2.13. Список використаної та рекомендованої літератури

Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика.Μ., 1971.

Лебедев И.В. Техника и прибори СВЧ: В 2 т. М., 1972. Т. Конструкция СВЧ устройств и экранов / Под ред. А.М. Чернушенко. Μ., 1990.

Лабораторна робота № З

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ГЕНЕРАТОРА НВЧ

НА ОСНОВІ ДІОДА ГАННА

Мета роботи – вивчення принципу дії та конструкції напівпровідникового генератора сантиметрового діапазону хвиль на діоді Ганна, а також експериментальні дослідження його основних характеристик.

3.1. Загальні відомості

Одна з найактуальніших задач техніки НВЧ – створення надійної та економічної малогабаритної апаратури – вирішується мініатюризацією активних приладів i коливальних систем, застосуванням напівпровідників i створенням iнтегральних схем. Напівпровідникові генераторні діоди, які з’явились в кінці 60-х років, склали серйозну конкуренцію транзисторам завдяки успіхам в галузі технології. Зараз існує окремий клас електронних приладів – генераторні напівпровідникові діоди НВЧ, які мають серйозні переваги стосовно верхньої межі частоти генерації, вихідної потужності на частотах вище 5 ГГц, технологічності та масогабаритних показників.

До напівпровідникових генераторних діодів НВЧ, або діодів з негативним опором, належать лавинно-пролітні діоди (ЛПД), діоди Ганна або діоди з міждолинним переносом електронів (МПД) та інжекційно-пролітні(ІПД).

Діоди з негативним опором працюють у діапазоні частот 0,1...340 ГГц, забезпечуючи потужність від 6...8 Вт в сантиметровому діапазоні при безперервному режимі до кількох кіловат у дециметровому діапазоні при імпульсному режимі.

На цей час накопичено досвід застосування діодних генераторів(ДГ) у приймально-передавальних модулях, активних фазових антенних гратках (АФАГ), радіомаяках, генераторах накачки параметричних підсилювачів, зв'язкових і телеметричних передавачах, когерентних РЛС малої потужності, вимірювальній техніці.

Діод Ганна – кристал однорідного напівпровідника, найчастіше – арсенід галія (Ga As) n-типу, розташований між двома омічними контактами. Часто діоди Ганна називають напівпрйвідниковими приладами з об'ємною нестійкістю або з міждолинним переносом.

Зупинимось на властивостях напівпровідників, які застосовуються на НВЧ, конкретно на арсеніді галію, для якого вперше була обгрунтована можливість одержання негативної диференціальної рухомості.

У техніці НВЧ найпоширенішими є такі напівпровідники, як кремній, германій, арсенід галію та антимонід індію. Ці сполуки мають структуру алмазу і кубічну симетрію.

Відомо, що в напіпровідниках і твердих кристалічних тілах електрони в атомах займають дискретні енергетичні рівні. У результаті взаємодії атомів рівні формуються в зони, які складаються з дуже близько розміщених атомів. Електрофізичні властивості напівпровідника суттєво залежать від ширини зони та її заповнення. Зона провідності відділена від верхньої заповненої зони енергетичною щілиною Е_g, яка називається забороненою зоною. У широкозонних напівпровідниках – германій, кремній та арсенід галію – ці зони відповідно дорівнюють 0,66; 1,12; 1,42 еВ.

Антимонід індію належить до вузькозонних напівпровідників (ширина забороненої зони 0,23 еВ).

У зоні провідності електрони дещо рухоміші, ніж дірки у валентній зоні. Їх взаємодія з ґратками кристалу приводить до того, що вони досить швидко віддають свою надлишкову кінетичну енергію, опускаючись на дно зони провідності.

У будь-якій точці зони провідності швидкість електрона і (або дірки у валентній зоні) визначається, виходячи із кванта механічних положень атомної фізики. Зміст ефективної маси елі трона (дірки) має величина:

,

де h – стала Планка (h = 1,054·10 ^-34 Дж·с);

ε – енергія;

k – 2п/λ;

λ – дебройлївська довжина хвилі, яка залежить від маси та швидкості частинки, λ = h/mV.

У кристалах напівпровідників можуть існувати електрони і хвильовою функцією (Ψ ~ e^{і( )}) тільки певних частот. Це визначається періодичністю електричного потенціалу граток, атоми яких розміщені на відстані й у паралельних площинах. Сталі ґраток ( ) германію, кремнію та арсеніду галію дорівнюють відповідно 5,657 А; 5,430 А; 5,653 А. Якщо відстань а дорівнює половині довжини хвилі, електронна хвиля, що описує ся хвильовою функцією Ψ, відбивається від указаних площин, складається синфазно і поширюватись не може. Тому при довжині хвилі A_m = 2a, що задовольняє співвідношення:

електронна хвиля переносити енергію не може.

Смуги частот, на яких можливе поширення електронної хвилі, називаються зонами. Зона хвильових векторів , яка обмежує простір частот, що поширюються, називається першою зоною Бриллюена. Для цієї зони дисперсійна залежність W( ) є періодичною функцією з періодом 21T/k_m.

Рис. 3.1 Структура енергетичних зон арсеніду галію

Тривимірний простір, в якому будуються енергетичні поверхні h_w(k), називається k-простором. Мінімуми в k-просторі називаються долинами.

Перехід електронів з основного мінімуму зони провідності з відносно великого рухомістю в побічні високі енергетичні мінімуми з меншими рухомостями називається ефектом міждолинного переходу електронів. Для того, щоб зрозуміти, як цей ефект приводить до появи негативного диференціального питомого опору, розглянемо залежності енергії від хвильового вектора k (рис. 3.1). З рисунка видно, що зона провідності складається з кількох підзон. Дно зони провідності відповідає точці k = 0, Перша, більш високоенергетична підзона, розміщена в напрямку /IІI/(L), а наступна – вздовж ocі /І00/(X). Величина енергетичного зазору між мінімумами зони провідності арсеніду галію ΔΕ = 0,31 еВ. Послідовність підзон в арсеніді галію – Γ – L – X.

Наближене співвідношення між дрейфовою швидкістю і напруженістю електричного поля одержимо, спираючись на припущення про рівність електронних температур Т_е у нижній та верхній долинах. Введемо такі позначення: m₁* i m₂* – ефективні маси, μ₁ і μ₂ – рухомості, n₁ i n₂ – концентрація електронів у нижній та верхній долинах відповідно. Повна концентрація носіїв заряду – n = n₁ + n₂.

Відношення заселеності верхньої та нижньої долин, розділених енергетичним зазором ΔΕ, таке:

,

де k₁ – стала Больцмана;

k₁*T_е – л теплова енергія;

R – відно-швння щільності станів.

Величина R визначається за формулою:

,

де М₁ і М₂ – число верхніх і нижніх долин відповідно. Використовуючи значення ефективних мас електронів у арсеніді галію m₁* = 0,067 Μе і m₂* = = 0,55 Me, одержимо R = 94.

Оскільки електричне поле прискорює електрони і збільшує їхню кінетичну енергію, електронна температура Т_е перевищує температуру граток Τ. У цьому випадку електрони назяваються гарячими.

Використовуючи наведений нижче вираз, можна розрахувати залежиість Т_е від напруженості електричного поля при заданій ве-личині Τ :

, (3.1)

де q – заряд електрона;

Т_о – час релаксації енергії (припускається таким, що дорівнює 10^-12с);

Ε – напруженість електричного поля.

Співвідношення між дрейфовою швидкістю і полем має вигляд:

. (3.2)

Типові залежності V від Ε, розраховані за допомогою виразів (3.1) і (3.2) при трьох температурах граток наведено на рис. 3.2 (суцільні лінії). Заселеність верхньої долини як функція напруженості електричного поля показано штриховою кривою.

Рис. 3.2. Залежності дрейфової швидкості від напруженості електричного поля в Gа As при трьох температурах ґраток

З рис. 3.1 і 3.2, а також з наведених вище рівнянь видно, що в слабких електричних полях електрони перебувають у рівновазі (див. рис. 3.1) і знаходяться в нижній долині. Із збільшенням напруженості поля дрейфова швидкість швидко зростає і визначається звичайною рухомістю (μ = μ₁; m = = m₁* ). Коли енергія електронів досягає певної величини, при деякому полі Ε_n*, яке називається пороговим, відбувається їх iнтенсивний перехід у верхню долину, в якій ефективна маса більша за (m*₂ > m*₁). Порогова величина напруженості електричного поля Ε_n, що визначає початок ділянки негативного диференціального опору, дорівнює ~3,2 кВ/см для Ga As і 10,5 кВ/см – для ІnР. Максимальна величина дрейфової швидкості 2,2·10⁷ см/с – для надчистих кристалів арсеніду галію і 2,5·10⁷ см/с – для фосфіду індію, а час міждолинного переходу τ = 2·10^-12. Більшій ефективний масі відповідає більша щільність станів. Тому при Е > Е_п значна кількість електронів виявляється у верхній долині, а швидкість їх спадає. Для простоти вважатимемо, що при Ε > Ε_n електрони виявляються у верхній долині. Згідно з цими міркуваннями залежність швидкості від поля (рис. 3.3) при слабких електричних полях Е < Е_n буде подано ділянкою кривої, що збігається із штриховою лінією 1, а при великих напруженостях Ε > Е_n – із штриховою лінією 2. Поблизу порогового поля Е = Е_n залежно від напруженості поля повинен відбуватися перехід від прямої 1, що відповідає рухомості μ₁, до прямої 2, що відповідає рухомості μ₂. Цей перехід залежно від V(E) має від'ємну похідну. Ocкільки струм пропорційний швидкості частинок, а напруга U і прикладена до зразка, – електричному полю Ε, то такий самий N – подібний вигляд матиме і статистична вольт-амперна характеристика, на якій спостерігається ділянка з негативною диференціальною провідністю (опором).

Рис. 3.3. Зміна густини струму

Подібні вольт-амперні характеристики є і в інших напівпровідниках (фосфіді індію, телуриді, кадмії і т.д.). Найперспективніший з цих матеріалів – фосфід індію. Особливості побудови зони провідності цього матеріалу дозволяють сподіватись на одержання більш високих значень вихідної потужності внаслідок більш високих значень порогових полів міждолинного переходу Е_n = 10,5 кВ/см. Енергетична щілина у фосфіді індію Δ = 0,53 еВ (розміщена, як і в арсеніді галію), рухомість в долинах – такого ж порядку, як і в арсеніді галію.

Наявність падаючої ділянки на вольт-амперній характеристиці зразка напівпровідника є необхідною, але недостатньою умовою для виникнення в ньому коливань НВЧ. Поява таких коливань означае, що в зразку з'являеться нестійкість хвильових збуджень. Але умови для такої нестійкості залежать також від параметрів напівпровідникового зразка: концентрації носіїв, швидкості їх дрейфу, довжини зразка та ін.

Процес виникнення коливань НВЧ у діоді Ганна полягає в такому. Нехай до діода прикладено таку напругу, що напруженість поля в ньому близька до критичної, але не досягає її. Через неоднорідність матеріалу в діоді завжди є області, які мають підвищений опір. Падіння напруги в цій області буде більшим, ніж на інших ділянках, внаслідок чого напруженість поля в ній може перевищити критичне значення. Ефективна маса електронів у цій області зростає, а їх рухомість μ₂ і швидкість V знижуються, через що виникає домен – тонкий шар негативного об'ємного заряду, який рухається від катода до анода і має більший електричний опір порівняно з іншою частиною діода. Тому напруженість поля в іншій частині діода зменшується, що, в свою чергу, перешкоджус створенню в ній нових доменів. Електрони, що знаходяться поза доменом, мають більшу швидкість і тому більш близькі до анода,віддаляються від домена, а ті, що знаходяться між катодом і доменом, – наздоганяють їх, збільшуючи концентрацію заряду в ньому. Досягнувши анода, домен зникає, і в діоді створюються умови, необхідні для утворення нового домена. Необхідністю, при якій формуються домени, звичайно служить катод-контакт Ga As з металевим виводом, до якого підключений мінус джерела живлення. Домен, який утворюється поблизу домена, зразу ж зникає.

Рух домена в діоді викликає появу імпульсу наведеного струму в зовнішньому колі. Пролітна частота появи доменів, які віддають енергію в гальмівні півперіоди змінного поля при підключенні діода Ганна до коливальної системи, визначатиме частоту генерованих коливань. Цю частоту можна наближено визначити за формулою:

де L – довжина пролітної зони, мкм;

f – частота, що генерується, ГГц.

Процеси виникнення домена та його пересування під дією змінного та постійного полів проходять по-різному, залежно від амплітуди поля і співвідношення періоду НВЧ коливань, часу прольоту носіїв через активну область кристалу та часу формування і домена. У зв'язку з цим розрізняють декілька режимів роботи генераторів на діодах Ганна.

Пролітний режим характеризується рівністю періоду генерованих коливань Τ, часу прольоту доменів τ і реалізується при розміщенні діода в низькодобротний резонатор. У цьому випадку амплітуда НВЧ поля, значно менша, ніж напруга живлення, не впливав на утворення та дрейф домена. Частота генерованих коливань визначається лише довжиною діода та напругою живлення. У цьому режимі ККД генератора малий.

Режими з придушенням або затримкою доменів реалізуються при поміщенні діода у високодобротний резонатор, коли амплітуда НВЧ коливань сумірна з напругою живлення. Тому протягом частини періоду напруга на діоді стає меншою, ніж критична. Якщо період коливань менший за час прольоту домена через діод (Τ < τ), то при негативній півхвилі поля НВЧ зниження напруги домен досягає анода. Домен при цьому придушується, віддає енергію, а наступний виникає, коли напруга позитивної півхвилі перевищить критичне значення. У режимі із затримкою домена (Τ > > τ) протягом позитивного півперіоду домен встигає пройти весь діод, віддаючи енергію полю НВЧ. Однак зародження нового домена затримуватиметься доти, доки повна напруга на діоді залишатиметься нижчою за критичну. Використання високодобротного резонатора дозволяє підвищити стабільність частоти коливань і частоти спектру при цих режимах.

У режимі обмеженого накопичення об’емного заряду (OHOЗ) передбачено роботу діода Ганна за умови, що домен не встигає сформуватися. Для одержання цього режиму до діода, що розташований у високодобротному резонаторі, підводиться постійна напруга, більша за критичну, І коливальна система настроюється на частоту, в багато разів більшу за пролітну. У встановленому режимі амплітуда НВЧ коливань така, що протягом деякої частини негативного півперіоду τ, напруга на діоді стає меншою за критичну. В останню частину періоду Τ – τ₁ домен не встигає повністю сформуватися, хоча напруга i перевищує критичне значення. У результаті цього вздовж кристалу одночасно дрейфують десятки слабких доменів, частота слідування яких визначається настройкою резонатора. Довжина кристалу для роботи в режимі OHOЗ може бути в десятки-сотні разів більшою, ніж у випадку пролітного режиму. У зв'язку з цим напруга живлення, опір діода та ККД збільішуються. Максимально можлива частота коливань у режимі OHOЗ обмежується часом міждолинного переходу. У цьому режимі пристрої з діодами Ганна можуть працювати на частотах до кількох сотен гігагерц і перестроюватись у широкій смузі частот. Потужність генераторів у режимі OHOЗ складає одиниці ват у безперервному режимі при ККД 15...20% і одиниці кіловат – в імпульсному режимі.

Діоди Ганна можуть працювати також і в гібридних режимах, які займають проміжне положення між режимом OHOЗ і доменними режимами. Вони не такі чутливі до змін навантаження і параметрів схеми, як режим OHOЗ, і тому знаходять широке застосування на практиці.

Основні вимоги до електромагнітних кіл генератора на діоді Ганна (ГДГ) зводяться до забезпечення заданих робочої частоти і режиму роботи, стійкості та максимального контурного ККД. Часто і задаються додаткові вимоги щодо радіаційної стійкості, рівня шумів, екранування, відводу тепла тощо.

Задана робоча частота і режим роботи забезпечуються певним і вхідним опором зовнішнього кола, активна і реактивна складові якого повинні задовольняти співвідношення:

де Z_к – повний опір зовнішнього кола;

Z_v – повний опір діода на першій гармоніці.

З цього рівняння випливають рівняння балансу амплітуд і балансу фаз вільного автогенератора:

,

Реалізація зазначених співвідношень потребує підключення таких необхідних елементів конструкції, як резонатор, зв'язаний з діодом і навантаженням, пристрій зв'язку діода з резонатором, НВЧ трансформатора опорів, коло живлення діода з фільтром иижніх частот.

Рис. 3.4. Еквівалентна схема діода Ганна

При інженерному проектуванні в межах одного режиму звичайно використовують спрощену модель діода у вигляді еквівалентної схем зображеної на рис. 3.4, де діодний проміжок подано паралельним з'єднанням нелінійної ємності С(U), яка відображає процес накопичення заряду і нелінійною негативною провідністю q(U), для яких вольт-амперна і вольт-фарадна характеристики визначені усередненням результат розрахунку на ЕОМ і апроксимацією цих характеристик. Повна еквівалентна схема діода Ганна враховує і параметри патрона L_пT, C_пT. Задана робоча частота і режим роботи генератора забезпечуються певним повним вхідним опором зовнішнього кола, який задовольняє умови балансу амплітуд і фаз. Для цього використовують резонатор, утворений відрізком лінії передачі певної довжини, зв'язаної з діодом і навантаженням. Узагальнену структурну схему діодного генератора показано на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Узагальнена структурна схема електромагнiтного кола дiодного генератора

Конструктивне виконання генераторів визначається вибраним типом лінії передачі. Коливальні системи діодних генераторів можуть бути виготовлені на прямокутних хвилеводах, коаксіальних і смужкових лініях передачі. Існують також комбіновані хвилеводно-коаксіальні конструкції.

Хвилеводна конструкція (рис. 3.6) характеризується малими втратами, зручна при використанні в багатодіодних генераторах, порівняно проста у виготовленні. Діод і встановлюється в середині широкої стінки прямокутного хвилеводу 2 за допомогою циліндричного штиря-тримача 3, який одночасно проводить струм і забезпечує відведення тепла, Зв'язок з навантаженням здійснюється через ідуктивну або ємнісну діафрагму 4, розміщену на відстані ℓ_н від діода. Настроювання по частоті здійснюється за допомогою діелектричного штиря 5, який вводиться в порожнину короткозамкнутого хвилеводу довжиною ℓ_p. Напруга живлення підводиться через штир-тримач, ізольований від корпуса блокуючою ємністю 6.

Рис. 3.6. Хвилеводна конструкція генератора на діоді Ганна