«Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме»

Министерство образования Русской Федерации


Орловский Муниципальный Технический Институт


Кафедра физики


РЕФЕРАТ
на тему: «Эффект Ганна и его внедрение, в диодиках, работающих в генераторном режиме».


Дисциплина: «Физические базы микроэлектроники»


Выполнил студент группы 3–4
Сенаторов Д.Г.

Управляющий:

Оценка:


Орел «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме». 2000

Эффект Ганна и его внедрение, в диодиках, работающих в генераторном режиме.


Для усиления и генерации колебаний СВЧ-диапазона может быть применена аномальная зависимость скорости электронов от напряженности электронного поля в «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» неких полупроводниковых соединениях, сначала в арсениде галлия. При всем этом главную роль играют процессы, происходящие в объеме полупроводника, а не в p-n-переходе. Генерацию СВЧ-колебаний в однородных образчиках GaAs n-типа при напряженности «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» неизменного электронного поля выше порогового значения в первый раз следил Дж. Ганн в 1963 г. (потому такие приборы именуют диодиками Ганна). В российскей литературе их именуют также устройствами с большой «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» неустойчивостью либо с междолинным переносом электронов, так как активные характеристики диодов обоснованы переходом электронов из «центральной» энергетической равнины в «боковую», где они характеризуются большой действенной массой и малой подвижностью. В зарубежной литературе последнему «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» наименованию соответствует термин ТЭД (Transferred Electron Device).

В слабеньком поле подвижность электронов велика и составляет 6000–8500 см2/(Вс). При напряженности поля выше 3,5 кВ/см за счет перехода части электронов в «боковую» равнину средняя «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» дрейфовая скорость электронов миниатюризируется с ростом поля. Наибольшее значение модуля дифференциальной подвижности на падающем участке приблизительно в три раза ниже, чем подвижность в слабеньких полях. При напряженности поля выше 15–20 кВ/см средняя «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» скорость электронов практически не находится в зависимости от поля и составляет около 107 см/с, так что отношение , а черта скорость–поле может быть приближенно аппроксимирована так, как показано на рис.1. Время установления отрицательной дифференциальной «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» проводимости (ОДП) складывается из времени разогрева электрического газа в «центральной» равнине (~10–12 с для GaAs), определяемого неизменной времени релаксации по энергии и времени междолинного перехода (~5-10–14 с).

Можно было бы ждать, что наличие «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» падающего участка свойства в области ОДП при однородном рассредотачивании электронного поля повдоль однородно легированного эталона GaAs приведет к возникновению падающего участка на вольт-амперной характеристике диодика, так как значение конвекционного тока через «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» диодик определяется как , где ; –площадь сечения; –длина эталона меж контактами. На этом участке диодик характеризовался бы отрицательной активной проводимостью и мог бы употребляться для генерирования и усиления колебаний аналогично туннельному «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» диодику. Но на практике воплощение такового режима в образчике полупроводникового материала с ОДП затруднено из-за неустойчивости поля и большого заряда. Как было показано в § 8.1, флюктуация большого заряда в данном случае приводит «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» к нарастанию большого заряда по закону

,

где –неизменная диэлектрической релаксации; –концентрация электронов в начальном n-GaAs. В однородном образчике, к которому приложено неизменное напряжение , локальное увеличение концентрации электронов приводит к возникновению негативно заряженного слоя (рис. 2), перемещающегося «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» повдоль эталона от катода к аноду.



Р
ис.1. Аппроксимированная зависимость дрейфовой скорости электронов от напряженности электронного поля для GaAs.

Рис.2. К пояснению процесса формирования слоя скопления в однородно легированном GaAs.


Под «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» катодом понимается контакт к эталону, на который подан отрицательный потенциал. Возникающие при всем этом внутренние электронные поля и накладываются на неизменное поле , увеличивая напряженность поля справа от слоя и понижая ее слева «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» (рис.2, а). Скорость электронов справа от слоя миниатюризируется, а слева – увеличивается. Это приводит к предстоящему нарастанию передвигающегося слоя скопления и к соответственному перераспределению поля в образчике (рис.2, б). Обычно слой большого заряда зарождается у «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» катода, потому что поблизости катодного омического контакта имеется область с завышенной концентрацией электронов и малой напряженностью электронного поля. Флюктуации, возникающие поблизости анодного контакта, вследствие движения электронов к аноду не успевают «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» развиться.

Но такое рассредотачивание электронного поля нестабильно и при наличии в образчике неоднородности в виде скачков концентрации, подвижности либо температуры может преобразоваться в так именуемый домен сильного поля. Напряженность электронного поля связана с «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» концентрацией электронов уравнением Пуассона, которое для одномерного варианта имеет вид

(1)

Увеличение электронного поля в части эталона будет сопровождаться возникновением на границах этого участка большого заряда, отрицательного со стороны катода и положительного со «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» стороны анода (рис.3, а). При всем этом скорость электронов снутри участка падает в согласовании с рис.1. Электроны со стороны катода будут догонять электроны снутри этого участка, за счет чего возрастает отрицательный «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» заряд и появляется обогащенный электронами слой. Электроны со стороны анода будут уходить вперед, за счет чего возрастает положительный заряд и появляется обедненный слой, в каком . Это приводит к предстоящему повышению поля в области «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» флюктуации по мере движения заряда к аноду и к возрастанию протяженности дипольной области большого заряда. Если напряжение, приложенное к диодику, поддерживается неизменным, то с ростом дипольного домена поле вне его будет уменьшаться (рис «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме».3, б). Нарастание поля в домене закончится, когда его скорость сравняется со скоростью электронов вне домена. Разумеется, что . Напряженность электронного поля вне домена (рис.3, в) будет ниже пороговой напряженности , из-за чего становится неосуществимым «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» междолинный переход электронов вне домена и образование другого домена прямо до исчезновения сформировавшегося ранее на аноде. После образования размеренного домена сильного поля в течение времени его движения от катода к «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» аноду ток через диодик остается неизменным.


Р
ис.3. К пояснению процесса формирования дипольного домена.


После того как домен пропадет на аноде, напряженность поля в образчике увеличивается, а когда она достигнет значения , начинается «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» образование нового домена. При всем этом ток добивается наибольшего значения, равного (рис.4, в)

(2)

Таковой режим работы диодика Ганна именуют пролетным режимом. В пролетном режиме ток через диодик представляет собой импульсы, последующие с «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» периодом . Диодик генерирует СВЧ-колебания с пролетной частотой , определяемой в главном длиной эталона и слабо зависящей от нагрузки (конкретно такие колебания следил Ганн при исследовании образцов из GaAs и InР).

Электрические процессы «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» в диодике Ганна должны рассматриваться с учетом уравнений Пуассона, непрерывности и полной плотности тока, имеющих для одномерного варианта последующий вид:

; (3)

. (4)






Рис.4. Эквивалентная схема генератора на диодике Ганна (а) и временные зависимости напряжения (б) и тока «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» через диодик Ганна в пролетном режиме (в) и в режимах с задержкой (г) и гашением домена (д).

Секундное напряжение на диодике . Полный ток не находится в зависимости от координаты и «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» является функцией времени. Нередко коэффициент диффузии считают не зависящим от электронного поля.

Зависимо от характеристик диодика (степени и профиля легирования материала, длины и площади сечения эталона и его температуры), также от «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» напряжения питания и параметров нагрузки диодик Ганна, как генератор и усилитель СВЧ-диапазона, может работать в разных режимах: доменных, ограничения скопления большого заряда (ОНОЗ, в зарубежной литературе LSA–Limited Space Charge Accumulation), гибридном «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме», бегущих волн большого заряда, отрицательной проводимости.


^ Доменные режимы работы.

Для доменных режимов работы диодика Ганна типично наличие в образчике сформировавшегося дипольного домена в течение значимой части периода колебаний. Свойства стационарного дипольного «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» домена тщательно рассмотрены в [?], где показано, что из (1), (3) и (4) следует, что скорость домена и наибольшая напряженность поля в нем связаны правилом равных площадей

. (5)


В согласовании с (5) площади, заштрихованные на рис.5, а и ограниченные линиями , являются «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» схожими. Как видно из рисунка, наибольшая напряженность поля в домене существенно превосходит поле вне домена и может достигать 10-ов кВ/см.


Рис.5. К определению характеристик дипольного домена.

На рис.5, б приведена зависимость напряжения «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» домена от напряженности электронного поля вне его, где –длина домена (рис.3, в). Там же построена «приборная прямая» диодика длиной при данном напряжении с учетом того, что полное напряжение на диодике «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» . Точка скрещения А определяет напряжение домена и напряженность поля вне его . Следует подразумевать, что домен появляется при неизменном напряжении , но он может существовать тогда и, когда в процессе движения домена к аноду напряжение «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» на диодике миниатюризируется до значения (пунктирная линия на рис.5, б). Если еще больше снизить напряжение на диодике так, что оно станет меньше напряжения гашения домена , появившийся домен рассасывается. Напряжение гашения соответствует моменту касания «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» «приборной прямой» к полосы на рис.5, б.

Таким макаром, напряжение исчезновения домена оказывается меньше порогового напряжения формирования домена. Как видно из рис.5, вследствие резкой зависимости лишнего напряжения на домене от напряженности поля «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» вне домена поле вне домена и скорость домена не много меняются при изменении напряжения на диодике. Лишнее напряжение поглощается в главном в домене. Уже при скорость домена только малость отличается от скорости «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» насыщения и можно приближенно считать , а , потому пролетная частота, как черта диодика, обычно определяется выражением:

(6)

Длина домена находится в зависимости от концентрации донорной примеси, также от напряжения на диодике и «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» при составляет 5–10 мкм. Уменьшение концентрации примеси приводит к расширению домена за счет роста обедненного слоя. Формирование домена происходит за конечное время и связано с установлением отрицательной дифференциальной проводимости и с нарастанием большого заряда. Неизменная «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» времени нарастания большого заряда в режиме малого возмущения равна неизменной диэлектрической релаксации и определяется отрицательной дифференциальной подвижностью и концентрацией электронов . При наивысшем значении , тогда как время установления ОДП наименее «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» . Таким макаром, время формирования домена определяется в значимой степени процессом перераспределения большого заряда. Оно находится в зависимости от исходной неоднородности поля, уровня легирования и приложенного напряжения.


Р
ис6. Диодик Ганна.


Приближенно считают, что Домен успеет на «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» сто процентов сформироваться за время:

, (7)

где выражено в . Гласить о доменных режимах имеет смысл исключительно в том случае, если домен успеет сформироваться за время просвета электронов в образчике . Отсюда условием существования дипольного «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» домена является либо .

Значение произведения концентрации электронов на длину эталона именуют критичным и обозначают . Это значение является границей доменных режимов диодика Ганна и режимов с устойчивым рассредотачиванием электронного поля в «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» однородно легированном образчике. При домен сильного поля не появляется и эталон именуют размеренным. При вероятны разные доменные режимы. Аспект типа справедлив, строго говоря, только для структур, у каких длина активного слоя меж «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» катодом и анодом много меньше поперечных размеров: (рис.6, а), что соответствует одномерной задачке и типично для планарных и мезаструктур. У тонкопленочных структур (рис.6, б) эпитаксиальный активный слой GaAs 1 длиной может быть размещен меж «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» высокоомной подложкой 3 и изолирующей диэлектрической пленкой 2, выполненной, к примеру, из SiO2. Омические анодный и катодный контакты изготовляют способами фотолитографии. Поперечный размер диодика может быть сравним с его длиной . В данном случае образующиеся «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» при формировании домена большие заряды делают внутренние электронные поля, имеющие не только лишь продольную компоненту , да и поперечную компоненту (рис.6, в). Это приводит к уменьшению поля по сопоставлению с одномерной задачей. При малой «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» толщине активной пленки, когда , аспект отсутствия доменной неустойчивости заменяется на условие . Для таких структур при устойчивом рассредотачивании электронного поля может быть больше .

Время формирования домена не должно превосходить полупериода «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» СВЧ-колебаний. Потому имеется и 2-ое условие существования передвигающегося домена , из которого с учетом (1) получаем .

Зависимо от соотношения времени просвета и периода СВЧ-колебаний, также от значений неизменного напряжения и амплитуды частотного напряжения могут «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» быть реализованы последующие доменные режимы: пролетный, режим с задержкой домена, режим с угнетением (гашением) домена. Процессы, происходящие в этих режимах, разглядим для варианта работы диодика Ганна на нагрузку в виде параллельного «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» колебательного контура с активным сопротивлением на резонансной частоте и питанием диодика от генератора напряжения с малым внутренним сопротивлением (см. рис.4,а). При всем этом напряжение на диодике меняется по синусоидальному закону «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме». Генерация вероятна при .

При малом сопротивлении нагрузки, когда , где –сопротивление диодика Ганна в слабеньких полях, амплитуда частотного напряжения невелика и секундное напряжение на диодике превосходит пороговое значение (см. рис.4,б кривая 1). Тут имеет место «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» рассмотренный ранее пролетный режим, когда после формирования домена ток через диодик остается неизменным и равным (см. рис. 9.39, в). При исчезновении домена ток растет до . Для GaAs . Частота колебаний в пролетном режиме «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» равна . Потому что отношение не достаточно, к.п.д. генераторов на диодике Ганна, работающих в пролетном режиме, невелик и этот режим обычно не имеет практического внедрения.

При работе диодика на контур с «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» высочайшим сопротивлением, когда , амплитуда переменного напряжения может быть довольно большой, так что в течение некой части периода секундное напряжение на диодике становится меньше порогового (соответствует кривой 2 на рис.4,б). В данном случае «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» молвят о режиме с задержкой формирования домена. Домен появляется, когда напряжение на диодике превосходит пороговое, т. е. в момент времени (см. рис.4, г). После образования домена ток диодика миниатюризируется до и остается таким в «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» течение времени просвета домена. При исчезновении домена на аноде в момент времени напряжение на диодике меньше порогового и диодик представляет собой активное сопротивление . Изменение тока пропорционально напряжению на диодике до момента , когда «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» ток добивается наибольшего значения , а напряжение на диодике равно пороговому. Начинается образование нового домена, и весь процесс повторяется. Продолжительность импульса тока равна времени запаздывания образования нового домена . Время формирования «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» домена считается малым по сопоставлению с и . Разумеется, что таковой режим вероятен, если время просвета находится в границах и частота генерируемых колебаний составляет .

При еще большей амплитуде частотного напряжения, соответственной кривой 3 на «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» рис.4,б, малое напряжение на диодике возможно окажется меньше напряжения гашения диодика .В данном случае имеет место режим с гашением домена (см. рис.4, д). Домен появляется в момент времени и рассасывается в «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» момент времени , когда .Новый домен начинает формироваться после того, как напряжение превзойдет пороговое значение. Так как исчезновение домена не связано с достижением им анода, время просвета электронов меж катодом и анодом в режиме гашения домена «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» может превосходить период колебаний: . Таким макаром, в режиме гашения . Верхний предел генерируемых частот ограничен условием и может составлять .

Электрический к.п.д. генераторов на диодиках Ганна, работающих в доменных режимах «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме», можно найти, раскладывая в ряд Фурье функцию тока (см. рис.4) для нахождения амплитуды первой гармоники и неизменной составляющей тока. Значение к.п.д. находится в зависимости от отношений , , , и при рациональном «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» значении не превосходит для диодов из GaAs 6% в режиме с задержкой домена. Электрический к.п.д. в режиме с гашением домена меньше, чем в режиме с задержкой домена.


^ Режим ОНОЗ.

Несколько позже «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» доменных режимов был предложен и осуществлен для диодов Ганна режим ограничения скопления большого заряда. Он существует при неизменных напряжениях на диодике, в пару раз превосходящих пороговое значение, и огромных амплитудах напряжения на частотах, в «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» пару раз огромных пролетной частоты. Для реализации режима ОНОЗ требуются диоды с очень однородным профилем легирования. Однородное рассредотачивание электронного поля и концентрации электронов по длине эталона обеспечивается за счет большой скорости «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» конфигурации напряжения на диодике. Если просвет времени, в течение которого напряженность электронного поля проходит область ОДП свойства , много меньше времени формирования домена , то не происходит приметного перераспределения поля и большого заряда «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» по длине диодика. Скорость электронов во всем образчике «следует» за конфигурацией электронного поля, а ток через диодик определяется зависимостью скорости от поля (рис.7).

Таким макаром, в режиме ОНОЗ для преобразования энергии источника питания «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» в энергию СВЧ-колебаний употребляется отрицательная проводимость диодика. В этом режиме в течение части периода колебаний продолжительностью напряжение на диодике остается меньше порогового и эталон находится в состоянии, характеризуемом положительной подвижностью электронов, т. е «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме». происходит рассасывание большого заряда, который успел образоваться за время, когда электронное поле в диодике было выше порогового.

Условие слабенького нарастания заряда за время приближенно запишем в виде , где ; –среднее значение отрицательной дифференциальной «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» подвижности электронов в области . Рассасывание большого заряда за время , будет действенным, если и , где ; и –неизменная времени диэлектрической релаксации и подвижность электронов в слабеньком поле.

Считая , , имеем . Это неравенство «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» определяет интервал значений , в границах которого реализуется режим ОНОЗ.

Электрический к. п. д. генератора на диодике Ганна в режиме ОНОЗ можно высчитать по форме тока (рис.7). При наибольший к. п. д. составляет 17%.






Рис.7. Временная «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» зависимость тока на диодике Ганна в режиме ОНОЗ.


В доменных режимах частота генерируемых колебаний приблизительно равна пролетной частоте. Потому длина диодов Ганна, работающих в доменных режимах, связана с рабочим спектром частот «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» выражением

, (8)

где выражена в ГГц, а –в мкм. В режиме ОНОЗ длина диодика не находится в зависимости от рабочей частоты и может во много раз превосходить длину диодов, работающих на тех же частотах «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» в доменных режимах. Это позволяет существенно наращивать мощность генераторов в режиме ОНОЗ по сопоставлению с генераторами, работающими в доменных режимах.

Рассмотренные процессы в диодике Ганна в доменных режимах являются, по существу «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме», идеализированными, потому что реализуются на сравнимо низких частотах (1–3 ГГц), где период колебаний существенно меньше времени формирования домена, а длина диодика много больше длины домена при обыденных уровнях легирования . В большинстве случаев диоды «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» Ганна в непрерывном режиме употребляют на более больших частотах в так именуемых гибридных режимах. Гибридные режимы работы диодов Ганна являются промежными меж режимами ОНОЗ и доменным. Для гибридных режимов типично, что образование домена «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» занимает огромную часть периода колебаний. Не вполне сформировавшийся домен рассасывается, когда секундное напряжение на диодике понижается до значений, наименьших порогового. Напряженность электронного поля вне области нарастающего большого заряда остается в главном больше «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» порогового. Процессы, происходящие в диодике в гибридном режиме, анализируют с применением ЭВМ при использовании уравнений (1), (3) и (4). Гибридные режимы занимают широкую область значений и не настолько чувствительны к характеристикам схемы, как режим ОНОЗ «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме».

Режим ОНОЗ и гибридные режимы работы диодика Ганна относят к режимам с «жестким» самовозбуждением, для которых свойственна зависимость отрицательной электрической проводимости от амплитуды частотного напряжения. Ввод генератора в гибридный режим (как и в «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» режим ОНОЗ) представляет сложную задачку и обычно осуществляется поочередным переходом диодика из пролетного режима в гибридные.







Рис.8. Электрический к. п. д. генераторов на диодике Ганна из GaAs для разных режимов работы «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме»:

1–с задержкой формирования домена

2–с гашением домена


Рис.9. Временная зависимость напряжения (а) и тока (б) диодика Ганна в режиме завышенного к. п. д.

3–гибридный

4–ОНОЗ


^ Конструкции и характеристики генераторов на диодиках Ганна.

На рис.8 приведены значения «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» наибольшего электрического к.п.д. диодика Ганна из GaAs в разных режимах работы. Видно, что значения не превосходят 20%. Повысить к.п.д. генераторов на диодиках Ганна можно за счет использования более сложных колебательных «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» систем, позволяющих обеспечить временные зависимости тока и напряжения на диодике, показанные на рис.9. Разложение функций и в ряд Фурье при и дает значения электрического к. п. д. для диодов Ганна из «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» GaAs 25 %. Довольно не плохое приближение к хорошей кривой выходит при использовании 2-ой гармоники напряжения. Другой путь увеличения к.п.д. состоит в применении в диодиках Ганна материалов с огромным отношением . Так «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме», для фосфида индия оно добивается 3,5, что наращивает теоретический электрический к. п. д. диодов до 40 %.

Следует подразумевать, что электрический к.п.д. генераторов на диодиках Ганна миниатюризируется на больших частотах, когда период колебаний «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» становится соизмеримым с временем установления ОДП (это проявляется уже на частотах ~30 ГГц). Инерционность процессов, определяющих зависимость средней дрейфовой скорости электронов от поля, приводит к уменьшению противофазной составляющей тока диодика. Предельные частоты диодов «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» Ганна, связанные с этим явлением, оцениваются значениями ~100 ГГц для устройств из GaAs и 150–300 ГГц для устройств из InP.

Выходная мощность диодов Ганна ограничена электронными и термическими процессами. Воздействие последних приводит к зависимости наибольшей мощности от «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» частоты в виде , где неизменная определяется допустимым перегревом структуры, термическими чертами материала, электрическим к.п.д. и емкостью диодика. Ограничения по электронному режиму связаны с тем, что при большой выходной мощности «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» амплитуда колебаний оказывается соизмеримой с неизменным напряжением на диодике: .

В доменных режимах потому в согласовании с имеем:

,

где –эквивалентное сопротивление нагрузки, пересчитанное к зажимам диодика и равное модулю активного отрицательного сопротивления ЛПД.

Наибольшая «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» напряженность электронного поля в домене существенно превосходит среднее значение поля в диодике , в то же время она должна быть меньше пробивной напряженности, при которой появляется лавинный пробой материала (для GaAs «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» ). Обычно допустимым значением электронного поля считают .

Как и для ЛПД, на относительно низких частотах (в сантиметровом спектре длин волн) наибольшее значение выходной мощности диодов Ганна определяется термическими эффектами. В миллиметровом спектре толщина «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» активной области диодов, работающих в доменных режимах, становится малой и преобладают ограничения электронного нрава. В непрерывном режиме в трехсантиметровом спектре от 1-го диодика можно получить мощность 1–2 Вт при к. п. д. до 14%; на частотах «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» 60–100 ГГц – до 100 вВт при к. п. д. в единицы процентов. Генераторы на диодиках Ганна характеризуются существенно наименьшими частотными шумами, чем генераторы на ЛПД.

Режим ОНОЗ отличается существенно более равномерным рассредотачиванием электронного поля «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме». Не считая того, длина диодика, работающего в этом режиме, может быть значимой. Потому амплитуда СВЧ-напряжения на диодике в режиме ОНОЗ может на 1–2 порядка превосходить напряжение в доменных режимах. Таким макаром «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме», выходная мощность диодов Ганна в режиме ОНОЗ может быть повышена на несколько порядков по сопоставлению с доменными режимами. Для режима ОНОЗ на 1-ый план выступают термические ограничения. Диоды Ганна в «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» режиме ОНОЗ работают в большинстве случаев в импульсном режиме с большой скважностью и генерируют в сантиметровом спектре длин волн мощность до единиц кв.

Частота генераторов на диодиках Ганна определяется в главном резонансной частотой колебательной «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» системы с учетом емкостной проводимости диодика и может перестраиваться в широких границах механическими и электронными способами.


^ В волноводном генераторе (рис.10, а) диодик Ганна 1 установлен меж широкими стенами прямоугольного волновода в конце железного стержня «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме». Напряжение смещения подается через дроссельный ввод 2, который выполнен в виде отрезков четвертьволновых коаксиальных линий и служит для предотвращения проникания СВЧ-колебаний в цепь источника питания. Низкодобротный резонатор образован узлами крепления «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» диодика в волноводе. Частота генератора перестраивается при помощи варакторного диодика 3, размещенного на полуволновом расстоянии и установленного в волноводе аналогично диодику Ганна. Нередко диоды включают в волновод с уменьшенной высотой , который соединен «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» с выходным волноводом стандартного сечения четвертьволновым трансформатором.

Рис.10. Устройство генераторов на диодиках Ганна:

а–волноводного; б–микрополоскового; в–с перестройкой частоты ЖИГ-сферой


^ В микрополосковой конструкции (рис.10, б) диодик 1 включен меж основанием и полосковым проводником. Для «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» стабилизации частоты употребляется высокодобротный диэлектрический резонатор 4 в виде диска из диэлектрика с малыми потерями и высочайшим значением (к примеру, из титаната бария), размещенного поблизости полоскового проводника МПЛ шириной . Конденсатор «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» 5 служит для разделения цепей питания и СВЧ-тракта. Напряжение питания подается через дроссельную цепь 2, состоящую из 2-ух четвертьволновых отрезков МПЛ с разными волновыми сопротивлениями, при этом линия с малым сопротивлением разомкнута. Внедрение «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» диэлектрических резонаторов с положительным температурным коэффициентом частоты позволяет создавать генераторы с малыми уходами частоты при изменении температуры (~40 кГц/°С).

^ Перестраиваемые по частоте генераторы на диодиках Ганна могут быть сконструированы с применением монокристаллов железоиттриевого лимонка «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» (рис.10, в). Частота генератора в данном случае меняется за счет перестройки резонансной частоты высокодобротного резонатора, имеющего вид ЖИГ–сферы малого поперечника, при изменении магнитного поля . Наибольшая перестройка достигается в бескорпусных «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» диодиках, имеющих малые реактивные характеристики. Частотный контур диодика состоит из недлинного витка, обхватывающего ЖИГ–сферу 6. Связь контура диодика с контуром нагрузки осуществляется за счет обоюдной индуктивности, обеспечиваемой ЖИГ–сферой и ортогонально расположенными «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» витками связи. Спектр электронной перестройки таких генераторов, обширно применяемых в автоматических измерительных устройствах, добивается октавы при выходной мощности 10–20 мВт.

Необходимо подчеркнуть, что расчет генераторов на диодиках Ганна затруднен ориентировочным нравом данных как о параметрах «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» эквивалентной схемы диодика, так и о параметрах эквивалентной схемы колебательной системы, также узла крепления диодика (в особенности на больших частотах). Обобщенную эквивалентную схему диодика Ганна обычно задают в виде, показанном на рис.11. Активную «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» область диодика представляют в виде параллельного соединения отрицательной проводимости () и емкости , значения которой в разных режимах работы могут значительно отличаться от «холодной» емкости диодной структуры . Величины и зависят как от неизменного напряжения «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» , так и от амплитуды СВЧ-напряжения , также частоты. Потому очень животрепещущей является неувязка конкретных измерений характеристик эквивалентной схемы диодов в реальных режимах работы. Конструкции корпусов диодов Ганна и значения «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» их паразитных характеристик не отличаются от конструкций и характеристик других диодов.


Р
ис.11. Обобщенная эквивалентная схема диодика Ганна.


^ Усилители на диодиках Ганна.

Большой энтузиазм представляют разработки усилителей на диодиках Ганна, в особенности для миллиметрового спектра длин «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» волн, где применение СВЧ-транзисторов ограничено. Принципиальной задачей при разработке усилителей на диодиках Ганна является обеспечение стойкости их работы (стабилизация диодика) и сначала угнетение малосигнальных колебаний доменного типа. Это может «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» быть достигнуто ограничением параметра диодика, нагрузкой диодика наружной цепью, выбором профиля легирования диодика, уменьшением поперечного сечения либо нанесением диэлектрической пленки на эталон. В качестве усилителей используют как диоды планарной и мезаструктуры, владеющие отрицательной проводимостью «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» при напряжениях выше порогового в широкой области частот поблизости пролетной частоты и использующиеся в качестве регенеративных усилителей отражательного типа с циркулятором на входе, так и поболее сложные пленочные структуры, в каких употребляется «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» явление нарастания волн большого заряда в материале с ОДП, именуемые нередко тонкопленочными усилителями бегущей волны (УБВ).

В субкритически легированных диодиках при нереально образование бегущего домена даже при напряжениях, превосходящих пороговое. Как «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» демонстрируют расчеты, субкритические диоды характеризуются отрицательным эквивалентным сопротивлением на частотах, близких к пролетной частоте, при напряжениях, превосходящих пороговые. Их можно использовать в усилителях отражательного типа. Но из-за малых динамического спектра и коэффициента «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» усиления они находят ограниченное применение.

Устойчивая отрицательная проводимость в широком спектре частот, достигающем 40%, реализуется в диодиках с при малой длине диодика (~8–15 мкм) и напряжениях . При наименьших напряжениях наблюдается генерация, срыв которой «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» при увеличении напряжения может быть объяснен уменьшением ОДП материала при повышении температуры прибора.

Однородное рассредотачивание электронного поля по длине диодика и устойчивое усиление в широкой полосе частот могут быть получены за счет неоднородного «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» легирования эталона (рис.12, а). Если поблизости катода имеется узенький слаболегированный слой длиной около 1 мкм, то он ограничивает инжекцию электронов из катода и приводит к резкому возрастанию электронного поля. Повышение концентрации «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» примеси по длине эталона по направлению к аноду в границах от до позволяет достигнуть однородности электронного поля. Процессы в диодиках с таким профилем обычно рассчитывают на ЭВМ.


Р
ис.12. Профиль легирования (а «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме») и рассредотачивание поля (б) в диодике Ганна с высокоомной прикатодной областью.

Рассмотренные типы усилителей характеризуются широким динамическим спектром, к.п.д., равным 2–3%, и коэффициентом шума ~10дБ в сантиметровом спектре длин волн.


Ведутся разработки тонкопленочных «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» усилителей бегущей волны (рис.13), которые обеспечивают однонаправленное усиление в широкой полосе частот и не требуют внедрения развязывающих циркуляторов. Усилитель представляет собой эпитаксиальный слой GaAs 2 шириной (2–15 мкм), выкормленный на высокоомной подложке 1. Омические катодные «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» и анодные контакты размещены на расстоянии друг от друга и обеспечивают дрейф электронов повдоль пленки при подаче на их неизменного напряжения . Два контакта 3 в виде барьера Шоттки шириной 1–5 мкм употребляются для ввода «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» и вывода СВЧ-сигнала из прибора. Входной сигнал, подводимый меж катодом и первым контактом Шоттки, возбуждает в потоке электронов волну большого заряда, которая меняется по амплитуде при движении к аноду с фазовой «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» скоростью .

Рис.13. Схема устройства тонкопленочного усилителя бегущей волны на GaAs с продольным дрейфом

Для работы усилителя требуется обеспечить однородность пленки и однородность электронного поля по длине прибора. Напряжение смещения УБВ лежит «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» в области ОДП GaAs, т. е. при . В данном случае происходит нарастание волны большого заряда при ее движении повдоль пленки. Устойчивое однородное рассредотачивание электронного поля достигается в УБВ за счет использования пленок малой толщины и «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» покрытия пленки GaAs диэлектриком с огромным значением .

Применение главных уравнений движения электронов для одномерного варианта (1), (3), (4) и режима малого сигнала, когда неизменные составляющие конвекционного тока, напряженности электронного поля и плотности заряда много «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» больше амплитуды переменных составляющих (), приводит к дисперсионному уравнению для неизменной распространения , имеющему решение в виде 2-ух волн.

Одна из их является прямой волной, распространяющейся повдоль пленки от катода к аноду с фазовой скоростью «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» , и имеет амплитуду, изменяющуюся по закону:

, (9)

где –время движения электронов от входа прибора. При работе в области ОДП и ровная волна наращивается. 2-ая волна является оборотной, распространяется от анода к катоду «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» и затухает по амплитуде как . Коэффициент диффузии для GaAs составляет , потому и оборотная волна стремительно затухает. Из (9) коэффициент усиления прибора равен (дБ)

(10)

Оценка по (10) при и дает усиление порядка 0,3–3 дБ/мкм. Следует «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» подразумевать, что выражение (10) является, по существу, высококачественным. Конкретное внедрение его для расчета нарастающих волн большого заряда может привести к ошибкам из-за сильного воздействия граничных критерий при малой толщине пленки, потому что «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме» задачка должна рассматриваться как двумерная. Нужно также учесть диффузию электронов, ограничивающую спектр частот, в каком может быть усиление. Расчеты подтверждают возможность получения в УБВ усиле­ния ~0,5–1 дБ/мкм на частотах 10 и поболее ГГц «Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме». Подобные приборы можно использовать также в качестве управляемых фазосдвигателей и линий задержки СВЧ.


[Л]. Березин и др. Электрические приборы СВЧ. – М. Высшая школа 1985.


effektivnost-ispolzovaniya-faktorov-investicionnogo-potenciala.html
effektivnost-ispolzovaniya-mineralnoj-dobavki-mergelya-vsravnenii-s-belkovo-vitaminno-mineralnim-koncentratom-v-racionah-molodnyaka-svinej-06-02-08-kormoproizvodstvo-kormlenie-selskohozyajstvennih-zhivotnih-i-tehnologiya-kormov.html
effektivnost-ispolzovaniya-osnovnih-fondov-predpriyatiya.html