 |
СВЧ диоды с отрицательным динамическим сопротивлением.
|
|
|
|
Если на вольтамперной характеристике электронного прибора есть падающий участок (при увеличении напряжения на приборе – ток через прибор уменьшается), т.е. на ВАХ есть участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением -rдифф, то возникает возможность компенсации потерь в цепи нагрузки (т.е. в сопротивлении нагрузки Rн).
При этом если: | -rдифф | = Rн - происходит генерация сигнала;
| -rдифф | > Rн - происходит усиление сигнала.
Классификация.
| Электронные приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением (-rдифф) | |||
| ЭП со статическим (-rдифф) | ЭП с динамическим (-rдифф) | ||
| ЭП с N -образной ВАХ | ЭП с S –образной ВАХ | ЭП с объёмной неустойчивостью | ЭП на эффекте лавинного пробоя |
| туннельный диод | тиристор | диод Ганна (ДГ) ВАХ N -типа | лавинно-пролётный диод (ЛПД), ВАХS -типа |
Диод Ганна
При исследовании высокочастотных шумов в образце арсенида галлия Дж. Ганн обнаружил самопроизвольные колебания тока с периодом равном времени пролёта электрона через образец. Частота этих колебаний соответствовала сантиметровому диапазону волн.
Возникновение колебаний было обусловлено объёмной неустойчивостью зарядов, что приводило к появлению отрицательного дифференциального сопротивления или, иначе, отрицательной проводимости. Это явление получило название - эффект Ганна.
Отсюда и определение диода Ганна – это диод в котором генерация СВЧ сигнала обеспе-чивается объёмной неустойчивостью эаряда в полупроводнике из-за отрицательной диф-ференциальной подвижности носителей. ДГ применяются в качестве маломощных генераторов и усилителей СВЧ сигналов. Рабочий частотный диапазон диода – от 2 до 300 ГГц.
|
|
|
Эффект Ганна наблюдается и в кремнии, но только при очень низких температурах.
Схема включения ДГ в объёмный резонатор:
ЛПД
Лавинно-пролётный диод – это диод, в котором для усиления или генерации сигнала используется эффект лавинного умножения носителей при пролёте в обратносмещённом p-n переходе и взаимодействия этих носителей с СВЧ полем в течении времени пролёта.
В лавинно-пролётных диодах отрицательное дифференциальное сопротивление (-rдифф) получается только при условии наличия СВЧ сигнала и СВЧ резонатора.
Простейшая структура ЛПД: p+-n -n+
При изготовлении диода главной задачей является получение резкого p+-n перехода с большой напряженностью собственного поля.
Область ∆Z – это область p+-n перехода назы-вается слоем умножения носителей, (в нём происходит лавинообразное образование новых носителей.)
Область W – это слой дрейфа лавины носи-телей под действием поля Ео.
К структуре ЛПД приложено постоянное на-пряжение обратного смещения Uo (величина Uo достигает десятков вольт), вызывающее начальные токи неосновных носителей In0 и Ip0. Эти токи обусловлены экстракцией носителей под дейст-вием высокой напряжённости поля в области перехода. Одновременно к диоду приложено переменное напряжение U(t) СВЧ колебаний. Источником их служит внешняя цепь или объёмный резонатор, в который вставляется ЛП диод. Таким образом, в диоде существуют два поля: постоянное Ео и переменное Е(t).
Как правило, U(t) << Uo, где t – время.
На переходе (участок ∆Z) величина поля максимальна и при положительных полупериодахпеременного СВЧ напряжения U(t) напряженность этого поля превышает Екр (критическое) что вызывает лавинный пробой перехода.
Электроны, экстрагированные из области p+, создают ток In0, а дырки, экстрагированные из нейтрального участка области n, образуют ток Ip0. Эти (неосновные) носители в результате ударной ионизации вызывают процесс лавинного размножения новых пар носителей. Возникшие новые дырки (пакет дырок) дрейфуют налево, их число увеличивается у границы с p+ -областью, а пакет электронов дрейфует направо, в сторону нарастания положительного потенциала увеличиваясь в количестве к правой границе p+-n перехода. Процесс развития лавины, хотя и является инерционным, заканчивается очень быстро, состояние пробоя исче-зает, рождение новых носителей прекращается, пакет дырок уходит в область p, а пакет элек-тронов в область n, где начинается слой дрейфа, в котором напряжённость поля меньше Екр, но достаточно велика, чтобы проявился эффект насыщения величин скоростей носителей.
|
|
|
В слое дрейфа пакет электронов под воздействием поля (Ео + Е(t)) движется с постоянной скоростью насыщения Vнас. По мере расхождения пакетов электронов и дырок разность потенциалов на участке растёт, и к следующему положительному полупериоду СВЧ колебаний снова возникают условия для лавинного пробоя.
Процессы в ЛП диоде:
1 -й график – величина тока через ЛПД; 2 -й график – величина заряда Q(t) электронов в p+-n переходе; график 3;4 – изменение обратного I(t)обр (3) и прямого I(t)пр (4) токов через переход от времени t.
В период положительной полуволны СВЧ сигнала U(t) суммарная напряженность поля Е = (Ео + Е(t)) > Екр или Елав, при этом в области ∆Z идёт процесс ударной ионизации, обра-зуются короткие пакеты носителей. Задержка между U(t)макс и Q(t)макс на величину примерно равную полупериоду π/2 СВЧ колебаний связана с инерционностью процесса образования лавины.
Пакеты носителей проходят слой дрейфа за время tпрол = W/Vнос (W -длина слоя дрейфа, Vнос -скорость носителей), что приводит к задержке импульса тока примерно на полупериод π/2 от момента образования лавины до момента появления I(t) во внешней цепи. Суммарная задержка между I (t)макс и U(t)макс составляет примерно π/2, т.е. пакеты носителей летят в тормозящем электрическом поле и тем самым отдают свою энергию этому СВЧ полю.
Резонансная цепь (СВЧ резонатор) выделяет из импульсного сигнала I(t) первую (самую мощную) гармонику тока I1(t). Ток I1(t) и напряжение U(t) находятся в противофазе, что экви-валентно наличию динамического дифференциального отрицательного сопротивления -rдиф .
|
|
|
Режимы работы ЛП диода: 1 - пролётный режим (нормальный). Этот режим рассмотрен выше. Условие его наличия: U(t) << Uo. Параметры: Uo =30 ÷120 В; Fрез = 0,5 ÷ 400 ГГц; мощность в непрерывном режиме – до 100 Вт; мощность в импульсном режиме – до 1,5 кВт; КПД до 25%; возможны режимы усиления и генерации сигналов; недостаток – высокий уровень собственных шумов. 2 – режим с захваченной плазмой (режим аномальный). Условие возникновения этого режима: величина U(t) соизмерима с величиной Uo. Особенности режима: лавина развивается очень быстро; лавина развивается в слое дрейфа W; Электроныбольше энергии отдают СВЧ полю, но замедляются. Параметры режима: рабочая частота на порядок меньше; КПД достигает 40%.
|
|
|
