Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Реферат'
Современные технологии. Основы нанотехнологий и применения наносистем. Новый уровень развития и перспективы нанотехнологий в разных отраслях стройинд...полностью>>
'Тематическое планирование'
Художественная культура Древнего Египта (9) Урок 1. «Вечные стражи Египта». Пирамиды Древнего Египта. Урок . «Каменный архив». Храмы Древнего Египта....полностью>>
'Справочник'
В статье систематизирована информация об основных командах в Linux. Приведенные команды будут одинаково верно работать во многих дистрибутивах, таких ...полностью>>
'Документ'
Настоящим приглашаются к участию в открытом аукционе в электронной форме (далее аукцион), полная информация о котором указана в Информационной карте ...полностью>>

Главная > Лабораторная работа

Сохрани ссылку в одной из сетей:

Лабораторная работа № 7

ДИОД ГАННА

Цель работы: изучить физический принцип действия, устройство и

характеристики диода Ганна и диодного генератора

на его основе.

Задание:

занести в рабочую тетрадь:

- название и цель лабораторной работы;

-основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы.

I ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Диод Ганна ­ это полупроводниковый прибор без p-n-перехода, преобразующий энергию источника питания постоянного напряжения в энергии сверхвысокочастотных колебаний в результате возникновения в полупроводнике домена сильного поля.

В 1963г., исследуя свойства полупроводниковых соединений в сильных электрических полях, Дж. Ганн обнаружил явление спонтанного возникновения колебаний электрического поля в однородных образцах арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP) при напряженности поля больше некоторого порогового значения. По имени автора открытия это явление стали называть эффектом Ганна, а созданные на его основе источники СВЧ колебаний – генераторами на диодах Ганна или просто генераторами Ганна.

Открытие Дж. Ганна завершило этап длительного периода усилий исследователей по отысканию явлений в твёрдом теле, обеспечивающих объёмную

отрицательную проводимость.

В отличие от туннельных, лавинно - пролётных и других диодов, свойства которых определяются процессами в p-n-переходах, свойства диодов Ганна характеризуются явлениями, возникающими в объёме полупроводника с электронной проводимостью.

Аномальная зависимость скорости электронов от напряженность электрического поля в некоторых полупроводниковых соединениях используется для усиления и генерации колебаний СВЧ – диапазона.

Потребность в подобных источниках СВЧ колебаний, обладающих малыми габаритами и массой, повышенной надежностью, сравнительно простой конструкцией, предъявляющих в большинстве случаев пониженные требования к источникам питания, в современной радиоэлектронике весьма велика.

2 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

2.1 Материал и структура диода Ганна

Диод Ганна (ДГ) представляет собой однородный кристалл полупроводникового материала, на основе элементов III-V групп таблицы Менделеева. К таким полупроводниковым материалам относится GaAs, InSb, InAs, ZnSe и CdTe. Однако, наиболее характерным для диодов Ганна и наиболее исследованным является GaAs. На рисунке 1 представлена структура диода Ганна. Площадь торцов кристалла S = 100100мкм2, длина d = 5 – 100мкм. На торцы кристалла нанесены металлические контакты.

Рисунок 1 – Структура диода Ганна

2.2 Возникновение отрицательной дифференциальной проводимости.

Арсенид галлия относится к так называемым двухдолинным полупроводникам. На рисунке 2 показана структура зоны проводимости арсенида галлия.

Рисунок 2 – Структура зоны проводимости арсенида галлия

Волновое число k отложено в единицах  /, где α постоянная кристаллической решётки в выбранном направлении. Зависимость энергии W от k в зоне проводимости имеет два минимума, соответствующих нижней и верхней долинам. Разность энергии между ними W = 0,36эВ.

В нормальных температурных условиях (T = 300K) при отсутствии внешнего напряжения почти все электроны, имеющие энергию теплового движения 0,025эВ, занимают низшее энергетическое положение – дно нижней долины. При этом их эффективная масса составляет 0,067 массы свободного электрона, т.е. электроны в нижней долине являются «лёгкими». Это обеспечивает им высокую подвижность [1 = 8000 – 3000см (Вс)-1]. Плотность тока через образец в условиях малых напряженностей электрических полей Е можно выразить следующим соотношением (участок ОА рисунка 3).

j = eN,

где N- концентрация электронов в нижней долине.

Рисунок 3 – Зависимость плотности тока проводимости от напряжённости поля

При достаточно сильном электрическом поле часть электронов приобретает энергию, сравнимую с энергией междолинного перехода W, и переходит из нижней в верхнюю долину. Здесь их эффективная масса m2 составляет приблизительно 0,35 массы свободного электрона, т.е. электроны в верхней долине «тяжёлые» и их подвижность уменьшается до 2 = 100 – 200см (Вс), а концентрация становится N2.

Большая разница в подвижности электронов для верхней и нижней долин приводит к тому, что начиная с некоторого значения критического поля Епор средняя дрейфовая скорость электронов в однородном образце начинает уменьшаться с ростом электрического поля. При этом плотность тока в образце на участке АВ (рисунок 3) будет

j = e (N1+N2) E. (1)

Наконец, при очень больших полях (Е=Е v ) все электроны перейдут в верхнюю долину и плотность тока через образец (участок ВС рисунка 3) станет

j = eN2E, (2)

где N – общая концентрация электронов в зоне проводимости.

Таким образом, при напряженности поля выше порогового значения Епор вольт-амперная характеристика (ВАХ) ДГ имеет падающий участок (рисунок 4), на котором дифференциальная проводимость ДГ отрицательна

Gдг = j / E  0. (3)

Рисунок 4 – Вольт-ампеная характеристика ДГ

Отметим, что за счёт взаимодействия электронов с кристаллической решеткой полупроводника скорость электронов не превышает ~ 107 см / с, т.е. имеет место явление « насыщения » при больших напряжённостях поля, и ток достигает некоторого постоянного значения – i нас.

2.3 Образование домена сильного поля

В области отрицательной дифференциальной проводимости равномерное распределение заряда и поля в объёме полупроводника неустойчиво, и в нём могут возникнуть образования, называемые доменами. Их появление можно качественно пояснить следующим образом.

Приложенное внешнее поле согласно закону Кирхгофа распределяется по образцу полупроводника пропорционально сопротивлению его отдельных участков, поэтому при повышении напряжения пороговая напряженность поля достигается в области какой-то неоднородности, где имеется повышенное сопротивление полупроводника. Здесь возникает повышение концентрации «тяжёлых» и уменьшение «лёгких» электронов (рисунок 5).

Средняя скорость электронов станет убывать, что приводит к дальнейшему увеличению кажущегося сопротивления участка и повышения напряженности поля в нём.

Рисунок 5 – Идеализированный профиль легирования ДГ (а) и начальное распределение напряжённости электрического поля (б)

Одновременно поскольку общее напряжение, приложенное к пластинке полупроводника, постоянно, поле по обе стороны от данного участка будет убывать. Возникающий сгусток « тяжёлых» электронов будет под действием поля перемещается слева направо. Его будут догонять движущиеся позади «лёгкие» электроны, а «лёгкие» электроны, двигающиеся впереди, наоборот будут уходить от него. В результате возникает движущееся образование в виде сгустка электронов, перед которым создаётся область с их пониженной концентрацией, его называют доменом сильного поля (рисунок 6).

Благодаря нарастанию поля внутри сгустка его скорость увеличивается до состояния насыщения, а благодаря уменьшению поля вне его, скорости «легких» электронов уменьшаются и происходит их выравнивание, после чего домен движется с постоянной скоростью до исчезновения на аноде.

Описанный выше процесс формирования домена происходит за очень малое время ф. Сформировавшийся домен имеет форму размытого треугольника (рисунок 6,а) и состоит из слоя накопления заряда, в котором концентрация электронов N превышает общую концентрацию электронов в зоне проводимости N 0 в десятки раз, и слоя объединения, где NN0 (рисунок 6,б).

Рисунок 6 – Образование домена сильного поля

Следует отметить, что пока домен не исчезнет, поле в образце будет меньше порогового значения, и образование нового домена произойдёт только после исчезновения первого. Поэтому ток во внешней цепи будет представлять собой последовательность импульсов, разделённый временем пролёта

пр = d  υпр,

где d – длина пластины (рисунок 7);

υпр – скорость пролёта.

Рисунок 7 – Ток во внешней цепи ДГ

3 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДГ

Автогенератор на диоде Ганна (АДГ) образуется ДГ, включённым в резонатор с эквивалентным сопротивлением Zн и источником питания U0 (рисунок 8).

Рисунок 8 – Эквивалентная схема автогенератора на ДГ

Рисунок 9 – Диаграмма возможных режимов работы ДГ

Классификация возможных режимов работы ДГ в генераторе представлена на рисунке 9.

Доменными называют режимы ДГ, для которых характерно наличие сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Идеализированная динамическая ВАХ ДГ в доменных режимах дана на рисунке 10 сплошной линией (пунктир – статическая ВАХ ДГ). Наличию домена соответствует нижняя ветвь характеристики 1. При достижении напряжения гашения Uгаш домен рассасывается и рабочая точка диода переходит на восходящую ветвь характеристики 2. Изменяя сопротивление нагрузки (а значит амплитуду U 1) на «зажимах» отрицательной проводимости диода, можно получить три различных доменных режима ДГ.

Пролётный режим имеет место при малой нагрузке на диоде, амплитуда напряжения мала и не оказывает влияния на образование и движение доменов. В этом режиме частота колебаний равна fпр = 1 пр , импульсы тока имеют вид, представленный на рисунке 7. Практически этот режим не используется из-за малых значений КПД и fпр.

В прочих режимах работы ДГ частота колебаний задаётся внешним резонансным контуром.

Режим с задержкой образования домена возможен, если минимальное напряжение на диоде U 0 – Um оказывается меньше порогового значения, причём домен достигает анода в такой момент времени, когда мгновенное напряжение на диоде лежит между U2ош и Uпор и образование нового домена будет задержано до тех пор, пока U не сравняется с U пор.

Режим с гашением домена имеет место, когда в процессе движения домена к аноду мгновенное напряжение на ДГ становится меньше напряжения U2 ош, и домен быстро рассасывается. Импульсы тока в этом режиме показаны на рисунке 10, б.

Рисунок 10 – Режим работы ДГ

Режим ОНОЗ. В режиме ограничения накопления объёмного заряда (ОНОЗ) частота напряжения настолько велика, что напряжение на ДГ проходит область отрицательного наклона ВАХ за время, малое по сравнению с ф. При этом домен не успевает формироваться и динамическая ВАХ совпадает по форме с характеристикой υ др (E).

Гибридными режимами называются все режимы, промежуточные между ОНОЗ и доменными. В этих режимах время ф сравнимо с периодом колебаний, так что в течение части периода существует неравновесный пространственный заряд в образце. Эти режимы характерны для АДГ при f  8 – 10ГГц.

5 КОНСТРУКЦИЯ ДГ

Диоды Ганна изготовляются в нескольких конструктивных вариантах, которые сводятся к двум основным разновидностям: типа «сэндвич» и планарной.

Для защиты от воздействия окружающей среды кристалл ДГ помещают в стандартный металлокерамический диодный корпус. На частотах выше 30ГГц керамика заменяется кварцем, а сам корпус выполняется по возможности миниатюрным.

6 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ДГ

Упрощённая эквивалентная схема активного слоя ДГ приведена на рисунке 11,а, где диодный промежуток представлен параллельным соединениеми нелинейной емкости C (U), отражающей процесс накопления заряда, и нелинейной отрицательной проводимости – Gдг(U). Нелинейная ёмкость C (U) может быть представлена в виде «горячей» реактивности jB(U). С учётом параметров корпуса диода полная эквивалентная схема ДГ показана на рисунке 11,в. Здесь параллельное соединение активной и реактивной проводимости характеризует собственно кристалл GaAs в диапазоне рабочих частот, элементы C k , Lk , r k – корпус диода.

а) б)

а – упрощенная схема активного слоя; б – полная эквивалентная схема

Рисунок 11 – Эквивалентная схема ДГ

Параметры эквивалентной схемы зависят от частоты, питающего напряжения и амплитуды колебаний.

7 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА АДГ

Эквивалентная схема АДГ включает три основных звена: активный прибор, корпус диода и внешнюю цепь. Эквивалентная схема ДГ показана на рисунке 12 (обведена пунктиром).

Рисунок 12 – Схема включения ДГ в резонатор

Влияние напряжения питания U0 на величину реактивной проводимости диода ВДГ даёт возможность производить перестройку частоты генерации АДГ изменением смещения на диоде. Одновременно зависимость Bдг от U0 приводит к вариации мощности генерации (в пределах допустимых значений U0).

ДГ – весьма широкополосный активный прибор, имеющий отрицательную проводимость в полосе частот порядка октавы и более, так что в полосу частот эффективной работы ДГ попадает, как правило, несколько резонансов колебательной системы. В этих условиях внешнюю цепь АДГ представляют обобщенно в виде множества соединённых параллельно колебательных контуров (рисунок 13), где сопротивление нагрузки включено в ri каждого контура.

Рисунок 13 – Эквивалентная схема внешней цепи с включенным ДГ

В генераторе устанавливается частота f, на которой потери в схеме минимальны, и для неё эквивалентная схема принимает вид, представленный на рисунке 14, в которой отрицательная проводимость диода Gдг будет равна положительной проводимости внешней цепи g д .

Рисунок 14 – Схема включения ДГ в резонатор

8 ПОДКЛЮЧЕНИЕ ДГ К ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯ

Вольт-амперная характеристика двухполюсника с отрицательной проводимостью имеет падающий участок, расположенный между двумя участками с положительным наклоном. Диод Ганна имеет ВАХ N-типа (рисунок 15).

Рисунок 15 – Вольт-амперная Рисунок 16 – Схема подключения ДГ к

характеристика источнику питания

Для диодов N-типа ток является однозначной функцией напряжения i = f (u). Поэтому рабочая точка может быть установлена однозначно в пределах падающего участка ВАХ, если внутреннее сопротивление источника питания R i мало, что имеет место для диодов N-типа (источник напряжения).

Для диодов N-типа ток является однозначной функцией напряжения i = f (u). Поэтому рабочая точка может быть установлена однозначно в пределах падающего участка ВАХ, если внутреннее сопротивление источника питания R i мало, что имеет место для диодов N-типа (источник напряжения).

9 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Значения максимального КПД диода Ганна не превышают 20 %. Повысить

КПД генераторов на диодах Ганна можно за счет использования более сложных

колебательных систем.

Другой путь повышения КПД состоит в применении в диодах Ганна материалов с большим отношением υмакс / υнас. Так, для фосфида индия оно достигает 3,5, что увеличивает теоретический электронный КПД диодов до 40%.

Самые высокие КПД диодов Ганна получены на f = 1 – 10ГГц. С увеличением частоты КПД диодов значительно снижается. При работе в непрерывном режиме максимальные КПД = 10 – 12 % на f < 20ГГц, 5 – 6 % на f < 40ГГц и 2 – 3 % на f = 90ГГц.

Снижение КПД диодов в непрерывном режиме связанно главным образом с

ухудшением условий отвода тепла. Поэтому меры, принимаемые для повышения

мощности за счёт улучшения теплоотвода, обеспечивают одновременно и некоторые повышенные КПД. Эффективность работы диодов можно повысить, если принять меры по достижению оптимальной подстройки внешней цепи не только на первую гармонику, но и на более высокие гармонические составляющие колебаний, возникающих в диодах.

Следует иметь в виду, что электронный КПД генераторов на диодах Ганна уменьшается на высоких частотах, когда период колебаний становится соизмеримым со временем установления отрицательной дифференциальной проводимости (это проявляется уже на частотах ~ 30ГГц). Инерционность процессов, определяющих зависимость средней дрейфовой скорости от поля, приводит к уменьшению противофазной составляющей тока диода. Предельные частоты диодов Ганна, связанные с этим явлением, оцениваются значениями 100ГГц для приборов из GaAs и 150 – 300ГГц для приборов из InP (фосфид индия).

Выходная мощность Рвых диодов Ганна ограничена электрическими процессами. Влияние последних приводит к зависимости максимальной мощности от частоты в виде Pвых f = A, где постоянная A определяется допустимым перегревом структуры, тепловыми характеристиками материала, электронным КПД и ёмкостью диода. Ограничения по электрическому режиму связаны с тем, что при большой выходной мощности амплитуда колебаний оказывается соизмеримой с постоянным напряжением U на диоде:

UmU= El, (4)

где l – длина образца.

На относительно низких частотах (в сантиметровом диапазоне длин волн) максимальное значение выходной мощности диодов Ганна определяется тепловыми эффектами. В миллиметровом диапазоне длин волн толщина активной области диодов, работающих в доменном режиме, становится малой и преобладают ограничения электрического характера. В непрерывном режиме в трехсантиметровом диапазоне длин волн от одного диода можно получить мощность 1 – 2Вт при КПД до 14%; на частотах 60 – 100ГГц – до 100мВт при КПД до нескольких единиц процентов. Генераторы на диодах Ганна характеризуются значительно меньшими частотными шумами, чем генераторы на лавинно-пролётных диодах.

10 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ЦЕПЯМ

ДИОДНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Общие требования к электромагнитным цепям (колебательным контурам) диодных генераторов сводятся в основном к обеспечению заданных рабочей частоты и режима работы, полосы перестройки по частоте, стабильности, максимального контурного КПД и теплоотвода. Иногда задаются дополнительные требования по радиационной стойкости, экранировке полей, уровню паразитной модуляции и т.п.

Заданная рабочая частота и режим работы обеспечиваются полным входным сопротивлением колебательного контура Z = R + jX. Для этого используют резонатор, образованный отрезком линии передачи определённой длины, связанной с диодом и нагрузкой с помощью специальных устройств связи, и трансформатор сопротивлений, включённый в эту линию, который может быть образован какой-либо неоднородностью (скачком волнового сопротивления, штырём, диафрагмой), введённой в электромагнитное поле линии. Для предотвращения шунтирования СВЧ цепи источником питания в нее дополнительно включается фильтр нижних частот (ФНЧ) в соответствии с рисунком 16.

Заданные требования по полосе перестройки и стабильности обеспечиваются выбором определённой структуры и нагруженной добротности СВЧ цепи. В широкополосных усилителях вместо линии-резонатора обычно используется многоконтурные системы или полосовые фильтры с максимально плоской или чебышевской характеристикой.

Таким образом, необходимыми элементами конструкции диодного генератора являются:

- резонатор, связанный с диодом и нагрузкой;

- устройство связи нагрузки с резонатором;

- СВЧ трансформатор сопротивлений, цепи питания диода с ФНЧ.

Обобщённая структурная схема диодного генератора представлена на рисунке 17.

Рисунок 17 – Обобщённая структурная схема диодного генератора

Конструктивное выполнение отдельных элементов этой схемы существенно зависит от типа линии резонатора, однако в любом случае необходимо соблюдать

некоторые общие принципы конструирования, определяемые специфическими

свойствами диодов.

Потери в электромагнитной цепи сильно увеличиваются из-за сопротивления потерь диода rs, которое намного превышает собственные потери пассивной цепи, и поскольку отрицательное сопротивление диода достаточно низкоомно (rд  10Ом), реализуемые значения контурного КПД обычно не высоки

к  0,5 – 0,6. (5)

В связи с этим важнейшее значение при конструировании имеет способ крепления диода в резонатор, такой, при котором обеспечивается минимальное контактное сопротивление и хороший теплоотвод (рисунок 18, а).

Для крепления диода применяется также цанговый зажим (рисунок 18, б), который закрепляется в гайке-держателе и устанавливается в наиболее массивной стенке резонатора. Контакт диода с цангой осуществляется по боковой поверхности корпуса диода при давлении в контакте не менее 107 Па.


а) б)



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Лабораторная работа №33

    Лабораторная работа
    Направленный ответвитель – устройство, служащее для ответвления из основного высокочастотного тракта части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях: падающей или отраженной волны.
  2. Лабораторная работа №3 (1)

    Лабораторная работа
    Подготовка к работе: занести в рабочую тетрадь название и цель лабораторной работы, основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы.
  3. Методика разработки лабораторных работ. Методические разработки лабораторных работ по курсу «Общая биология» Заключение

    Методические разработки
    Современные требования к учебному процессу ориентируют учителя на проверку знаний, умений, навыков через деятельность учащихся, В период все большего отхода от информационной модели обучения к деятельной и личностной моделям, от школы
  4. Методические указания к лабораторным работам по курсу (2)

    Методические указания
    Методические указания к лабораторным работам по курсу "Микропроцессорные системы", выпуск 2. Курский государственный технический университет, 1996.
  5. Рабочая программа дисциплины (указывается шифр и наименование дисциплины по учебному плану) Направление подготовки (2)

    Рабочая программа
    Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и примерной ООП ВПО по направлению подготовки 030900 Юриспруденция, 080100 Экономика,

Другие похожие документы..