Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие

Если напряжение, приложенное к образцу, таково, что поле внутри него ока-

зывается меньшим напряженности Eкр (рисунок 4.5), то ток на начальном участке ВАХ подчиняется закону Ома (рисунок 4.10, кривая 1).

Рисунок 4.10 – Формирование ВАХ диода Ганна

По мере приближения поля к Eкр средняя дрейфовая скорость электронов уменьшается и крутизна статической ветви ВАХ образца падает. Когда поле стано-

вится равным Eкр , в образце полупроводника формируется домен сильного поля.

Если пренебречь временем формирования домена д , то рабочая точка со ста-

тической ветви ВАХ скачком должна перейти на ветвь, соответствующую непре-

рывно распространяющемуся в образце домену сильного поля. Эту ветвь (кривая 2

на рисунке 4.10) назовем динамической. При дальнейшем увеличении приложенно-

го к образцу напряжения будет расти и поле в домене, причем падение напряжения на нем растет быстрее, чем приложенное к образцу напряжение, поэтому поле в об-

разце вне домена и плотность тока через образец будут уменьшаться, что отражено падающим участком на кривой 2 (рисунок 4.10).

При уменьшении напряжения на образце с доменом ВАХ имеет вид кривой 3

на рисунке 4.10. Этот своеобразный гистерезис между пороговыми напряжениями возникновения U кр и исчезновения домена U г объясняется тем, что для рассасыва-

ния домена необходимо, чтобы поле внутри него оказалось меньше Eкр , а для этого

62

напряжение U г должно быть заметно меньше U кр . ВАХ на рисунке 4.10 соответ-

ствуют доменным режимам работы диодов Ганна.

Флуктуация поля формируется в точках полупроводникового образца с мак-

симальной величиной удельного сопротивления. Такие точки обычно находятся у электродов, поскольку в результате образования омических контактов эти области образца оказываются наиболее неоднородными. Так как домен имеет отрицатель-

ный заряд и может перемещаться только против действия сил электрического поля,

местом его появления всегда служит прикатодная область.

Формируясь вблизи катода, домен движется к аноду и там распадается, так как поле на металлическом электроде намного меньше Eкр . После распада одного доме-

на на катоде образуется другой домен, и процесс становится периодическим с часто-

той

где L – длина полупроводникового образца.

Поскольку в области домена концентрация свободных электронов понижена,

при его формировании увеличивается сопротивление полупроводникового образца и уменьшается сила тока в цепи. На рисунке 4.11 представлен характерный график за-

висимости тока в цепи образца от времени.

Рисунок 4.11 – Колебания тока в цепи с диодом Ганна

63

в образце однородное и накоплением объемного заряда можно пренебречь, то ВАХ образца в этом случае будет повторять зависимость дрейфовой скорости от напря-

жения (рисунок 4.5) и примет вид, показанный на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 – ВАХ диода Ганна

Такой режим работы диодов Ганна называется режимом ограничения накоп-

ления объемного заряда (ОНОЗ).

В изложенной упрощенной физической картине предполагалось, что дрейфо-

вая скорость электронов мгновенно следует за полем. Такое предположение спра-

ведливо, когда физические процессы, определяющие передачу энергии поля элек-

тронам, происходят за время, значительно меньшее периода генерируемого радио-

сигнала. Естественно, что при повышении рабочей частоты скорость электронов начинает заметно отличаться от скорости, определяемой статической кривой (рису-

нок 4.5), что приводит к заметному изменению ВАХ. На очень высоких частотах режим ОНОЗ становится совсем невозможным, поскольку в течение всего периода колебаний подвижность носителей не изменяется и проводимость диода Ганна на частоте генерации остается положительной. Это ограничивает верхнюю частоту су-

ществования режима значением 120 ГГц.

65

4.4Конструкции генераторов СВЧ-колебаний на основе диода Ганна

В1966 г. был создан первый промышленный генератор СВЧ излучения на ос-

нове диода Ганна с импульсной выходной мощностью 100 Вт в диапазоне частот от

2до 3 ГГц.

В1968 г. созданы радиолокационные станции с диодом Ганна, предназначен-

ные для измерения скорости движущихся тел. В настоящее время выпускаются ге-

нераторы Ганна мощностью Р 400кВт в импульсе при частоте f 50ГГц . Гене-

раторы Ганна просты по конструкции, имеют большой срок службы и могут питать-

ся от источников низкого напряжения [21].

В качестве примера на рисунке 4.13 приведено упрощенное изображение вол-

новодной конструкции генератора СВЧ излучения, в которой диод Ганна работает в параллельном контуре.

Рисунок 4.13 – Волноводная конструкция СВЧ генератора с диодом Ганна

Бескорпусный диод Ганна 1 находится на широкой стенке волноводного резо-

натора, сформированного короткозамкнутой частью волновода и участком от диода Ганна до винта 4, служащего для регулирования связи с нагрузкой. Напряжение смещения поступает на диод Ганна через низкоомный коаксиальный четвертьволно-

вый фильтр 2 и штырь 3, который, кроме того, связывает резонатор с диодом.

Настройка резонатора на нужную частоту производится изменением длины корот-

козамкнутой части волновода. Эквивалентная схема такой конструкции приведена на рисунке 4.14.

66

4.5 Вопросы для самопроверки к четвертому разделу

4.5.1 С чем связано значительное увеличение вероятности электрон-

фононного взаимодействия, то есть передачи энергии от электронов атомам решет-

ки, при значениях напряженности электрического поля, превышающих поле насы-

щения?

4.5.2При каких условиях электроны в полупроводниках с двумя долинами в зоне проводимости переходят из нижней долины в верхнюю?

4.5.3Какими коэффициентами характеризуется процесс ударной лавинной

ионизации?

4.5.4Что называется доменом сильного поля? Каким образом он формирует-

ся?

4.5.5Какая область служит местом зарождения домена сильного поля?

4.5.6Каким выражением определяется частота колебаний тока в цепи с дио-

дом Ганна?

4.5.7Какой режим работы диодов Ганна называется режимом ограничения накопления объемного заряда?

4.5.8Что ограничивает верхнюю частоту существования режима ОНОЗ?

4.5.9В каком случае ВАХ полупроводникового образца будет повторять зави-

симость дрейфовой скорости электронов от напряжения?

4.5.10 Какие полупроводники обладают в сильных полях N-образной ВАХ?

68

5 Применение электронных приборов СВЧ

5.1 Общие сведения о применении электронных приборов СВЧ

Электронные средства, созданные на базе электронных приборов СВЧ, широ-

ко используются во многих значимых областях науки и техники. Электронные при-

боры СВЧ применяются в многофункциональных радиолокационных системах [22],

теплогенерирующих СВЧ-устройствах [20], плазменных СВЧ-горелках – плазмот-

ронах [9].

В конце прошлого века в разных странах началось бурное развитие систем со-

товой мобильной связи, в которых также используются электронные приборы СВЧ.

Для работы, например, систем стандарта GSM 900/1800/1900 выделена полоса ча-

стот от 890 до 1990 МГц, что соответствует дециметровому диапазону излучений с длинами волн от 15,1 до 33,7 см [19]. Радиоволны этого диапазона распространяют-

ся преимущественно в пределах прямой видимости, а явления дифракции и погло-

щения дождем, снегом или туманом на этих частотах выражены слабо или практи-

чески отсутствуют.

СВЧ средства применяются на производстве для измерения различных техно-

логических параметров: длины, диаметра, толщины, ширины, формы изделий и дру-

гих [7]. При этом одни методы позволяют определять параметры объектов контроля бесконтактным способом на значительном удалении, а другие – контактно или по-

средством размещения чувствительных элементов измерительного устройства на незначительном расстоянии от объекта.

Для определения физических параметров и характеристик объектов контроля,

например, влажности, плотности, концентрации, сплошности и других, используют-

ся зависимости регистрируемых параметров СВЧ датчиков от электромагнитных свойств указанных объектов. Для измерений каждого из перечисленных выше пара-

метров применяют различные методы, в том числе и электрические (емкостные, ин-

дуктивные, резистивные), которые, однако, во многих практических задачах не удо-

влетворяют предъявляемым к ним требованиям по точности, инвариантности к рас-

пределению компонент и сортности веществ и так далее. В то же время, благодаря

69

особенностям диапазонов применяемых частот ЭМИ и используемых чувствитель-

ных элементов, с помощью СВЧ средств успешно решаются многие из этих задач

[7].

5.2 СВЧ толщинометрия материалов и изделий

Среди задач определения толщины можно выделить следующие чаще всего встречающиеся группы: измерение толщины металлических или диэлектрических листов, измерение толщины диэлектрического слоя на металле либо толщины ме-

таллической пленки на диэлектрике, измерение толщины слоев полупроводниковых структур и других многослойных изделий и так далее [7].

В настоящее время данная область применения СВЧ техники для технологи-

ческих измерений развита достаточно хорошо, о чем свидетельствуют многочис-

ленные работы, отражающие различные методы и средства толщинометрии [3]. Рас-

смотрим некоторые из них, чаще всего используемые на практике.

На металлургических и металлообрабатывающих предприятиях всегда акту-

альна задача бесконтактного определения толщины горячего и холодного металло-

проката. Диапазон толщин прокатываемых листов составляет от единиц до десятков миллиметров, а диапазон изменения толщины – от долей миллиметра до нескольких миллиметров [4].

В основных из известных в настоящее время СВЧ методах толщинометрии металлических листов используются СВЧ резонаторы полуоткрытого, или квазиза-

мкнутого, типа. При реализации этих методов требуется наличие доступа ЭМИ к двум поверхностям контролируемого металлического листа.

Возможны два варианта реализации резонаторного метода измерения [18]. В

первом варианте применяются два самостоятельных резонатора, размещенных с разных сторон металлического листа и имеющих незамкнутые полости, открытые области которых направлены на проверяемый лист и расположены рядом с его по-

верхностями (рисунок 5.1).

70