215

13.5.Предельные параметры генераторов Ганна

Внастоящее время известно около 400 типов промышленных и экспериментальных диодов Ганна, которые нашли применение в твердотельных СВЧ-устройствах различного назначения. На их основе со-

мящие входные усилители. Основные достижения, определяющие современный технический уровень развития этих диодов, характеризуются следующими данными.

Частота и мощность. Диоды Ганна созданы для частот 1–94 ГГц. В непрерывном режиме их максимальная выходная мощность составляет около 2 Вт на частотах до 10 ГГц, около 0,5 Вт на частотах до 20 ГГц, приблизительно 100 мВт на частотах выше 30 ГГц и приблизительно 1 мВт на частоте 150 ГГц. Диоды Ганна импульсного режима работают на частотах 1,75 – 64 ГГц. Наибольшая выходная мощность в импульсе получена на частоте 1,75 ГГц. Она составляет 6 кВт при КПД 10%. На частотах до 10 ГГц импульсная мощность составляет около 2 кВт, 200 Вт на частоте 20 ГГц и несколько сотен милливатт на частотах до 64 ГГц. Достигнутые в настоящее время на импульсных диодах выходные мощности еще далеки от теоретического предела, который, по мнению зарубежных специалистов, оценивается в 10 кВт на частотах ~ 120 ГГц.

На рис.13.8 приведены для примера корпуса диодов Ганна, рассчитанных на 12 – 18 ГГц (а), и 140 – 150 ГГц (б), соответственно.

Выходная мощность диодов Ганна, как и ЛПД, существенно зависит от теплового режима их работы. Но, по мнению специалистов фирмы Hitachi применение алмазного теплоотвода, теплопроводность которого в 3 раза больше медного, может обеспечить двукратное увеличение выходной мощности диода. Выходную мощность генераторов на диодах Ганна можно повысить также в результате параллельного и последовательного включения нескольких диодов. При параллельном включении диодов хотя и не достигается арифметического сложения мощностей каждого из них, однако общая выходная мощность может быть существенно повышена. Так, например, при параллельном включении четырех диодов с выходной мощностью 0,6 – 0,9 Вт на частоте 12,4 – 13 ГГц суммарная мощность на частоте 12,8 ГГц составила 2,1 Вт.

На основе диодов Ганна в настоящее время в нашей стране и за рубежом выпускаются более 250 типов генераторов для частот 0,3 – 300 ГГц. Большинство из них выпускаются серийно для диапазона частот 3 – 65 ГГц. В частности, отечественное предприятие «ОРИОН» (Киев) начало работы по созданию и

217

ла. Поэтому меры, принимаемые для повышения мощности за счет улучшения теплоотвода, обеспечивают одновременно и некоторое повышение КПД (см.

рис.13.9).

Промышленные типы генераторов на диодах Ганна по механической прочности, вибростойкости и климатической устойчивости отвечают жестким эксплуатационным требованиям наземной и бортовой аппаратуры. Среднее время их безотказной работы при качественном изготовлении достигает 100 тыс. часов и более.

Внешний вид генераторов и усилителей СВЧ диапазона производства НИИ полупроводниковых приборов (г. Томск) приведен на рис.13.10.

Шумы. Генераторы на диодах Ганна имеют очень малые амплитудные (АМ) и частотные (ЧМ) шумы и являются весьма перспективными приборами для создания гетеродинов и генераторов накачки. По уровню AM и ЧМ шумов они не уступают многим отражательным клистронам. У некоторых серийно выпускаемых генераторов AM шум при работе с двумя боковыми полосами ниже уровня несущей на 140 дБ в полосе 100 ГГц и при сдвиге от несущей на 5 кГц.

ЧМ шумы в значительной степени зависят от добротности используемых резонаторов. Например, для генераторов на 10 ГГц, разработанных фирмой General Electric, при добротности резонатора 100 и сдвиге от несущей на 10 кГц в полосе 70 Гц ЧМ шум составляет 40 дБ. При добротности 1000 этот шум становится на 30 дБ меньше и равен 70 дБ, что сравнимо с шумами отражательных клистронов, работающих в этом же диапазоне. Фирмой Plessey разработаны генераторы на частоты 12 – 18 ГГц, ЧМ шум которых характеризуется девиацией частоты 6 Гц в полосе 70 Гц и при сдвиге от несущей на 10 кГц, что также можно сравнить с шумами клистронов.

13.6. Способы повышения эффективности и верхнего частотного предела генераторов Ганна

В настоящее время в арсенале разработчиков устройств на основе диодов Ганна имеется ряд перспективных способов, позволяющих добиться увеличения верхнего частотного предела их работы. К ним относятся: накачка активного элемента на второй гармонике; сочетание междолинного переноса электронов с модуляцией проводимости активной области прибора; применение инжектирующего катодного контакта; использование новых полупроводниковых материалов с междолинным переносом электронов, обладающих более высокой подвижностью носителей заряда.

Инерционность разогрева и охлаждения электронов не позволяет реализовать в миллиметровом диапазоне режим ОНОЗ (он ограничен, как оказалось, частотой порядка 40 ГГц), следовательно, наиболее высокочастотными оказываются пролетные режимы и, соответственно, диоды с предельно малой (субмикронной) длиной активной области. Свойства коротких диодов в значительной степени определяются условиями разогрева электронов, которые можно

218

целенаправленно изменять, формирую встроенные электрические поля путем изменения профиля легирования диодов. Большие возможности здесь открывают структуры с так называемым двухзонным катодом. Двухзонный катод, благодаря области с повышенной концентрацией примесей за «выемкой легирования» (или «зарубкой»), ограничивает продольный размер области сильного поля, достаточной для разогрева электронов до энергии междолинного перехода. В результате увеличивается амплитуда волн пространственного заряда и, соответственно, амплитуда токовых колебаний, что ведет к увеличению КПД.

Большие перспективы имеет свойственный коротким образцам так называемый «баллистический» режим работы, когда электроны набирают энергию практически без столкновений с акустическими и оптическими фононами. При этом их скорость может значительно превысить обычную максимальную дрейфовую скорость («всплеск» скорости) и рабочий ток значительно возрастает.

Инжекция горячих электронов через катодный контакт, вследствие сведения к минимуму внутридолинных времен разогрева электронов, позволяет реализовать более высокочастотный режим колебаний. Для этого необходимо создать в области полупроводника на границе с металлом узкий (150 – 200 Å) потенциальный барьер. Тогда при приложении сильного электрического поля катод будет автоматически инжектировать электроны в те состояния, которых они достигли бы (из-за наличия «мертвой» зоны) где-то в объеме полупроводника, причем без временных и пространственных потерь.

В случае воздействия на диод Ганна электрического напряжения сложной формы (например, при установке образца в многоконтурный резонатор) возможно увеличение КПД во всем диапазоне и увеличение частотного предела работы диодов Ганна. В частности, исследована работа диода при напряженности электрического поля, содержащей первую и вторую гармоники с определенным соотношением амплитуд k = E1/Е2 (где E1, E2 – амплитуды первой и второй гармоник соответственно) и сдвигом фаз между гармониками:

E(t) = E0 + E1(cosωt + k −1 cos2ωt) . Установлено оптимальное соотношение ам-

плитуд – k = 3. При наличии второй гармоники частотный предел возрастает на 30%, а КПД генераторов удается повысить в 1,5 раза. Физическое обоснование этого эффекта состоит в том, что такой сигнал удерживает напряжение на диоде ниже порогового дольше, чем синусоидальный. Поэтому концентрация электронов в центральной долине в процессе каждого цикла восстанавливается полнее. Импульс большого тока через диод занимает большую часть периода колебаний и сдвиг по фазе этого импульса меньше влияет на снижение КПД. В итоге это и приводит к увеличению амплитуды переменной составляющей дрейфовой скорости или тока и к увеличению частотного предела.

Кроме широко известного и успешно применяемого для изготовления диодов арсенида галлия существует ряд других соединений, в которых эффект междолинного переноса электронов наблюдался экспериментально или может наблюдаться. В прошедшем десятилетии была доказана перспективность фосфида индия, определены его основные параметры и свойства.

220

Применимость данной модели к планарным ганновским диодам была подтверждена экспериментально [19]. Измерения проводились в 4-х миллиметровом диапазоне волн. Значения времен релаксации импульса и энергии горячих электронов определяются из комплексной СВЧ проводимости полупроводникового слоя с помощью специального алгоритма для ЭВМ, основанного на методах численного анализа. Полученные экспериментальные данные показаны на рис.3.11.

Установлено, что при полях около 18

возбуждения носителей тока. Поэтому было проведено исследование влияния лазерного излучения с длиной волны 3,39; 1,15 и 0,39 мкм на ход полевой зависимости τε(Е) [19].

Наибольшее влияние на τε оказывает излучение с длиной волны 0,89 мкм, соответствующей собственному поглощению в арсениде галлия. При этом уда-

ется уменьшить время релаксации энергии электронов на величину Δτ = 0,6 10– 13 с (рис.3.11), что соответствует повышению предельной частоты примерно на 15 ГГц. Объясняется это вкладом в рост концентрации свободных электронов, который создают новые электронно-дырочные пары, генерируемые при фотовозбуждении, а также возрастающей в сильных полях ролью глубоких многозарядных примесных центров. С одной стороны, с этих центров могут освобождаться дополнительные электроны, увеличивая концентрацию свободных электронов. С другой стороны, на эти центры, заряженные отрицательно, будут захватываться дырки. Нейтрализация заряженных центров приводит к увеличению подвижности электронов. Все эти процессы способствуют ускорению отвода энергии из системы горячих электронов в решетку.

Контрольные вопросы

1.Какой процесс называют междолинным переходом?

2.В чем преимущества диодов Ганна по сравнению с полупроводниковыми приборами с p-n-переходом?

221

3. В чем особенность энергетической диаграммы, например, арсенида гал-

лия?

4.Что такое домен, какую структуру он имеет?

5.Каковы условия возникновения отрицательной проводимости и формирования домена?

6.В чем состоит критерий Кремера?

7.В чем суть пролетного режима работы диода Ганна?

8.В чем суть режима с запаздыванием формирования домена?

9.В чем суть режима с подавлением домена?

10.В чем суть гибридного режима работы диода Ганна?

11.В чем суть режима ограниченного накопления объемного заряда?

12.Какими основными параметрами характеризуются диоды Ганна?

13.Каковы перспективы повышения эффективности и верхнего частотного предела ганновских генераторов?