Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие для СПО
.pdf
61
1
x
порд
Ev
1
смv
д
/10
5
кр
v
д
v
)(
0 ддд
Evnej
Рисунок 4.9 – Распределение напряжённости электрического поля в полупроводнике
после возникновения домена
Эта область объемного заряда называется доменом сильного поля.
Домен, нарастая с течением времени, остается на месте своего зарождения,
удерживаясь кулоновской силой притяжения электронов, скопившихся в области
к положительно заряженным донорам.
Если, однако, среднее поле в кристалле увеличить до значения, при котором
оно окажется способным преодолеть эту силу, домен будет сорван со своего места и
начнет перемещаться как единое целое в направлении от катода к аноду со скоро-
стью
. (4.21)
Для арсенида галия
.
Нарастание поля и заряда в домене прекратится, когда скорости электронов в
домене и вне его сравняются. Очевидно (рисунок 4.5), что это равновесие установится при меньшей, чем
, скорости электронов
, а значит, и меньшей плотно-
,
сти тока через образец. В равновесном режиме по образцу с постоянной скоростью
будет двигаться стабильный домен сильного поля, при этом плотность тока в образ-
це определится скоростью дрейфа электронов в пространстве между катодом и до-
меном:
. (4.22)
62
Если напряжение, приложенное к образцу, таково, что поле внутри него ока-
кр
E
кр
E
кр
E
д
кр
U
г
U
кр
E
зывается меньшим напряженности
(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
средняя дрейфовая скорость электронов
уменьшается и крутизна статической ветви ВАХ образца падает. Когда поле стано-
вится равным
Если пренебречь временем формирования домена
, в образце полупроводника формируется домен сильного поля.
, 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
и исчезновения домена
объясняется тем, что для рассасыва-
ния домена необходимо, чтобы поле внутри него оказалось меньше
, а для этого
63
напряжение
г
U
кр
U
кр
E
L
v
д
2
L
должно быть заметно меньше
. ВАХ на рисунке 4.10 соответ-
ствуют доменным режимам работы диодов Ганна.
Флуктуация поля формируется в точках полупроводникового образца с максимальной 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 отрицательный 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
. После распада одного доме-
на на катоде образуется другой домен, и процесс становится периодическим с частотой
, (4.23)
где
– 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 зависимости тока в цепи образца от времени.
Рисунок 4.11 – Колебания тока в цепи с диодом Ганна
64
В момент появления домена
0
t
0
I
min
I
1
t
д
v
L
tt
12
min
I
2
t
3
t
min
I
0
I
0
n
212
0
10 смLn
100
LnLn
Tд
T
в цепи течет ток
. По мере формирования
домена (область I) ток в цепи снижается и достигает минимума
мени
, соответствующий завершению процесса образования домена.
в момент вре-
В области II длительностью
(4.24)
домен движется от катода к аноду и сила тока в цепи остается постоянной и равной
.
В момент времени
(область III). Этот процесс завершается к моменту времени
вышением силы тока от
домен приближается к аноду и начинает распадаться
и сопровождается по-
до исходной величины
.
Такой процесс может повторяться неограниченное число раз. Параметр, рав-
ный произведению равновесной концентрации электронов
на длину L образца,
позволяет судить о соотношении времени формирования домена и времени его перемещения. Этот параметр служит характеристикой разных образцов, изготовленных из определенного материала полупроводника. Для n-GaAs параметр
.
Когда для образца полупроводникового материала выполняется соотношение
, (4.25)
домен не успевает полностью сформироваться, и при
, (4.26)
где
– период генерируемого радиосигнала, в образце будут распространяться вы-
деляющиеся на анодном контакте нарастающие волны объемного заряда. Если поле
65
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.
66
4.4 Конструкции генераторов СВЧ-колебаний на основе диода Ганна
кВтР 400
ГГцf 50
В 1966 г. был создан первый промышленный генератор СВЧ излучения на основе диода Ганна с импульсной выходной мощностью 100 Вт в диапазоне частот от
2 до 3 ГГц.
В 1968 г. созданы радиолокационные станции с диодом Ганна, предназначен-
ные для измерения скорости движущихся тел. В настоящее время выпускаются ге-
нераторы Ганна мощностью
в импульсе при частоте
. Гене-
раторы Ганна просты по конструкции, имеют большой срок службы и могут питаться от источников низкого напряжения [21].
В качестве примера на рисунке 4.13 приведено упрощенное изображение волноводной 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 резонатора, 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 четвертьволновый 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.
67
Рисунок 4.14 – Эквивалентная схема волноводной конструкции СВЧ генератора
На рисунке 4.15 изображен вариант топологии микрополоскового генератора
СВЧ излучения на диоде Ганна.
Рисунок 4.15 – Вариант топологии микрополоскового генератора на диоде Ганна
Диод Ганна 1, который может быть установлен планарно или вертикально,
подключен к резонансной системе, состоящей из полуволнового отрезка микрополосковой линии 2 и подстроечного шлейфа 3. Конденсатор 4 связывает резонансную
систему с нагрузкой. Напряжение питания подается на диод Ганна с помощью четвертьволнового дросселя 5, блокировочного конденсатора 6 и контактной площадки
7. Эквивалентная схема микрополоскового генератора СВЧ излучения на диоде
Ганна представлена на рисунке 4.16.
Рисунок 4.16 – Эквивалентная схема микрополоскового генератора на диоде Ганна
68
4.5 Вопросы для самопроверки к четвертому разделу
4.5.1 С чем связано значительное увеличение вероятности электронфононного взаимодействия, то есть передачи энергии от электронов атомам решетки, при значениях напряженности электрического поля, превышающих поле насыщения?
4.5.2 При каких условиях электроны в полупроводниках с двумя долинами в
зоне проводимости переходят из нижней долины в верхнюю?
4.5.3 Какими коэффициентами характеризуется процесс ударной лавинной
ионизации?
4.5.4 Что называется доменом сильного поля? Каким образом он формируется?
4.5.5 Какая область служит местом зарождения домена сильного поля?
4.5.6 Каким выражением определяется частота колебаний тока в цепи с дио-
дом Ганна?
4.5.7 Какой режим работы диодов Ганна называется режимом ограничения
накопления объемного заряда?
4.5.8 Что ограничивает верхнюю частоту существования режима ОНОЗ?
4.5.9 В 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?
69
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 приборы СВЧ применяются в многофункциональных радиолокационных системах [22],
теплогенерирующих СВЧ-устройствах [20], плазменных СВЧ-горелках – плазмотронах [9].
В конце прошлого века в разных странах началось бурное развитие систем сотовой мобильной связи, в которых также используются электронные приборы СВЧ.
Для работы, например, систем стандарта GSM 900/1800/1900 выделена полоса частот от 890 до 1990 МГц, что соответствует дециметровому диапазону излучений с
длинами волн от 15,1 до 33,7 см [19]. Радиоволны этого диапазона распространяются преимущественно в пределах прямой видимости, а явления дифракции и поглощения дождем, снегом или туманом на этих частотах выражены слабо или практически отсутствуют.
СВЧ средства применяются на производстве для измерения различных технологических параметров: длины, диаметра, толщины, ширины, формы изделий и других [7]. При этом одни методы позволяют определять параметры объектов контроля
бесконтактным способом на значительном удалении, а другие – контактно или посредством 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, используются зависимости регистрируемых параметров СВЧ датчиков от электромагнитных
свойств указанных объектов. Для измерений каждого из перечисленных выше параметров 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
70
особенностям диапазонов применяемых частот ЭМИ и используемых чувствительных 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 металлической 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]. Рассмотрим некоторые из них, чаще всего используемые на практике.
На металлургических и металлообрабатывающих предприятиях всегда актуальна задача бесконтактного определения толщины горячего и холодного металлопроката. 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 квазизамкнутого, 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 поверхностями (рисунок 5.1).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]