронов. Для полупроводника n –типа коэффициент Холла равен

R=-1/qn

(n – концентрация электронов), а полярность напряжения U будет противоположна полярности для полупроводника p – типа.

В полупроводнике со смешанной проводимостью результирующее холловское напряжение будет меньше, чем в полупроводнике с носителями одного знака, поскольку электроны и дырки отклоняются к одной и той же грани;

- подвижности дырок и электронов соответственно.

По знаку коэффициента Холла можно определить тип проводимости полупроводника и вычислить концентрацию носителей заряда.

А - коэффициент, зависящий от механизма рассеяния носителей тока в кристаллической решетке