Диод Ганна-принцип работы, генератор СВЧ на диодах Ганна
Диод Ганна: принцип работы и применение
Диод Ганна
1 Диод Ганна. Математическая модель диода Ганна
Диод Ганна
Диод Ганна-принцип работы, генератор СВЧ на диодах Ганна
Диод Ганна — это полупроводниковый прибор без p—n -перехода, преобразующий энергию источника питания постоянного напряжения в энергию сверхвысокочастотных колебаний в результате возникновения в полупроводнике домена сильного поля. Ганн обнаружил явление спонтанного возникновения колебаний электрического поля в однородных образцах арсенида галлия и фосфида индия 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. Ганна завершило этап длительного периода усилий исследователей по отысканию явлений в твёрдом теле, обеспечивающих объёмную отрицательную проводимость. К таким полупроводниковым материалам относится GaAs, InSb, InAs, ZnSe и CdTe. Однако, наиболее характерным для диодов Ганна и наиболее исследованным является GaAs. На торцы кристалла нанесены металлические контакты. Структура диода Ганна 7. Арсенид галлия относится к так называемым двухдолинным полупроводникам. Зависимость энергии W от k в зоне проводимости имеет два минимума, соответствующих нижней и верхней долинам. Плотность тока через образец в условиях малых напряжённостей электрических полей E можно выразить следующим соотношением участок ОА рисунка 6. Большая разница в подвижности электронов для верхней и нижней долин приводит к тому, что начиная с некоторого значения критического поля E пор средняя дрейфовая скорость электронов в однородном образце начинает уменьшаться с ростом электрического поля. При этом плотность тока в образце на участке АВ рисунок 7. Таким образом, при напряжённости поля выше порогового значения E пор вольт-амперная характеристика ДГ имеет падающий участок рисунок 7. 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. Идеализированный профиль легирования ДГ а и начальное распределение напряжённости электрического поля б Средняя скорость электронов станет убывать, что приводит к дальнейшему увеличению кажущегося сопротивления участка и повышения напряжённости поля в нём. Одновременно поскольку общее напряжение, приложенное к пластине полупроводника, постоянно, поле по обе стороны от данного участка будет убывать. Возникающий сгусток "тяжёлых"электронов будет под действием поля перемещается слева направо. Сформировавшийся домен имеет форму размытого треугольника рисунок 7. 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 рисунок 7. Ток во внешней цепи ДГ Время пролёта домена определяется по формуле 7. Классификация возможных режимов работы ДГ в генераторе представлена на рисунке 7. Эквивалентная схема автогенератора на ДГ Рис. Диаграмма возможных режимов работы ДГ 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 7. Доменный режим работы ДГ Наличию домена соответствует нижняя ветвь характеристики 1. При достижении напряжения гашения U гаш домен рассасывается и рабочая точка диода переходит на восходящую ветвь характеристики 2. Изменяя сопротивление нагрузки а значит амплитуду U 1 на полюсах 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. Практически этот режим не используется из-за малых значений КПД и f пр. В прочих режимах работы ДГ частота колебаний задаётся внешним резонансным контуром. Режим с гашением домена имеет место, когда в процессе движения домена к аноду мгновенное напряжение на ДГ становится меньше напряжения U гаш , и домен быстро рассасывается. Импульсы тока в этом режиме показаны на рисунке 7. Режим работы ДГ с гашением домена Режим ограничения накопления объёмного заряда ОНОЗ. При этом домен не успевает формироваться и динамическая ВАХ совпадает по форме с характеристикой v др E. Гибридными режимами называются все режимы, промежуточные между ОНОЗ и доменными. На частотах выше 30 ГГц керамика заменяется кварцем, а сам корпус выполняется по возможности миниатюрным. С учётом параметров корпуса диода полная эквивалентная схема ДГ показана на рисунке 7. Здесь параллельное соединение активной и реактивной проводимости характеризует собственно кристалл GaAs в диапазоне рабочих частот, элементы C к , L к , r к — корпус диода. Тогда средняя за период T мощность, выделяемая двухполюсником 7. Это означает, что двухполюсник с ОС выделяет во внешнюю цепь энергию высокочастотных колебаний за счёт преобразования энергии источника питания. Таким образом, действие ОС эквивалентно включению в электрическую цепь источника колебательной мощности. Вольт-амперная характеристика двухполюсника с ОС имеет падающий участок, расположенный между двумя участками с положительным наклоном. Диод Ганна имеет ВАХ N -типа рисунок 7. Поэтому рабочая точка U 0 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. Схема подключения ДГ к источнику питания показана на рисунке 7. Схема включения ДГ в резонатор Влияние напряжения питания U 0 на величину реактивной проводимости диода B дг даёт возможность производить перестройку частоты генерации ГДГ изменением смещения на диоде. Одновременно зависимость B дг от U 0 приводит к вариации мощности генерации в пределах допустимых значений U 0. ГДГ — весьма широкополосный активный прибор, имеющий отрицательную проводимость в полосе частот порядка октавы и более, так что в полосу частот эффективной работы ГДГ попадает, как правило, несколько резонансов колебательной системы. В этих условиях внешнюю цепь ГДГ представляют обобщенно в виде множества соединённых параллельно колебательных контуров рисунок 7. Эквивалентная схема внешней цепи с включённым ДГ обведён пунктиром В генераторе устанавливается частота f , на которой потери в схеме минимальны. Повысить КПД генераторов на диодах Ганна можно за счёт использования более сложных колебательных систем. Так, для InP оно достигает 3,5. С увеличением частоты КПД диодов значительно снижается. 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. 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 ГГц для приборов из GaAs и … ГГц для приборов из InP. Ограничения по электрическому режиму связаны с тем, что при большой выходной мощности амплитуда колебаний оказывается соизмеримой с постоянным напряжением U 0 на диоде: 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. Генераторы на диодах Ганна характеризуются значительно меньшими частотными шумами, чем генераторы на лавинно-пролётных диодах. Иногда задаются дополнительные требования по радиационной стойкости, экранировке полей, уровню паразитной модуляции и т. 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. Заданные требования по полосе перестройки и стабильности обеспечиваются выбором определённой структуры и нагруженной добротности СВЧ цепи. Таким образом, необходимыми элементами конструкции диодного генератора являются: Обобщённая структурная схема диодного генератора представлена на рисунке 7. Обобщённая структурная схема диодного генератора Конструктивное выполнение отдельных элементов этой схемы существенно зависит от типа резонатора, однако в любом случае необходимо соблюдать некоторые общие принципы конструирования, определяемые специфическими свойствами диодов. Для крепления диода применяется также цанговый зажим рисунок 7. Контакт диода с цангой осуществляется по боковой поверхности корпуса диода при давлении в контакте не менее 10 7 Па. Способы крепления ДГ в резонаторе: Обычно диод монтируют таким образом, чтобы уменьшить число паразитных резонансных контуров и обеспечить необходимую связь диода с резонатором. Для этого применяют волноводные резонаторы уменьшенной высоты или уменьшают её только в месте включения диода, что обеспечивает устойчивость и более высокий контурный КПД. Синтез электромагнитной цепи генератора и разработку его конструкции проводят на базе известных, экспериментально опробованных конструкций, рассчитывая их физические размеры в соответствии с заданными параметрами генератора. При этом, вследствие технологического разброса параметров диодов, в конструкции генератора необходимо предусматривать возможность регулировки полного входного сопротивления СВЧ цепи в достаточно широких пределах. Регулировочные элементы могут быть выполнены в виде коротко-замкнутых или разомкнутых шлейфов, четвертьволновых трансформаторов, индуктивных или ёмкостных диафрагм, штырей и т. Одним из методов согласования является применение реактивных элементов в виде ступенчатых неоднородностей. Например, короткий отрезок микрополосковой линии МПЛ представляет собой единичный реактивный элемент, характер проводимости которого зависит от отношения его волнового сопротивления к волновому сопротивлению линии. Величина реактивности является функцией длины волны. Так, короткая линия с высоким волновым сопротивлением, нагруженная с обеих сторон линиями с малым волновым сопротивлением, представляет собой последовательную индуктивность и, наоборот, линия с низким волновым сопротивлением, представляет собой параллельную ёмкость рисунок 7. Образование конструктивной реактивности микрополосковой линии: Таким образом, из коротких отрезков линий с большим и малым волновыми сопротивлениями можно образовать лестничную LC структуру и использовать её в качестве преобразователя сопротивлений для согласования. Резонансная система формируется, как правило, на основе коаксиальной, волноводной или полосковой линии передачи. Крепление диода в резонаторе показано на рисунке 7. Крепление ДГ в коаксиальном резонаторе Рис. Конструкция коаксиального резонатора с четвертьволновым трансформатором Диод 1 устанавливается обычно в разрыв центрального проводника коаксиальной линии 2 вблизи короткозамкнутой стенки, образующей теплоотвод. Для связи с нагрузкой можно использовать связи любого типа: Настройка по частоте осуществляется с помощью передвижного короткозамыкающего поршня широкодиапазонная настройка , либо перемещением четвертьволнового трансформатора 4, либо с помощью подстроечных элементов ёмкостного или индуктивного типа узкодиапазонная настройка. В конструкции с четвертьволновым трансформатором, показанным на рисунке 7. Иногда используют несколько шайб различного диаметра, что позволяет при тщательном подборе их диаметра и расположения несколько увеличить КПД и выходную мощность путём настройки на вторую гармонику резонансной полости между соседними шайбами. Наличие напряжения второй гармоники на диоде приводит к увеличению его отрицательной проводимости на основной частоте вследствие параметрических эффектов, возникающих при определённом фазовом соотношении между основной частотой и второй гармоникой, что и обуславливает увеличение выходной мощности и КПД ГДГ. Для перестройки ГДГ можно использовать бесконтактный поршень 2 рисунок 7. Наилучшие результаты достигаются при использовании в качестве изоляции оксидных плёнок. Конструкция волноводного ГДГ Для устранения дополнительных паразитных резонансов узла крепления диода ФНЧ нередко снабжают поглощающей шайбой 5, либо выполняют ФНЧ в виде диска, образующего блокировочный конденсатор с широкой стенкой волновода. Подбор оптимальной связи с нагрузкой осуществляется трансформатором сопротивлений типа набора ёмкостных штырей 6 или индуктивной диафрагмы. К внешнему тракту ГДГ подключается фланцем 7. Мощность и КПД микрополоскового ГДГ, как правило, несколько меньше величин, получаемых от того же диода в объёмных конструкциях, однако при тщательном подборе параметров микрополосковой схемы разница составляет не более 1 дБ. Возможные топологии колебательной системы весьма разнообразны. Топология микрополоскового ГДГ Он состоит из активного диода 1 и металлизированной диэлектрической подложки 2 с нанесённой на ней проводящей схемой, которая устанавливается в металлическом корпусе. Корпус выполняется таким образом, чтобы внутренняя полость его, в которой устанавливается подложка, образовывала проводящий волновод. Соединение СВЧ разъёмов и подводящих линий осуществляется пайкой или термокомпрессионным методом. Также выполняются соединения между отдельными линиями на стыке подложек, между диодом и линией и т. Диод 1 включён между основанием и полосковым проводником. Конденсатор 4 служит для разделения цепей питания и СВЧ тракта. Напряжение питания подаётся через дроссельную цепь 5, состоящую из двух четвертьволновых отрезков микрополосковой линии с различными волновыми сопротивлениями, причём линия с малым сопротивлением разомкнута. Микрополосковые конструкции обычно используются на частотах не выше 30 ГГц. Дополнительным достоинством данного метода является незначительная мощность, потребляемая цепью управления. Поэтому он широко применяется в современной аппаратуре. Перестройка частоты варикапом основана на изменении резонансной частоты колебательной системы генератора при изменении смещения U в на варикапе. Существует полное и частичное включение варикапа в колебательный контур, что эквивалентно включению дополнительной управляемой ёмкости C в U и сопротивления потерь варикапа R в. Первичным трансформирующим звеном для корпусного варикапа служит сам корпус. Параметры корпуса L кв , C кв рисунок 6. Это значение близко к средней ёмкости типичного варикапа. Поэтому наибольший диапазон электрической перестройки должен достигаться при последовательном включении такого управителя частоты. Компоновка генератора с варикапом, помещённом в одной и той же поперечной плоскости с ДГ, показана на рисунке 7. Включение ДГ и варикапа в волноводный резонатор Штыри крепления диодов образуют двухпроводную линию, ограниченную широкими стенками волновода. Эквивалентное характеристическое сопротивление такого резонатора низкое, а связь с диодами сильная, поскольку они включены в пучности продольного тока. Роль короткозамкнутого отрезка волновода сводится в основном к регулировке связи с нагрузкой. Благодаря влиянию параметров корпусов, частота первого обертона резонатора на отрезке двухпроводной линии попадает в заданный рабочий диапазон и эффективно управляется изменением C в. Связь с варикапом можно регулировать, перемещая его вдоль штыря. Ослабление связи приводит к увеличению P н при одновременном сужении полосы перестройки. С аналогичной целью используется квазикоаксиальный резонанс штыря крепления ДГ и варикапа. Однако, параллельно с расширением полосы перестройки уменьшается выходная мощность генератора, увеличивается уровень частотных шумов, становится все более трудной задачей линеаризации кривой f U в. Аномальная зависимость скорости электронов от напряженности электрического поля в некоторых полупроводниковых соединениях используется для генерации и усиления колебаний СВЧ диапазона. Потребность в подобных источниках СВЧ колебаний, обладающих малыми габаритами и массой, повышенной надёжностью, сравнительно простой конструкцией, предъявляющих в большинстве случаев пониженные требования к источникам питания, в современной радиоэлектронике весьма велика. Современные диоды Ганна работают в полосе частот более октавы, имеют малые шумы, требуют низковольтных источников питания. Гарантируемый срок службы превышает лет. В настоящее время известно около типов промышленных диодов Ганна, которые нашли применение в твердотельных приборах СВЧ различного назначения. Открытие эффекта Ганна оказало благотворное влияние на физику полупроводников, вызвав буквально лавину работ, посвящённых неустойчивостям в твёрдом теле и кинетическим явлениям в сильных полях. Совершенствование технологии выращивания эпитаксиальных плёнок арсенида галлия позволило автогенераторам и усилителям на диодах Ганна по праву занять место одного из основных твердотельных источников колебаний в диапазонах сантиметровых и особенно миллиметровых волн. Они используются в качестве генераторов передающих устройств непрерывного и импульсного режима, гетеродинов приёмных устройств и в генераторах качающейся частоты в панорамных измерительных приборах. Структура зоны проводимости арсенида галлия. Зависимость плотности тока проводимости от напряжённости поля в ДГ. Идеализированный профиль легирования ДГ а и начальное распределение напряжённости электрического поля б. Образование домена сильного поля в ДГ а и изменение концентрации электронов б. Ток во внешней цепи ДГ. Эквивалентная схема автогенератора на ДГ. Диаграмма возможных режимов работы ДГ. Доменный режим работы ДГ. Режим работы ДГ с гашением домена. Схема подключения ДГ к источнику напряжения. Схема включения ДГ в резонатор. Эквивалентная схема внешней цепи с включённым ДГ обведён пунктиром. Обобщённая структурная схема диодного генератора. Крепление ДГ в коаксиальном резонаторе. Конструкция коаксиального резонатора с четвертьволновым трансформатором. Включение ДГ и варикапа в волноводный резонатор. I 1 и U 1 — амплитудное значение тока и напряжения;.
Сколько баллов по русскому без сочинения
Освещение мансарды фото
Понятие информационных технологий и информационного общества
Бои без правил 2017 федора емельяненко
Don t starve чит на открытие карты
Проблемы образовательного процесса