zhovnir

положення - дно нижньої долини. При цьому їх ефективна маса становить 0,067 маси вільного електрона, тобто електрони в нижній долині є «легенями». Це забезпечує їм високу рухливість [ 1 = 8000 – 3000см 2 (В с)-1]. Щільність струму через зразок в умовах малих напруженостей електричних полів Е можна виразити таким співвідношенням (ділянка ОА малюнка 36.3).

j = eN 1 1 ,

де N - концентрація електронів в нижній долині

Рис.36.3 – Залежність густини струму провідності від напруженості електричного поля.

При досить сильному електричному полі частина електронів набуває енергію, порівнянну з енергією междолинного переходу W, і переходить з нижньої у верхню долину. Тут їх ефективна маса m2 становить приблизно 0,35 маси вільного електрона, тобто електрони у верхній долині «важкі» і їх рухливість зменшується до 2 = 100 – 200см 2 (В с) 1 , а концентрація стає N2.

Велика різниця в рухливості електронів для верхньої та нижньої долин призводить до того, що починаючи з деякого значення критичного поля Епор середня дрейфова швидкість електронів в однорідному зразку починає зменшуватися з ростом електричного поля. При цьому щільність струму в зразку на ділянці АВ (рисунок 36.3) буде

де N 2 - загальна концентрація електронів у зоні провідності.

Таким чином, при напруженості поля вище порогового значення Епор вольт-амперна характеристика (ВАХ) ДГ має падаючу ділянку (малюнок 36.4), на якому диференціальна провідність ДГ негативна.

Рис.36.4 – Вольтамперна характеристика ДГ

Відзначимо, що за рахунок взаємодії електронів з кристалічною решіткою напівпровідника швидкість електронів не перевищує ~ 107 см / с, тобто має місце явище «насичення» при великих напряженностях поля, і струм досягає деякого постійного значення -

iнас.

36.3 Освіта домену сильного поля В області негативної диференціальної провідності рівномірний розподіл заряду і поля в

об'ємі напівпровідника нестійка, і в ньому можуть виникнути освіти, звані доменами. Їх появу можна якісно пояснити наступним чином.

Докладене зовнішнє поле згідно закону Кірхгофа розподіляється за зразком напівпровідника пропорційно опору його окремих ділянок, тому при підвищенні напруги порогова напруженість поля досягається в області якийсь неоднорідності, де є підвищений опір напівпровідника. Тут виникає підвищення концентрації «важких» і зменшення «легких» електронів (малюнок 5).

Середня швидкість електронів стане убувати, що призводить до подальшого збільшення удаваного опору ділянки та підвищення напруженості поля в ньому.

Рис.36.5 – Ідеалізований профіль легування ДГ (а) и початковий розподіл напруженості

електричного поля (б)

Одночасно оскільки загальна напруга, прикладена до платівці напівпровідника, постійно, поле по обидві сторони від даної ділянки буде спадати. Який виникає згусток «важких»

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДГ

Автогенераторна діод Ганна(АДГ) утворюється ДГ, включенимв резонаторз еквівалентнимопоромZні джерелом живленняU0(малюнок 36.8).

36.8 – Еквівалентна схема автогенератора на 36.9 – Діаграма можливих

мів роботи ДГ

Класифікація можливих режимів роботи ДГ в генераторі представлена на рис.36.9. Доменними називають режими ДГ, для яких характерна наявність сформованого

дипольного домену протягом значної частини періоду коливань. Ідеалізована динамічна ВАХ ДГ в доменних режимах дана на рис.36.10 суцільною лінією (пунктир - статична ВАХ ДГ). Наявності домену відповідає нижня гілка характеристики 1. При досягненні напруги гасіння Uгаш домен розсмоктується і робоча точка діода переходить на висхідну гілку характеристики 2. Змінюючи опір навантаження (а значить амплітуду U1) на «затискачах» негативної провідності діода, можна отримати три різних доменних режиму ДГ.

Прольотний режим має місце при малому навантаженні на діод, амплітуда напруги мала і не робить впливу на утвореня і рух доменів. У цьому режимі частота коливань дорівнює fпр= 1пр, імпульси струму мають вигляд, представлений на рис.7. Практично цей режим не використовується через малих значень ККД і fпр.

В інших режимах роботи ДГ частота коливань задається зовнішнім резонансним контуром.

Режим із затримкою утворення домену можливий, якщо мінімальна напруга на діод U0

– Umвиявляється менше порогового значення, причому домен досягає анода в такий момент часу, коли миттєве напруга на діод лежить між U2ош и Uпор і утворення нового домену буде затримано доти, поки U не зрівняли з Uпор.

Режим з гасінням домену має місце, коли в процесі руху домену до анода миттєве напруга на ДГ стає менше напруги U2 ош, і домен швидко розсмоктується. Імпульси струму в цьому режимі показані на малюнку 36.10, б.

Рис.3610 – Режим роботи ДГ

Режим ОНОЗ. У режимі обмеження накопичення об'ємного заряду (ОНОЗ) частота напруги настільки велика, що напруга на ДГ проходить область негативного нахилу ВАХ за час, мале в порівнянні з ф. При цьому домен не встигає формуватися і динамічна ВАХ збігається за формою з характеристикою υдр (E).

Гібридними режимами називаються всі режими, проміжні між ОНОЗ і доменними. У цих режимах час ф порівняно з періодом коливань, так що протягом частини періоду урівноважений не врівноважний просторовий заряд у зразку. Ці режими характерні для АДГ при f 8 – 10ГГц

КОНСТРУКЦІЯ ДГ

.Діоди Ганна виготовляються в декількох конструктивних варіантах, які зводяться до двох основних різновидів: типу «сендвіч» і планарної.

Для захисту від впливу навколишнього середовища кристал ДГ поміщають в стандартний металокерамічний доданий корпус. На частотах вище 30ГГц кераміка замінюється кварцом, а сам корпус виконується по можливості мініатюрним.

ЕКВІВАЛЕНТНА СХЕМА ДГ

Спрощена еквівалентна схема активного шару ДГ приведено малюнку 11, а, де доданий проміжок представлений паралельним соедіненіемі нелінійної ємності C (U), що відбиває процес накопичення заряду, і нелінійної негативною провідності - Gдг(U). Нелінійна ємність C

(U) може бути представлена у вигляді «гарячої» реактивності jB ДГ (U). З урахуванням параметрів корпусу діода повна еквівалентна схема ДГ показана на малюнку 36.11, в. Тут

паралельне з'єднання активної і реактивної провідності характеризує власне кристал GaAs в діапазоні робочих частот, елементи Ck , Lk , rk- корпус діода.

а – спрощена схема активного шару; б – повна еквівалентна схема

Рис.36.11 – Еквівалентна схема ДГ

Параметри еквівалентної схеми залежать від частоти, напруги живлення і амплітуди коливань.

ЕКВІВАЛЕНТНА СХЕМА АДГ

Еквівалентна схема АДГ включає три основних ланки: активний прилад, корпус діода і зовнішню ланцюг. Еквівалентна схема ДГ показана на малюнку 12 (обведена пунктиром).

Рис36.12 – Схема увімкнення ДГ в резонатор

Вплив напруги живлення U0 на величину реактивної провідності діода ВДГ дає можливість виробляти перебудову частоти генерації АДГ зміною зміщення на діоді. Одночасно

залежність BдгвідU0 призводить до варіації потужності генерації (в межах допустимих значень

U0).

ДГ - вельми широкосмуговий активний прилад, що має негативну провідність в смузі частот порядку октави і більше, так що в смугу частот ефективної роботи ДГ потрапляє, як правило, кілька резонансів коливальні системи. У цих умовах зовнішню ланцюг АДГ представляють узагальнено у вигляді безлічі з'єднаних паралельно коливальних контурів (малюнок 36.13), де опір навантаження включено в ri кожного контуру.

Рис.36.13 – Еквівалентна схема зовнішнього кола с увімкненим ДГ

У генераторівстановлюється частота f, на якійвтрати в схемімінімальні, і для неїеквівалентна схема приймаєвигляд, представлений на рис.36.14, в якій негативна провідністьдіодаGдгдорівнюватимепозитивноїпровідностізовнішньоголанцюгаgд.

Рис.36.14 – Схема увімкнення ДГ в резонатор

37. Функціональна схема та принцип дії генератора та підсилювача на тунельному діоді.(Жовнір)

Напівпровідникові діоди досить рідко використовуються в якості основних елементів генераторних і підсилювальних вузлів. Будучи в більшості своїй чисто пасивними компонентами, вони просто не можуть виступати в ролі джерела струму або напруги, необхідних для будь-якого генератора або підсилювача. Однак існує досить нечисленний ряд випадків, коли при застосуванні напівпровідникових діодів певних типів (тунельні діоди, діоди Ганна, лавинно-пролітні діоди, параметричні діоди) можлива побудова діодних підсилюючих і генераторних схем.

Такі напівпровідникові прилади як: тунельні діоди, діоди Ганна, лавинно-пролітні діоди об'єднує одна властивість - наявність на ВАХ приладу за певних умов ділянки з негативним диференціальним опором. У кожному з названих приладів фізичні ефекти, що зумовлюють появу такої ділянки різні. У тунельний діод - це різкий спад тунельного ефекту при зростанні напруженості електричного поля в напівпровіднику вище деякого критичного значення, в діоді

Ганна - особливості зонної структури арсеніду-галію, в лавинно-пролітних діодів - специфіка лавинного пробою при високих частотах прикладеної напруги. Слід зазначити, що названі випадки не є єдиними. Прикладом може служити широко відомий і популярний в 30-х рр.. крістадін Лосєва, також представляв собою напівпровідниковий діод введений в особливий режим пробою.

На сьогоднішній день набольшее поширення набули діодні автогенератори діапазону НВЧ. У них використовуються діоди Ганна і лавинно-пролітні діоди. За певних умов такі генератори можуть бути перетворені в підсилювачі і використовуватися для резонансного посилення НВЧ сигналів. Проте зважаючи підвищеного рівня шумів і практичної нераціональності підсилювачі на діодах Ганна і лавинно-пролітних діодах застосовуються вкрай рідко.

Особливий вид підсилюючих пристроїв діапазону СВЧ - це т.зв. параметричні підсилювачі. Вони будуються на основі спеціальних параметричних діодів. Принцип роботи таких підсилювачів дуже близький до того, як працюють описані вище діодні змішувачі. На параметричний діод, також як і в змішувачах, подається два сигналу. При певному узгодженні цих сигналів і правильному виборі режиму роботи діода вдається на нелінійної провідності або ємності діода здійснити перерозподіл потужності падаючих сигналів на користь одного з них (корисного). Одночасно можливо і перетворення частоти цього сигналу. Параметричні підсилювачі діапазону СВЧ дуже складні в налаштуванні і досить нестабільні. Їх основна перевага - унікально низький рівень шумів. Тому вони найчастіше використовуються в радиотелескопах і системах далекого космічного зв'язку.

Найбільший інтерес і практичну цінність можуть становити тунельні діоди. Генераторні і підсилювальні пристрої на їх основі можуть бути використані в радіоприймачах, радіомікрофони, вимірювальної апаратури і т.п.

Спрощена схема автогенератора на тунельному діоді представлена на рис. 1

Рис. 1. Спрощена схема автогенератора на тунельному діоді

Так як на ВАХ тунельного діода є ділянка з негативним опором стійким по напрузі, то при підключенні до нього паралельного коливального контуру він може генерувати. При цьому негативне опір діода буде компенсувати втрати, і в контурі можуть виникнути і підтримуватися незгасаючі коливання. Сучасні тунельні діоди можуть генерувати на частотах до 1 ГГц і більше. Однак через невеликий величини ділянки ВАХ діода з негативним опором потужність, що віддається їм на будь-яких частотах, складає долі милливатт. Щоб форма генеруються коливань не спотворювалася, як правило, застосовують часткове включення діода в контур генератора. Основною умовою генерації є перевищення величини опору втрат контуру над величиною негативного опору тунельного діода. Враховуючи, що паралельне опір втрат в реальних

коливальних контурах значно перевищує негативний опір тунельного діода, використовується часткове включення діода в контур (через відвід котушки).

На внутрішньому опорі джерела зсуву буде виділятися частина потужності генеруючих коливань, тому воно повинно бути якомога менше. Оскільки необхідна величина напруги зсуву дуже мала (наприклад, для германієвих тунельних діодів порядку 0,1 ... 0,15 В), харчування тунельних діодів зазвичай здійснюється від дільника напруги (рис. 3.6-43). Однак це може призвести до неекономного витрачання потужності джерела живлення (що важливо для надмініатюрних пристроїв). Тому для живлення тунельних діодів слід застосовувати джерела з можливо більш низьким вихідним напругою. Вихідний опір подільника напруги вибирають в межах 5 ... 10 Ом, і тільки в пристроях, де потрібна найбільша економічність, його можна підвищити до 20 ... 30 Ом. Негативне опір тунельного діода повинно перевищувати опір подільника в 5 ... 10 разів. Шунтировать настільки малі опору конденсаторами для зменшення втрат високочастотної енергії недоцільно, оскільки у ряді випадків це може привести до нестійкої роботи генератора, особливо, якщо його режим підбирався по максимуму віддається потужності. Слід враховувати, що для стабільної роботи генератора потрібно підтримувати стабільне положення робочої точки діода. При зміні величини живлячої напруги хоча б на 10% (наприклад, через розрядки хімічного елемента живлення) нормальна робота генератора може порушитися. Іноді доцільно використовувати попередньо стабілізовану напругу або застосовувати в дільнику нелінійні опори (в верхньому плечі стабілізуючі струм, а в нижньому - напруга). Так, якщо в схемі автогенератора (рис. 3.6-43) замість опору R2 застосувати малопотужний германієвий діод в прямому включенні, як це показано на рис. 3.6-44, стабільність роботи генератора покращиться, і при зміні напруги живлення в межах 1 ... 1,5 В ніяких додаткових регулювань не буде потрібно.

Всі згадані вище способи стабілізації напруги дещо ускладнюють схеми, а в ряді випадків збільшують споживану потужність, тому широкого застосування вони не знаходять. У реальній апаратурі тунельні діоди найчастіше застосовуються спільно з транзисторами. Відомо, що у транзистора струм емітера порівняно мало залежить від напруги живлення колектора, особливо якщо зсув транзистора стабілізовано-яким способом. Тому при харчуванні діода емітерним струмом транзистора можна отримати виграш не тільки в стабільності, а й в економічності. Остання підвищується тут через те, що втрати на верхньому плечі дільника усуваються, а додаткова потужність, споживана тунельним діодом, невелика.

Для збільшення потужності можна також включити два або більше число діодів в схему генератора. При цьому діоди найкраще з'єднувати по постійному струму послідовно. Тоді напруга на нижньому опорі дільника має бути вдвічі більше, ніж для одного тунельного діода, тобто втрати на верхньому плечі зменшуються. Потрібно мати на увазі, що опір нижнього плеча має обов'язково складатися з двох однакових опорів, а їх середня точка повинна бути з'єднана по постійному струму з середньою точкою двох діодів. В іншому випадку, стійка робота двох з'єднаних послідовно діодів неможлива. По змінному струмі можна з'єднати діоди паралельно або послідовно.

Генератор на тунельний діод може будуватися і з застосуванням кварцового резонатора, що задає частоту коливань. Приклад такої схеми наведений на рис. 2

Рис. 2. Автогенератор на тунельному діоді з кварцовим резонатором

38. Структура та моделі лавинно-пролітного діода.

Лавинно-пролітний діод (ЛПД, IMPATT-діод) – діод, заснований на основі лавинного множення носіїв заряду. Лавинно-пролітні діоди застосовуються в основному для генерації коливань у діапазоні СВЧ. Процеси, що відбуваються в напівпровідниковій структурі діода, ведуть до того, що активна складова повного комплексного опору на малому змінному сигналі в певному діапазоні частот негативна. На вольт-амперній-характеристиці лавинно-пролітного діода, на відміну від тунельного, відсутня ділянка з негативним диференціальним опором. Робочою для лавинно-пролітного діода є область лавинного пробою.

1. Будова та принцип роботи

Структура ЛПД Для виготовлення лавинно-пролітних діодів використовують кремній і арсенід галію. Такі

діоди можуть мати різні напівпровідникові структури: p +-nn +, p +-nin +,mnn + (mn - перехід металнапівпровідник), n та інші. Розподіл концентрацій домішок в переходах повинно бути якомога ближче до східчастого, а самі переходи - максимально плоскими.

Принцип роботи лавинно-пролітного діода розглянемо на прикладі p +-nn + структури. Центральна слаболегірованная n-область називається базою.

При напрузі, близькій до пробивної, збіднений шар p +- n- переходу поширюється на всю базу. При цьому напруженість електричного поля зростає від n-n + -переходу до p + -n-переходу, поблизу якого можна виділити тонку область, в якому напруженість перевищує пробивне значення, і відбувається лавинне розмноження носіїв. Утворені при цьому дірки втягуються полем в p + - область, а електрони дрейфують до n +-області. Ця область називається шаром лавинного розмноження. За його межами додаткових електронів не виникає. Таким чином, шар лавинного розмноження є постачальником електронів.