ЗМІСТ
Введення
I. Аналіз конструктивних особливостей напівпровідникових діодів
1.1 Напівпровідникові діоди
1.1.1 Випрямні діоди
1.1.2 Діодні матриці і складання. Стабілітрони і стабістрони
1.1.3 Обмежувачі напруги
1.1.4 варикапа. Випромінюючі діоди
1.2 НВЧ-діоди
1.2.1. Детекторні діоди
1.2.2. Змішувальні НВЧ-діоди
1.2.3. Переключательние НВЧ-діоди
1.2.4. Тунельні діоди
1.2.5. Навернені діоди
1.2.6. Лавинно-пролітні діоди
1.3 Діод Ганна
II. Розрахунок параметрів і характеристик діода Ганна
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Науково-технічний прогрес немислимий без електроніки. Інтенсивний розвиток електроніки пов'язано з появою нових різноманітних напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем, які знаходять застосування в обчислювальній техніці, автоматиці, радіотехніки.
Напівпровідникові прилади у вигляді точкових діодів, або, як їх раніше називали, кристалічних детекторів, застосовували ще в перших електронних установках. Випрямні властивості контактів між металами і деякими сірчистими сполуками були виявлені в 1874 р. А. С. Поповим (вперше був використаний напівпровідниковий діод-детектор у його радіотелеграфне приймачі) в 1895 г при винаході радіо був застосований порошковий когерер, в якому використовувалися нелінійні властивості зернистих систем. У 1922р О. В. Лосєв (відкрив здатність напівпровідникового діода генерувати і підсилювати електричні сигнали) використовував негативне диференціальний опір, що виникає при певних умовах на точкових контактах металу з напівпровідником, для генерації та посилення високочастотних електромагнітних коливань. Крім того, їм було виявлено свічення кристалів карбіду кремнію при проходженні струму через точковий контакт.
Однак у цей період успішно розвивається техніка електровакуумних приладів і через недостатнє знання будови напівпровідників та у яких електрофізичних процесів напівпровідникові прилади тоді не отримали суттєвого розвитку та застосування.
У роки Великої Вітчизняної війни були розроблені точкові високочастотні та надвисокочастотні германієві і кремнієві діоди. У 1942р в СРСР було розпочато випуск напівпровідникових термоелектричних генераторів для безпосереднього перетворення теплової енергії в електричну. Термогенератор використовувалися для живлення переносних радіостанцій партизанських загонів. Створення та виробництво цих та багатьох інших приладів стало можливо завдяки фундаментальним теоретичним та експериментальним дослідженням властивостей напівпровідників, проведеним групою вчених під керівництвом академіка А.Ф. Йоффе.
З 1948р з моментів створення американськими вченими Дж. Бардіним, В. Браттейном, і В. Шоклі точкового транзистора почався новий етап напівпровідникової електроніки. У п'ятдесятих роках були розроблені різні типи транзисторів, потужних германієвих і кремнієвих випрямних діодів, тиристорів, тунельних діодів та інших напівпровідникових приладів. [1]
Велика робота з вивчення процесів випрямлення виконана німецьким вченим В. Шотткі і американським ученим Н. Мотта. Але найбільшим досягненням в галузі напівпровідникових приладів з'явився винахід в 1984 г американськими вченими Д. Б. Бардіним, В. Браттейном і У. Шоклі напівпровідникового підсилювального елемента - транзистора. Володіючи практично необмеженим терміном служби, транзистори дозволили істотно підвищити надійність радіоелектронних систем, у багато разів зменшити їх розміри і скоротити споживання ними електричного струму.
У СРСР перші зразки точкових транзисторів були виготовлені в 1949 р А.В. Красиловим і С.Г. Мадоян.
Відкриття транзистора послужило початком нового етапу у розвитку напівпровідникової електроніки. У період з 1948 по 1985р було створено понад 60 різних типів твердотільних приладів, з яких в даний час вітчизняної та зарубіжної промисловістю освоєно виробництво більше 30.
Паралельно з розробкою напівпровідникових випрямлячів і підсилювачів були розроблені прилади, принцип дії яких заснований на властивостях напівпровідникових матеріалів змінювати свій опір під дією різних зовнішніх факторів.
Нелінійні напівпровідникові резистори-терморезистори, фоторезистори і варистори - знайшли широке застосування в електронній та радіоелектронної апаратури, автоматики і електротехніки. Перші роботи, присвячені питанням конструювання та застосування нелінійних резисторів, були опубліковані в кінці 50-х років. Створення нових типів нелінійних резисторів пов'язано з іменами радянських вчених Б. Т. Коломійця, І. Т. Шефтель, В.В Пасинкова.
Великою подією в радіотехніці і техніці зв'язку була поява тунельного діода. Його винахід належить японському вченому Л. Есакі. У 1957р вивчаючи p - n-переходи, виготовлені в сильнолегированной германії, він виявив аномальний хід вольт-амперних характеристик, обумовлений тунельним ефектом.
У наступні роки спостерігається швидке просування напівпровідникових приладів в область надвисоких частот. Прогрес у цьому напрямку було досягнуто в результаті значного удосконалення технології виготовлення НВЧ-транзисторів, тунельних діодів і варикапів. У 1959 р радянським ученим А.С. Тагером і його працівниками було виявлено генерація когерентних коливань НВЧ в p - n-переході при ударній іонізації. Цей ефект став основною лавино-пролітного діода, на якому створено клас НВЧ-пристроїв: генератори, підсилювачі і перетворювачі частоти.
Незважаючи на досягнуті успіхи в напівпровідниковій електроніці, не можна вважати знання в цій області достатніми. Мають відбутися дослідження нових властивостей напівпровідників і створення принципово нових приладів.
Напівпровідникова електроніка дала можливість розгорнути роботи з мініатюризації і мікромініатюрізації електронного обладнання. [2]
I. АНАЛІЗ КОНСТРУКТИВНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ
1.1 Напівпровідниковий діод
Напівпровідниковий діод-це напівпровідниковий прилад з одним випрямляючих електричним переходом і двома зовнішніми висновками, в якому використовується та чи інша властивість випрямляє переходу.
Як випрямляє електричного переходу в напівпровідникових приладах може бути електронно-дірковий перехід, гетероперехід або контакт метал-напівпровідник.
У діоді з електронно-дірковим переходом крім випрямляє електричного переходу має бути два невипрямляющіх переходу, через які p - і n-області діода з'єднані з висновками. У діоді з випрямляючих електричним переходом у вигляді контакту метал-напівпровідник всього один невипрямляющій перехід.
а)
Н В Н
а) з електронно-дірковим переходом; В - розпрямлюючі контакти;
Н - невипрямляющіе контакти
Малюнок 1.1 Структура напівпровідникових діодів
Зазвичай напівпровідникові діоди мають несиметричні електронно-діркові переходи. Тому при прямому включенні діода кількість неосновних носіїв, інжектованих з сильнолегированной області в слаболегірованную область, значно більше, ніж кількість неосновних носіїв, що проходять в протилежному напрямку. Відповідно до загальним визначенням область напівпровідникового діода, в яку відбувається інжекція неосновних носіїв, називають базою діода. Таким чином, в діод базової областю є слаболегірованная область.
У залежності від співвідношення лінійних розмірів випрямляє переходу та характеристичної довжини розрізняють площинні і точкові діоди. Характеристичної довжиною для діода є найменша з двох величин, що визначає властивості і характеристики діода: дифузійна довжина неосновних носіїв в базі або товщина баз.
Площинним називають діод, у якого лінійні розміри, що визначають площу випрямляє електричного переходу, значно більше характеристичної довжини.
Точковим називають діод, у якого лінійні розміри, що визначають площу випрямляє електричного переходу, значно менше характеристичної довжини.
Випрямляючий перехід крім ефекту випрямлення володіє і іншими властивостями: нелінійністю вольт-амперної характеристики; явищем ударної іонізації атомів напівпровідника при відносно великих для даного переходу напругах; явищем тунелювання носіїв крізь потенційний бар'єр переходу як при зворотному, так в певних умовах і при прямій напрузі; бар'єрної ємністю. Ці властивості випрямляє переходу використовують для створення різних видів напівпровідникових діодів: випрямних діодів, змішувачів, умножителей, модуляторів, стабисторов, стабілітронів, лавино-пролітних діодів, тунельних і звернених діодів, варикапів. [1]
1.1.1 Випрямні діоди
Діоди, використовувані в електричних пристроях для перетворення змінного струму в струм однієї полярності, називають випрямними.
Різновидом випрямних діодів є лавинні діоди. Ці прилади на зворотній гілки ВАХ мають лавинну характеристику, подібну стабілітрона. Наявність лавинної характеристики дозволяє застосовувати їх в якості елементів захисту кіл від імпульсних перенапруг, у тому числі безпосередньо в схемах випрямлячів.
1.1.2 Діодні матриці і зборки
Діодні матриці і зборки призначені для використання в багатоступінчастих діод-резистивних логічних пристроях, що виконують операції І, АБО, діодних функціональних дешифратора, різних комутаторів струму і інших імпульсних пристроях. Конструктивно вони виконані в одному корпусі і можуть бути електрично з'єднані в окремі групи або в одну групу (загальний анод і роздільні катоди, загальний катод і роздільні аноди), послідовно з'єднані або електрично ізольовані.
1.1.3 Стабілітрон і стабістрон
Стабілітроном називають напівпровідниковий діод, напруга на зворотному гілки ВАХ якого в галузі електричного пробою слабо залежить від значення проходить струму.
1.1.4 Обмежувачі напруги
Обмежувач напруги - це напівпровідниковий діод, що працює на зворотному гілки ВАХ з лавинним пробоєм і (або) на прямій галузі характеристики, і призначений для захисту від перенапруг електричних ланцюгів інтегральних та гібридних схем, радіоелектронних компонентів і багатьох інших кіл апаратури.
Обмежувачі напруги можуть бути несиметричні і симетричні. Прилади першої групи в основному призначені для захисту кіл постійного струму, другий - змінного струму.
1.1.5 варикапи
Варикап - це напівпровідниковий діод, в якому використовуються залежність ємності p - n переходу від зворотної напруги.
Варикапи зручні тим, що, подаючи на них постійна напруга зсуву, можна дистанційно і практично безінерційної міняти їх ємність і тим самим резонансну частоту контуру, до якого включено варикап. Варикапи застосовують для посилення і генерації НВЧ сигналів, перебудови частоти коливальних контурів або автопідстроювання частоти.
1.1.6 Випромінюючі діоди
Випромінюючим діодом називають напівпровідниковий прилад, що випромінює кванти світла при протіканні через нього прямого струму.
За характеристикою випромінювання випромінюючі діоди можна розділити на дві групи: з випромінюванням у видимій частині спектру (світлодіоди) та інфрачервоній - діоди ІЧ-випромінювання.
1.2 Надвисокочастотні діоди
Більшість надвисокочастотних (НВЧ) діодів є точкові діоди, випрямлення в яких відбувається на контакті метал - напівпровідник. Особливістю таких контактів є можливість випрямлення без інжекції неосновних носіїв в кристал напівпровідника. Тому в базі діода не відбувається накопичення та розсмоктування носіїв, що властиво площинним діодів, що обмежують їх частотний діапазон.
Залежно від виконуваної функції та застосування НВЧ діоди поділяються на детекторні, змішувальні, помножувальні, переключательние, обмежувальні, параметричні й генераторні. [3]
1.2.1 Детекторні НВЧ - діоди
Напівпровідникові діоди, призначені для детектування сигналу, називають детекторними. Як детектори використовують, як правило, площинні або точкові діоди з переходом Шотткі.
Детекторні діоди випускають у різних корпусах: в керамічному патроні, в коаксіальному патроні, в керамічному патроні у формі таблетки.
Малюнок 1.2-Еквівалентна схема детекторного діода
1.2.2 Змішувальні НВЧ-діоди
Змішувальним називають напівпровідниковий діод, призначений для перетворення високочастотних сигналів в сигнал проміжної частоти.
Втрати перетворення змішувального діода висловлюють ставленням
L ПРБ = P СВЧ / P п.ч (1.1)
де Р свч - номінальна потужність підводиться НВЧ - сигналу; Р п. год - номінальна потужність сигналу проміжної частоти.
Зазвичай Ⅼ ПРБ висловлюють в децибелах (дБ).
Ⅼ ПРБ = 10lg P СВЧ / P п. год (1.2)
Якість змішувального діода в значній мірі визначається властивостями напівпровідника, з якого він виготовлений.
Κ = α / μ εε ₀ / n (1.3)
α - радіус контакту, μ - рухливість основних носіїв заряду; n - концентрація основних носіїв заряду.
Чим менше значення К, тим кращими властивостями володіє змішувальний діод.
1.2.3 переключательние НВЧ-діоди
Перемикальних називають напівпровідниковий діод, призначений для застосування в пристроях управління рівнем надвисокочастотної потужності.
Використання напівпровідникових діодів як перемикаючих пристроїв дозволяє створювати швидкодіючі фазові модулятори в міліметровому діапазоні хвиль. На рис 1.3 представлені еквівалентні схеми діодів, що використовуються в якості перемикачів: діода з p - n-переходом або переходом Шотткі (а) і діода з p - i - n-структурою (б).
Малюнок 1.3-Еквівалентні схеми перемикача діода.
Повна еквівалентна схема перемикача НВЧ-діода крім опору p - n-переходу містить ємність корпусу, і індуктивність контактної дроту (в). У перемикальних діодах L к і C п є елементами резонансних контурів, утворених діодом, і, таким чином, їх значення не можуть бути довільними.
Важливим параметром вимикачів є критична частота f кр.п. д., що характеризує ефективність перемикача діода і визначається за формулою:
f кр.п.д, = 1/2πC стр √ r пр.п.д r обр.п.д (1.4)
де C стр - ємність структури.
1.2.4 Тунельні діоди
Тунельним називають напівпровідниковий діод з урахуванням виродженого напівпровідника, в якому тунельний ефект призводить до появи на вольт-амперної характеристики при прямій напрузі ділянки негативної диференційної провідності.
Еквівалентна схема тунельного діода складається з ємності переходу C p - n, опору втрат r п - сумарного активного опору кристала, омічних контактів і висновків; диференціального опору r диф - величини, зворотної крутизні вольт-амперної характеристики; індуктивності діода-повній послідовної індуктивності діода при заданих умовах і ємності корпусу З кор. Ємність між висновками діода С д = C p - n + С кор.
Малюнок 1.3-Еквівалентна схема тунельного діода
Частотні властивості тунельних діодів характеризуються: резонансною частотою f ₀ - частотою, на якій загальна реактивний опір діода звертається в нуль; граничної резистивної частотою f R, на якій активна складова повного опору послідовного ланцюга, що складається з p - n-переходу і опору втрат, звертається до нуль:
f R = 1 / 2 π | r діфmin | C д √ r діфmin / r n -1 (1.5)
1.2.5 Навернені діоди
Різновидом тунельних діодів є звернені діоди. Зверненим називають напівпровідниковий діод з урахуванням напівпровідника з критичною концентрацією домішки, в якому провідність при зворотній напрузі значно більше, ніж при прямому внаслідок тунельного ефекту. Великий зворотний струм і нелінійність поблизу нульової точки дозволяють використовувати такі тунельні діоди в якості пасивного елемента радіотехнічних пристроїв, детекторів і змішувачів для роботи при малому сигналі і як ключові пристрої для імпульсних сигналів малої амплітуди.Вольт-амперну характеристику звернених діодів для напруги U <U max можна апроксимувати формулою
I ≈ U / r диф e βU (1.6)
де r диф - диференціальний опір діода при U = 0; β можна визначити експериментально по нахилу кривої залежності логарифма провідності від напруги:
ln l / U (U) =-ln r диф - βU (1.7)
Еквівалентна схема зверненого діода не відрізняється від еквівалентної схеми тунельного діода
1.2.6 Лавинно-пролітні діоди
Лавинно-прогоновою (ЛПД) називають напівпровідниковий діод, що працює в режимі лавинного розмноження носіїв заряду при зворотному зміщенні електричного переходу та призначений для генерації надвисокочастотних коливань.
Лавино-пролітний діод має негативним диференціальним опором у режимі лавинного пробою. Недоліком ЛПД є дуже низький ККД Це пояснюється тим, що амплітуда коливального напруги на діоді набагато менше постійної напруги, прикладеної до діода для забезпечення режиму лавинного множення. [2]
1.3 Діод Ганна
У 1963 р. Дж. Ганн (J. Gunn) встановив, що якщо в монокристаллическом зразку з арсеніду галію (GaAs) або фосфіду індію n-типу створити постійне електричне поле з напруженістю вище деякого порогового значення, то в ланцюзі виникають спонтанні коливання сили струму НВЧ-діапазону. Пізніше Ганн встановив, що при напруженості поля вище порогової у катода формується домен сильного електричного поля, який рухається до анода зі швидкістю приблизно рівної 10 5 м / с і зникає у анода. Коли домен формується, сила струму в ланцюзі зменшується, при зникненні домену сила струму зростає. Таким чином, в ланцюзі виникають періодичні коливання сили струму. У цьому ж році Б.К. Рідлі висловив ідею про те, що доменна нестійкість повинна з'являтися у напівпровідниковому зразку, якщо на його вольт-амперної характеристиці є ділянка з негативною диференціальної провідністю N-типу. Такий вид вольт-амперна характеристика буде мати, якщо при збільшенні напруженості поля швидкість носіїв або їхня концентрація зменшуються. Б.К. Рідлі, Т.Б. Уоткінс і С. Хілсум показали, що в GaAs і InP n-типу швидкість електронів повинна зменшуватися з ростом напруженості електричного поля, коли вона перевищить деяке граничне значення, достатнє для того, щоб обумовити междолінний перехід електронів з нижньої долини, де їхня рухливість велика, в більш високолежащіе долини зони провідності, у яких рухливість електронів різко знижується. У 1964 р. Н. Кремер указав, що всі основні закономірності ефекту Ганна можуть бути пояснені на основі механізму Рідлі - Уоткінс - Хілсума.
В основі дії діодів на ефекті Ганна (діоди на ефекті Ганна скорочено називаються діодами Ганна) лежить ефект междолінного перенесення електронів (ефект Ганна). На основі ефекту Ганна створені генераторні та підсилювальні діоди, що застосовуються в якості генераторів накачування в параметричних підсилювачах, гетеродинов в супергетеродинних приймачах, генераторів в малопотужних передавачах і в вимірювальній техніці. Вихідна потужність GaAs діодів досягає 1 Вт в безперервному режимі на частоті до 10 ГГц, 220 МВт на частотах 50 ... 60 ГГц, 160 мВт на 65 ГГц, 10 мВт на частоті 100 ГГц і 4 мВт на 110 ГГц. Імпульсна потужність досягає 100 Вт на частоті 10 ГГц, а в режимі обмеженого накопичення об'ємного заряду має порядок 1 кВт. Для InP діодів у безперервному режимі вихідна потужність - до 1,5 Вт, а максимальна робоча частота - до 200 ГГц.
Діоди Ганна-це напівпровідникові прилади з негативним динамічним опором, що виникають під впливом сильного електричного поля, призначені для генерування і посилення надвисокочастотних коливань. [4]; напівпровідниковий діод, дія якого заснована на появу негативного об'ємного опору під впливом сильного електричного поля, призначений для генерації і посилення НВЧ-коливань. [2];
Незважаючи на принципову простоту конструкції діода Ганна, що представляє собою пластину однорідного кристала арсеніду галію з електропровідністю n-типу з невипрямляющімі контактами, нанесеними на його противолежащие боку, у виробництві таких приладів зустрічаються труднощі, пов'язані, перш за все з відтворюваністю однорідного легування арсеніду галію.
Питомий опір вихідного арсеніду галію вибирають від 1 до 10 Ом * див Час діелектричної релаксації, що обмежує швидкість утворення доменів, в цьому випадку 10 -12 - 10 -11 с.
У діодах Ганна, які мають товщину кристала між електродами більше 200 мкм, коливання, як правило, некогерентних. Це пов'язано з наявністю в кожному з кристалів декількох дефектів, на яких можуть зароджуватися домени. Шлях, пробігає доменом від місця його зародження до анода, визначає період коливань. Тому якщо домени зароджуються на різних неоднорідностях кристала, тобто на різних відстанях від анода, то коливання мають шумовий характер. Застосування діодів Ганна практично виправдано у діапазоні частот понад 1 ГГц, що відповідає товщині кристалів напівпровідника між електродами l ≤ 100 мкм.
У свою чергу найменша товщина кристалів напівпровідника для діодів Ганна обмежується технологічними труднощами. Так, при використанні традиційних методів виготовлення тонких пластинок з арсеніду галію (шліфування, полірування і травлення) вдається отримати діод Ганна з l ≈ 2 мкм, величиною граничної напруги 1В і частотою генерації близько 30 ГГц. Однак такий метод виробництва діодів Ганна малої довжини надзвичайно важкий і дуже трудомісткий.
Більш прийнятний метод фотолітографії, який дозволяє зменшити відстань між контактами до 1 мкм. Перспективним у виготовленні тонких плівок арсеніду галію є метод епітаксійного нарощування.
При створенні низькоомних омічних контактів, необхідних для роботи діодів Ганна, існують два підходи.
Перший з них полягає в пошуках прийнятної технології нанесення таких контактів безпосередньо на високоомний арсенід галію.
Другий підхід полягає у виготовленні багатошарової конструкції генератора (типу «сендвіч»). У діодах такої структури на шар порівняно високоомного арсеніду галію, службовця робочою частиною генератора, нарощують з двох сторін епітаксиальні шари щодо низкоомного арсеніду галію з електропровідністю n-типу. Ці високолеговані шари служать перехідними прошарками від робочої частини приладу до металевих електродів.
Такі багатошарові генератори мають дві переваги в порівнянні зі звичайною конструкцією діодів Ганна. По-перше, нанесення металевих контактів на сильнолегированной матеріал є порівняно простий і добре освоєної в серійному виробництві операцією. По-друге, при дуже тонкої робочої частини діода може мати порівняно велику загальну товщину, що спрощує поводження з ним при напайку зовнішніх висновків, монтажі в НВЧ-патрон.
Проводилися експерименти з виготовлення діодів Ганна на основі таких матеріалів, як телурид кадмію, арсенід і фосфід індію. Однак техніка отримання цих матеріалів відпрацьована гірше, ніж техніка отримання арсеніду галію і експерименти мали суто наукове значення. Арсенід галію є поки єдиним матеріалом, практично застосовуваним для виготовлення діодів Ганна.
Структура діода Ганна являє собою в принципі однорідну плівку з високоомного напівпровідника з омічними контактами з обох сторін плівки. Активна область - високоомних плівка напівпровідника n-типу. Зміст легуючої домішки в GaAs-плівці вибирається виходячи з її товщини. Товщина плівки пов'язана з робочою частотою співвідношенням (T ≈ ω / v). Практично концентрація домішок в плівці має порядок 10 15 см -3. Один з контактів називають катодом (К), протилежний контакт - анодом (А). Електрони рухаються від катода до аноду. Структури діодів Ганна не містять випрямляючих переходів.
Плівка вирощена на високолегованої підкладці з GaAs. Концентрація легуючої домішки в підкладці - близько 10 18 см -3. Товщина підкладки 100 ... 200 мкм. Поверх плівки вирощений ще один шар високолегіруванного GaAs n-типу. Концентрація легуючих домішок в цьому шарі приблизно така ж, як в підкладці. Високолеговані шар і підкладка необхідні, щоб поліпшити якість омічних контактів. Виходить шарувата структура n +-nn + - типу. Після цього велика частина товщини підкладки сошліфовивают для поліпшення умов відведення тепла від активного шару діода. На обидві сторони утвореної структури наносять металеві плівки, службовці омічними контактами. Найбільш поширені омические контакти з евтектичного сплаву Ge з Au і срібно-оловяністих контакти.
Шарувату структуру великої площі (пластину) поділяють на окремі діодні структури (кристали). Діаметр вихідної пластини дорівнює діаметру зливка (близько 10 мм). Розмір кристала для одного діода складає долі міліметра. Поділ пластини на кристали виробляють найчастіше хімічним травленням з застосуванням техніки фотолітографії. У результаті поділу утворюються мезаструктур.
Практично шарувата (тришарова) структура n +-nn + - типу може працювати тільки при певній полярності прикладеної напруги - коли анодом є підкладка. Причина полягає в тому, що рівні легування підкладки і епітаксіального n + - шару неоднакові, n + - n-перехід між епітаксіальним n + - шаром і активним n-шаром різкіший, ніж перехід між підкладкою і тим же n-шаром. Умови для утворення домену на різкому n +-n-переході виявляються більш задовільними, тому коли в якості катода використовується епітаксійний n + - шар, то діод Ганна працює ефективніше. Щоб діоди працювали однаково при обох полярностях прикладеної напруги, іноді вдаються до створення додаткового (буферного) епітаксіального n + - шару між підкладкою і n-шаром (чотиришарові n + + - n + - nn +-структури)
Характерною особливістю діодів Ганна є дуже висока розсіює потужність в діод, що припадає на одиницю об'єму структури (висока щільність розсіюваною потужності). Щільність розсіюваною потужності досягає в деяких ділянках структури діода 10 квітня Вт / мм 3. Це пов'язано з тим, що для утворення доменів необхідні електричні поля високої напруженості при малих розмірах структури і великих значеннях струму.
Настільки висока щільність потужності призводить до інтенсивного тепловиділення, що серйозно ускладнює питання конструювання діодів Ганна. Зменшити щільність тепловиділення збільшенням поперечної площі структури діода (тобто збільшити обсяг структури) не вдається, тому що при цьому погіршуються умови охолодження її внутрішніх частин. Справа ускладнюється також низькою теплопровідністю GaAs. Для вирішення цього завдання знайдено кілька досить складних шляхів.
Перш за все, для поліпшення тепловідводу сошліфовивают більшу частину підкладки, щоб довести товщину шару до значення менш 10 мкм. Металеві контакти до обох сторін структури створюють напиленням металу у вакуумі з наступним хімічним нарощуванням. Такий контакт покращує умови тепловідведення. Для поліпшення тепловідводу структура діода приєднується до крісталлодержателю з боку n + - шару, вирощеного на активному шарі діода. Перевага полягає в меншій товщині n + - шару з цього боку. Для діодів з таким «перевернутим» монтажем характерно тепловий опір 10 ... 20 град / Вт, у той час як для прямого монтажу 30 ... 60 град / Вт. Тому перевернутий монтаж застосовується в основному для виготовлення потужних діодів з Р вих> 1 Вт.
Оскільки збільшувати площу структури не вдається, то застосовують многомезную площа структури, що містить кілька мезаструктур (3-5) в одному діоді. Якщо окремі структури досить віддалені один від одного, то вдається помітно знизити температуру гарячої області діода. Може бути використана також кільцева структура. Помітний позитивний ефект у вигляді зменшення температури структури діода досягається, коли внутрішній діаметр кільця становить більш ніж 70 ... 80% зовнішнього діаметра.
Щоб поліпшити умови теплопередачі від структури діода до крісталлодержателю, пропонувалося упресовують в крісталлодержатель алмазну пластинку для приєднання до неї діодної структури. Теплопровідність алмазу дуже велика, однак висока вартість і складність обробки і металізації ускладнюють його використання
Найбільш поширеним конструктивним оформленням діода Ганна є мініатюрний корпус, який представляє собою кварцове або керамічне колечко, металізоване з торцевих поверхонь. Усередині корпусу монтується структура діода, що сидить на масивному теплоотводе.
Технологія InP-діодів в принципі близька до технології арсенід-галієвих приладів, але містить важлива відмінність - складний профіль легуючої домішки в катода фосфід - індіевих діодів. Такий профіль необхідний у зв'язку з особливостями руху електронів в фосфіду індію. Технологія InP-приладів знаходиться поки що у стадії розвитку.
К-катод, А-анод, 1-активний n-шар, 2-проміжний n +-шар, 3-металеві контакти, 4 - підкладка n +-типу, 5 - тепловідвід, 6-стрічковий висновок.
Малюнок 1. 5 - Структура діода Ганна з перевернутим монтажем
При експериментальному дослідженні в діодах Ганна виявлена своєрідна рушійна неоднорідність напруженості електричного поля в робочому режимі. При малому доданому до діода напрузі електричне поле в структурі рівномірно. При збільшенні прикладеної напруги зростає напруженість електричного поля в діоді і, досягнувши критичного значення, розподіл електричного поля в діод перестає бути однорідним. При цьому утворюються області слабкого і сильного полів. Область сильного поля отримала назву домен сильного поля, домен рухається в структурі діода від катода до анода зі швидкістю, близькою до швидкості дрейфу електронів. У GaAs швидкість дрейфу електронів при напруженості електричного поля, близькою до критичної, дорівнює приблизно 10 7 см / с. Домен доходить до анода і зникає в ньому. Як тільки домен зникне, у катода утворюється новий домен і починає рухатися до анода.
Розглянуте явище називається доменної нестійкістю. Напруженість електричного поля в домені дуже висока - від 40 до 200 кВ / см, а поза домену тільки 1 ... .. 2 кВ / см. Розміри домену складають зазвичай 1 / 10 ... 1 / 30 товщини структури діода.
У основі явища доменної нестійкості лежить особлива залежність швидкості дрейфу електронів у таких напівпровідниках як GaAs і InP від Е. Особливість цієї залежності полягає в тому, що існує такий інтервал напруженостей електричного поля, коли при зростанні Е швидкість дрейфу електронів поля, зменшується.
На рух електронів в кристалі діють докладені ззовні електричні поля і внутрішнє, створене атомами, що утворюють кристал. Умовно вважають, що при русі в кристалі електрон піддається тільки впливу прикладеного електричного поля, але при цьому його маса відрізняється від маси, яку він має при русі поза кристалом. Цю умовну масу, як би змінену під дією внутрішніх полів, називають ефективною масою електрона в кристалі напівпровідника.
У GaAs і InP на високих рівнях енергії ефективна маса електрона настільки велика, що швидкість дрейфу при більш високих енергіях виявляється нижче, ніж при менших енергіях. У цьому й полягає причина появи падаючого ділянки. Зменшення швидкості дрейфу призводить до утворення згустків дрейфуючих електронів.
Розподіл напруженості електричного поля Е по товщі структури діода ніколи не може бути ідеально однорідним. Особливо неоднорідне цей розподіл у катода і біля анода через неоднорідність складу та питомого опору напівпровідника в цих областях. Нехай між анодом і катодом прикладено постійна напруга, що створює в структурі діода напруженість електричного поля. З-за неоднорідності опору напівпровідника в катода напруженість електричного поля в деяких точках нижче, ніж у сусідніх. Але зниження Е нижче критичного значення веде до підвищення швидкості дрейфу, а підвищення Е веде до зниження швидкості електронів в цьому місці структури. До вповільнилися електронам почнуть підходити електрони, що знаходилися ближче до катода, утворюючи в місці неоднорідності надлишок, «згусток" електронів. Електрони, що знаходяться ближче до анода, йтимуть від вповільнилися електронів. У результаті в структурі діода виникає домен сильного поля. Фронт домену, звернений до анода, збіднений електронами. Фронт, звернений до катода, являє собою згусток електронів.
Домен може виникнути і на неоднорідності структури поблизу анода. Але в цьому випадку він буде майже відразу поглинений анодом і не встигне вирости. При своєму русі від катода до анода домен захоплює все нові електрони, але його зростання заважають сили взаємного відштовхування цих заряджених частинок. Теоретично доведено і підтверджено експериментально, що умовою зростання домену є співвідношення
n 0 ω> жовтні 1912 1/см 2 (1.8)
де n 0 - концентрація рухливих електронів в напівпровіднику, ω-відстань між катодом і анодом. Якщо ця умова дотримана, то домен збільшується, рухаючись до аноду.
Процесом освіти, руху та зникнення доменів сильного поля цілком пояснюється явище пульсації струму в ланцюзі з діодом Ганна. Поки домен рухається, електричне поле поза його дуже мало. Швидкості дрейфу носіїв заряду поза домену також відносно малі і відповідно малий струм в ланцюзі діода. Коли домен зникне, досягнувши анода, а новий домен ще не встигне утворитися, то розподіл напруженості поля в товщі діодної структури стане майже однорідним. Тоді всі електрони діода в повній мірі беруть участь у перенесенні струму, і останній у цей проміжок часу сягає пікового значення.
I max = Sen 0 v max (1.9)
Практично діоди Ганна можуть мати значення ω від одиниць до декількох сотень мікрометрів, при цьому тривалість періоду коливань лежить в діапазоні НВЧ.
Такий режим роботи діода Ганна називають прогоновою режимом. У пролетном режимі струм через діод являє собою імпульси, наступні з періодом T = t пр = l / v будинок. Діод генерує НВЧ-коливання з пролітної частотою f пр = 1 / t пр = v будинок / l, що визначається в основному довжиною зразка і слабко залежної від навантаження (саме такі коливання спостерігав Ганн при дослідженні зразків з GaAs і InP). [4]
Електронні процеси в діоді Ганна повинні розглядатися з урахуванням рівнянь Пуассона, безперервності і повної щільності струму, що мають для одновимірного випадку наступний вигляд:
e dn / dt + ed / dx [nv (E) - D dn / dx] = 0 (1.10)
J повн = I / S = env (E) - eD dn / dx + εε 0 dE / dt (1.11)
Миттєве напруга на діоді U = Edx. Повний струм не залежить від координат і є функцією часу. Часто коефіцієнт дифузії D вважають не залежних від електричного поля.
У залежності від параметрів діода (ступеня і профілю легування матеріалу, довжини та площі перетину зразка і його температури), а також від напруги живлення і властивостей навантаження діод Ганна, як генератор і підсилювач НВЧ-діапазону, може працювати в різних режимах: доменних, обмеження накопичення об'ємного заряду (ОНОЗ), гібридному, біжучих хвиль об'ємного заряду, негативною провідності.
Для доменних режимів роботи діода Ганна характерна наявність у зразку сформувався дипольного домену протягом значної частини періоду коливань. Швидкість домену v будинок і максимальна напруженість поля в ньому Е будинок пов'язані правилом рівних площ
∫ [v (E) - v будинок] dx = 0 (1.12)
Відповідно до цього правила площі, v (E), v будинок = const, E будинок = const, є однаковими. Максимальна напруженість поля E будинок в домені значно перевищує поле Е в поза домену і може досягати десятків кВ / см.
Довжина домену залежить від концентрації донорної домішки, а також від напруги на діоді і при n 0 ≈ 10 15 см -3 складає 5 - 10 мкм. Зменшення концентрації домішки призводить до розширення домену за рахунок збільшення збідненого шару. Формування домену відбувається за кінцевий час τ ф і пов'язане з встановленням негативної диференційної провідності і з наростанням об'ємного заряду. Постійна часу наростання об'ємного заряду в режимі малого обурення дорівнює постійної діелектричної релаксації τ д і визначається негативної диференційної рухливістю μ диф і концентрацією електронів n 0. При максимальному значенні μ 2діф ≈ 2000 см 2 * (В * з) -1 τ д. ≈ 3 * 10 -12 c, тоді як час встановлення ОДП менш 10 -12 с. Таким чином, час формування домену визначається в значній мірі процесом перерозподілу об'ємного заряду. Воно залежить від початкової неоднорідності поля, рівня легування і прикладеної напруги. Наближено вважають, що домен встигне повністю сформуватися за час:
τ ф ≈ (10 ÷ 20) τ д ≈ 5 * 10 4 / n 0 (1.13)
де n 0 виражено в см -3. Говорити про доменні режимах має сенс тільки в тому випадку, якщо домен встигне сформуватися за час прольоту електронів у зразку t пр = l / v нас Звідси умовою існування дипольного домену є t пр> τ ф, або n 0> 5 * 10 11 см - 2
Значення твору концентрації електронів на довжину зразка n 0 l = 5 * 10 11 називається критичним і позначають (n 0 l) кр. Це значення є кордоном доменних режимів діода Ганна і режимів зі стійким розподілом електричного поля в однорідно легованому зразку. При n 0 l <(n 0 l) кр домен сильного поля не утворюється, і зразок називають стабільним. При n 0 l> (n 0 l) кр можливі різні доменні режими. Критерій типу n 0 l <(n 0 l) кр справедливий, строго кажучи, лише для структур, у яких довжина активного шару між катодом і анодом багато менше поперечних розмірів: l <<d, що відповідає одномірної завданню і характерно для планарних і мезаструктур . У тонкоплівкових структур епітаксійний активний шар GaAs довжиною l може бути розташований між високоомній підкладкою та ізолювальної діелектричної плівкою, виконаної з SiO 2. Омічні анодні і катодні контакти виготовляють методами фотолітографії. Поперечний розмір діода d може бути порівняний з його довжиною l. У цьому випадку утворюються при формуванні домену об'ємні заряди створюють внутрішні електричні поля, що має не тільки поздовжню компоненту Е х, але і поперечну компоненту Е у. Це призводить до зменшення поля в порівнянні з одномірної завданням. При малій товщині активної плівки, коли d <<l, критерій відсутності доменної нестійкості n 0 l <(n 0 l) кр замінюється на умову n 0 d <(n 0 d) кр. Для таких структур n 0 l при стійкому розподілі електричного поля може бути більше 5 * 10 11 см -2.
Час формування домену не повинно перевищувати напівперіоду НВЧ - коливань. Тому є й друга умова існування рушійної домену τ ф <T/2, з якого отримуємо n 0 / f> 10 5 см -3 * c.
Залежно від співвідношення часу прольоту і періоду НВЧ - коливань, а також від значень постійної напруги U 0 і амплітуди високочастотного напруги U m можуть бути реалізовані наступні доменні режими: пролітний, режим з затримкою домену, режим з придушенням (гасінням) домену. Процеси, що відбуваються в цих режимах, розглянемо для випадку роботи діода Ганна на навантаження у вигляді паралельного коливального контуру з активним опором R н на резонансній частоті і харчуванням діода від генератора напруги з малим внутрішнім опором. При цьому напруга на діоді змінюються за синусоїдальним законом. Генерація можлива при U 0> U пір ..
При малому опорі навантаження, коли R н ≃ R 0, де R 0 = l / (en 0 μ 1 S)-опір діода Ганна в слабких полях, амплітуда високочастотного напруги U m невелика і миттєве напруга на діоді перевищує порогове значення. Тут має місце розглянутий раніше пролітний режим, коли після формування домену струм через діод залишається постійним і рівним I нас = Sen 0 v нас. При зникненні домену струм зростає до I max. Для GaAs I max / I нас ≃ v max / v нас ≃ 2. Частота коливання в прогонових режимі дорівнює f пр. Так як відношення U m / U 0 мало, к.к.д. генераторів на діоді Ганна, що працюють в прогонових режимі, невеликий і цей режим зазвичай не має практичного застосування.
При роботі діода на контур з високим опором, коли R н> R 0, амплітуда змінної напруги U m може бути досить великою, так що протягом певної частини періоду миттєве напруга на діоді стає менше порогового. У цьому випадку говорять про режим з затримкою формування домену. Домен утворюється, коли напруга на діоді перевищує порогове, тобто в момент часу t 1. Після утворення домену струм діода зменшується до I нас і залишається такою протягом часу прольоту t пр домену. При зникненні домену на аноді в момент часу t 2 напруга на діоді менше порогового і діод являє собою активний опір R 0. Зміна струму пропорційно напрузі на діоді до моменту t 3, коли струм досягає максимального значення I max, а напруга на діоді одно пороговому. Починається утворення нового домену, і весь процес повторюється. Тривалість імпульсу струму дорівнює часу запізнювання освіти нового домену τ 3 = t 3 - t 2. Час формування домену вважається малим у порівнянні з t пр і Т. Очевидно, що такий режим можливий, якщо час прольоту знаходиться в межах Т / 2 <t пр <T і частота генеруючих коливань складає f пр / 2 <f <f пр.
При ще більшій амплітуді високочастотного напруги, мінімальна напруга діода може виявитися менше напруги гасіння діода U Гаш. У цьому випадку має місце режим з гасінням домену. Домен утворюється в момент часу t 1 і розсмоктується в момент часу t 2, коли U = U Гаш. Новий домен починає формуватися після того, як напруга перевищить граничне значення. Оскільки зникнення домену не пов'язане з досягненням ним анода, час прольоту електронів між катодом і анодом в режимі гасіння домену може перевищувати період коливань: t пр T / 2. Таким чином, в режимі гасіння f> f пр / 2. Верхня межа генеруються частот обмежений умовою T / 2> τ ф і може складати (2 ÷ 3) f пр
Електронний к.к.д. генераторів на діодах Ганна, що працюють в доменних режимах, можна визначити, розкладаючи в ряд Фур'є функцію струму I (t) для знаходження амплітуди першої гармоніки та постійної складової струму. Значення к.п.д залежить від відносин U 0 / U пір, R н / R 0, f / f пр, v нас / v max і при оптимальному значенні n 0 ≈ (1 ÷ 2) * 10 15 см -3 НЕ перевищує для діодів з GaAs 6% в режимі з затримкою домену. Електронний к.к.д. в режимі з гасінням домену менше, ніж режимі з затримкою домену.
Режим ОНОЗ.
Дещо пізніше доменних режимів був запропонований і здійснений для діодів Ганна режим обмеження накопичення об'ємного заряду. Він існує при постійних напругах на діоді, в кілька разів перевищують граничне значення, і великих амплітудах напруги на частотах, у кілька разів більших пролітної частоти. Для реалізації режиму ОНОЗ потрібні діоди з дуже однорідним профілем легування. Однорідний розподіл електричного поля і концентрації електронів по довжині зразка забезпечується за рахунок великої швидкості зміни напруги на діоді. Якщо проміжок часу, протягом якого напруженість електричного поля проходить область ОДП характеристики v (E), багато менше часу формування домену τ ф, то не відбувається помітного перерозподілу поля і об'ємного заряду по довжині діода. Швидкість електронів в усьому зразку «слід» за зміною електричного поля, а струм через діод визначається залежністю швидкості від поля ..
Таким чином у режимі ОНОЗ для перетворення енергії джерела живлення в енергію НВЧ-коливань використовується негативна провідність діода. У цьому режимі протягом частини періоду коливань тривалістю τ 1 напруга на діоді залишається менше порогового і зразок знаходиться в стані, яке характеризується позитивною рухливістю електронів, тобто відбувається розсмоктування об'ємного заряду, який встиг утворитися за час, коли електричне поле в діоді було вище порогового.
Малюнок 1. 6 - Тимчасова залежність струму діода Ганна в режимі ОНОЗ
Умова слабкого наростання заряду за час Т-τ 1 можна записати у вигляді τ ф ≈ 3τ д.ср> T, де τ д.ср = ɛɛ 0 / (en 0 | μ діф.ср |); μ діф.ср - середнє значення негативної диференціальної рухливості електронів в області E> E пір. Розсмоктування об'ємного заряду за час τ 1 буде ефективним, якщо τ 1> τ д1 і T>> τ д1, де τ д1 = ɛɛ 0 / (en 0 μ 1); τ д1 і μ 1-постійна часу діелектричної релаксації і рухливість електронів у слабкому полі.
Електронний к.к.д. генератора на діоді Ганна в режимі ОНОЗ можна розрахувати за формою струму. При U 0 / U пір = 3 ÷ 4 максимальний ККД становить 17%.
У доменних режимах частота генеруючих коливань приблизно дорівнює пролітної частоті. Тому довжина діодів Ганна, що працюють в доменних режимах, пов'язана з робочим діапазоном частот виразом:
l ≈ 100 / f, (1.14)
де f виражена в ГГц, а l-в мкм. У режимі ОНОЗ довжина діода не залежить від робочої частоти і може у багато разів перевищувати довжину діодів, які працюють на тих же частотах в доменних режимах. Це дозволяє значно збільшувати потужність генераторів у режимі ОНОЗ в порівнянні з генераторами, які працюють у доменних режимах.
Розглянуті процеси в діоді Ганна в доменних режимах є, по суті, ідеалізованими, так як реалізуються на порівняно низьких частотах (1-3 ГГц), де період коливань значно менше часу формування домену, а довжина діода багато більше довжини домену при звичайних рівнях легування ( 10 14 - 5 * 10 15 см -3). Найчастіше діоди Ганна в безперервному режимі використовують на більш високих частотах в так званих гібридних режимах. Гібридні режими роботи діодів Ганна є проміжними між режимами ОНОЗ та доменних. Для гібридних режимів характерно, що освіта домену займає більшу частину періоду коливань. Не повністю сформувався домен розсмоктується, коли миттєве напруга на діоді знижується до значень, менших порогового. Напруженість електричного поля поза області наростаючого об'ємного заряду залишається в основному більше порогового. Процеси, що відбуваються в діод в гібридному режимі, аналізують із застосуванням ЕОМ при використанні формул
dE / dx = e / εε 0 [n (x) - n 0], (1.15)
Гібридні режими займають широку область значень n 0 / f і не такі чутливі до параметрів схеми, як режим ОНОЗ.
Режим ОНОЗ та гібридні режими роботи діода Ганна відносять до режимів з «жорстким» самозбудженням, для яких характерна залежність негативною електронної провідності від амплітуди високочастотного напруги. Введення генератора в гібридний режим (як і в режимі ОНОЗ) представляє складне завдання і зазвичай здійснюється послідовним переходом діода з літаючого режиму в гібридні.
Слід мати на увазі, що електронний к.к.д. генераторів на діодах Ганна зменшується на високих частотах, коли період коливань стає порівнянним з часом установлення ОДП (це проявляється вже на частотах ~ 30 ГГц). Інерційність процесів, що визначають залежність середньої дрейфовой швидкості електронів від поля, призводить до зменшення противофазно складової струму діода. Граничні частоти діодів Ганна, пов'язані з цим явищем, оцінюються значеннями ~ 100 ГГц для приладів з GaAs і 150-300 ГГц для приладів з InP.
Вихідна потужність діодів Ганна обмежена електричними і тепловими процесами. Вплив останніх призводить до залежності максимальної потужності від частоти у вигляді P вих f = A, де постійна А визначається допустимим перегрівом структури, тепловими характеристиками матеріалу, електронним к.к.д. і ємністю діода. Обмеження по електричному режиму пов'язані з тим, що при великій вихідній потужності амплітуда коливань U m виявляється сумірною з постійною напругою U 0 на діоді: U m ≈ U 0 = E 0 l.
У доменних режимах маємо P вих f 2 = 0,5 E 2 0доп v 2 нас / R е.. Максимальна напруженість електричного поля в домені E будинок значно перевищує середнє значення поля в діод E 0, в той же час вона повинна бути менше пробивний напруженості, при якій виникає лавинний пробій матеріалу (для GaAs Е проб ≈ 200 кВ / см). Зазвичай допустимим значенням електричного поля E 0доп вважають 15 кВ / см.
Як і для ЛПД, на відносно низьких частотах (у сантиметровому діапазоні довжин хвиль) максимальне значення вихідної потужності діодів Ганна визначається тепловими ефектами. У міліметровому діапазоні товщина активної області діодів, що працюють у доменних режимах, стає малої і переважають обмеження електричного характеру. У безперервному режимі в трехсантиметровой діапазоні від одного діода можна отримати потужність 1-2 Вт при ККД до 14%; на частотах 60-100 ГГц-до 100 ОВТ при к.к.д. в одиниці відсотків. Генератори на діодах Ганна характеризуються значно меншими частотними шумами, ніж генератори на ЛПД.
Режим ОНОЗ відрізняється значно більш рівномірним розподілом електричного поля. Крім того, довжина діода, працюючого в цьому режимі, може бути значною. Тому амплітуда НВЧ-напруги на діоді в режимі ОНОЗ може на 1-2 порядки перевищувати напругу в доменних режимах. Таким чином, вихідна потужність діодів Ганна в режимі ОНОЗ може бути підвищена на кілька порядків у порівнянні з доменними режимами. Для режиму ОНОЗ на перший план виступають теплові обмеження. Діоди Ганна в режимі ОНОЗ працюють переважно у імпульсному режимі з великою скважностью і генерують в сантиметровому діапазоні довжин хвиль потужність до одиниць кіловат.
Частота генераторів на діоді Ганна визначається в основному резонансною частотою коливальної системи з урахуванням ємнісної провідності діода і може перебудовуватися в широких межах механічними та електричними методами.
У волноводном генераторі діод Ганна встановлений між широкими стінками прямокутного хвилеводу в кінці металевого стержня. Напруга зсуву подається через дросельний введення, який виконаний у вигляді відрізків чвертьхвильові коаксіальних ліній і служить для запобігання проникнення НВЧ-коливань в ланцюг джерела живлення. Нізкодобротного резонатор утворений елементами кріплення діода у хвилеводі. Частота генератора перебудовується за допомогою варакторного діода, розташованого на напівхвильова відстані λ в / 2 та встановленого у хвилеводі аналогічно діоду Ганна. Часто діоди включають в хвилевід зі зменшеною висотою b 1, який з'єднаний з вихідним хвилеводом стандартного перерізу чвертьхвильові трансформатором.
У микрополосковой конструкції діод включений між підставою і смуга провідником. Для стабілізації частоти використовується високодобротних діелектричний резонатор у вигляді диска з діелектрика з малими втратами і високим значенням ɛ, розташованого поблизу Полоскова провідника МПЛ шириною w. Конденсатор служить для розділення ланцюгів харчування і НВЧ-тракту. Напруга живлення подається через дросельну ланцюг, що складається з двох чвертьхвильові відрізків МПЛ з різними хвильовими опорами, причому лінія з малим опором разомкнута.Іспользованіе діелектричних резонаторів з позитивним температурним коефіцієнтом частоти дозволяє створювати генератори з малими відходами частоти при зміні температури (~ 40 кГц / 0 C ).
Перебудовуються за частотою генератори на діодах Ганна можуть бути сконструйовані із застосуванням монокристалів железоіттріевого граната. Частота генератора в цьому випадку змінюється за рахунок перебудови резонансної частоти високодобротних резонатора, що має вигляд ЖИГ-сфери малого діаметра, при зміні магнітного поля Н 0. Максимальна перебудова досягається при безкорпусних діодах, що мають мінімальні реактивні параметри. Високочастотний контур діода складається з короткого витка, що охоплюють ЖИГ-сферу. Зв'язок контуру діода з контуром навантаження здійснюється за рахунок взаємної індуктивності, забезпечувана ЖИГ-сферою і ортогонально розташованими витками зв'язку. Діапазон електричної перебудови таких генераторів, широко використовуваних в автоматичних вимірювальних пристроях, досягає октави при вихідній потужності 10-20 мВт.
Слід зазначити, що розрахунок генераторів на діодах Ганна утруднений приблизними характером даних як про параметри еквівалентної схеми діода, так і про параметри еквівалентної схеми коливальної системи, а також вузла кріплення діода (особливо на високих частотах). Узагальнену еквівалентну схему діода Ганна зазвичай задають у вигляді рис.3. Активну область діода представляють у вигляді паралельного з'єднання негативної провідності (-G д) і ємності С, значення якої в різних режимах роботи можуть істотно відрізнятися від «холодної» ємності діодної структури C 0 = ɛɛ 0 S / l. Величини G д і С залежать як від постійної напруги U 0, так і від амплітуди НВЧ-напруги U m, а також частоти. Тому досить актуальною є проблема безпосередніх вимірювань параметрів еквівалентної схеми діодів у реальних режимах роботи. Конструкції корпусів діодів Ганна і значення їх паразитних параметрів не відрізняються від конструкції і параметрів інших діодів.
Термін служби генераторів Ганна відносно малий, що пов'язане з одночасним впливом на кристал напівпровідника таких факторів, як сильне електричне поле й перегрів кристала через що виділяється в ньому потужності.
Діоди Ганна мають різні сфери застосування, що пояснюється різницею в рівнях вихідний потужності і шумів на виході (у діодів Ганна рівень шумів на 20 ... 30 дБ нижче, ніж у ЛПД), а також відмінністю вимог до джерел електричного живлення. Діоди Ганна застосовуються в малопотужних джерелах НВЧ сигналів деяких типах ліній зв'язку, вимірювальної техніки, гетеродина, генераторах накачування. Електричне живлення для них - низьковольтні порівняно прості генератори напруги.
Схема стабілізованого живлення діодів Ганна в безперервному режимі показана на ріс.1.7
Малюнок 1.7-Схема стабілізації напруги для живлення діодів Ганна
Ланцюжок RC служить для запобігання виникнення паразитних коливань в ланцюзі харчування, що могло б призвести до вигоряння діода. Ланцюг живлення повинна також містити пристрій для стабілізації струму діода і здійснювати захист від включення діода Ганна на напругу протилежної полярності, що також призвело б до пошкодження діода.
Генераторні діоди експлуатуються в резонансних камерах, виконаних або у вигляді порожнистих резонаторів, або у вигляді мікросхем на діелектричних підкладках з резонуючі ємнісними і індуктивними елементами, або у вигляді комбінації резонаторів з мікросхемами. Для зменшення температурного зміни частоти резонатори виготовляють з металу з низьким коефіцієнтом лінійного розширення. Мікрополоскових резонатори мають відносно низьку добротність, що веде до меншої стабільності частоти та потужності і збільшує шуми.
У микрополосковой камері для діодів Ганна цей недолік усунуто в результаті використання високодобротних діелектричного резонатора.
Для прецизійної стабілізації частоти використовують малопотужні опорні Високостабільні генератори НВЧ. Для підлаштування та перебудови частоти генераторів може застосовуватися механічна перебудова резонаторів. Частота діодів Ганна в певних межах може підлаштовуватися регулюванням струму.
Ефективне застосування на діодах Ганна високодобротних настроювальних діодів. Для збільшення віддається потужності застосовуються камери, в яких одночасно працює кілька однотипних генераторних діодів. При конструюванні генераторних камер повинні враховуватися питання узгодження вихідного повного опору генераторного діода з вхідним опором навантаження
II. РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК Діоди Ганна
Розрахунок параметрів діода виконуємо за умови, що він є арсенід галієвих.
-Власна концентрація n i = 1,7 ∙ 10 16 см -3
-Температура Т 0 = 300 К
-Постійна Больцмана k = 1,38 ∙ 10 -23 Дж / К
-Дифузійна довжина L n = 1,8 ∙ 10 -19 м
-Концентрація акцепторної домішки N a = 2 ∙ 10 16 см -3
-Концентрація донорної домішки N д = 10 16 см-3
-Діелектрична постійна ε 0 = 8,85 ∙ 10 -12 Ф / м
-Діелектрична проникність ε = 12 Ф / м
-Площа бар'єру S = 10 -5 м 2
-Довжина хвилі λ = 50 мкм
-Максимально допустима температура T n max = 500 K
-Ток зворотний I обр = 0,2 мА
- Заряд електрона q = 1,6 · 10 -19 Кл
Контактна різниця потенціалів φ к, Β:
(2.1)
де к-постійна Больцмана; Т-температура;
L n-дифузійна довжина;
N a-концентрація акцепторної домішки;
N д-концентрація донорної домішки;
n i-власна концентрація.
Ширина pn переходу l 0, м:
де ε-діелектрична постійна;
ε 0-діелектрична проникність.
Ширина pn переходу при напрузі 1,2 В l, м:
де U-дане напругу.
Бар'єрна ємність С б, Ф:
де S - площа бар'єру.
Гранична частота, Гц:
де π = 3,14.
Тепловий опір R т, Ом:
де λ-довжина хвилі.
Розрахунок теплового опору R т за формулою зробимо в програмі Turbo Pascal (Program 1):
Program 1;
Var l: integer;
l1, S,: real;
Begin
Readln (l, l1, S);
R: = l / (l1 * S);
Writeln ('R: =', R);
Readln;
End.
Максимальна напруга U max, В:
де T nmax-максимально допустима температура;
I обр-ток зворотний.
Програма по якій проводиться розрахунок максимальної напруги U max за формулою представлена нижче (Program 2):
Program 2;
Var T1, T2, R: integer;
U, I: real;
Begin
Readln (I, T1, T2, R);
U: = (T1-T2) / (R * I);
Writeln ('U: =', U);
Readln;
End.
ВИСНОВОК
Діоди Ганна, як твердотільні генератори струмів в діапазоні НВЧ знаходять дуже широке застосування в найрізноманітніших пристроях завдяки своїм безсумнівних переваг: легкості, компактності, надійності, ефективності та ін
З часів своєї появи діоди Ганна неодноразово удосконалювалися. Йшов підвищення робочих частот, що приводить до відповідного зменшення розмірів кристала; приймалися різні заходи для збільшення ККД діодів і їх вихідний потужності. Весь цей час розрахунок діодів Ганна представляв собою дуже тривалий і трудомісткий процес, навіть з використанням комп'ютерів перших поколінь. Проте, в наш час, в століття стрімкого зростання матеріально-наукової бази комп'ютерної техніки стає можливим побудувати програмне забезпечення, що дозволяє зробити розрахунок діода Ганна легко і просто.
У розрахунковій частині курсового проекту з використання вихідних даних розрахували такі параметри діода Ганна на арсеніді галію: контактну різницю потенціалів, ширину pn переходу, ширину pn переходу при напрузі 1,2 В, бар'єрну ємність, граничну частоту, тепловий опір, а також максимальну напругу.
Список використаної літератури
В. В. Пасинків, Л.К. Чиркин, А. Д. шинків. «Напівпровідникові прилади», Москва: «Вища школа», 1981, 430 стор
Ю. А. Овечкін «Напівпровідникові прилади», Москва: «Вища школа, 1986р, 303 стор
Довідник «Діоди», Москва: «Радіо і зв'язок», 1990р, 335стр.
М. С. Гусятінер, А. І. Горбачов «Напівпровідникові надвисокочастотні діоди», Москва: «Радіо і зв'язок», 1983р, 223 стор
Довідник під ред.Н.Н.Горюнова «Напівпровідникові прилади: діоди, тиристори, оптоелектронні прилади», Москва: «Вища школа», 1987, 742 стор
З. А. Ніконова, О. Ю. Небеснюк, «Твердотільна електроніка» конспект лекцій, 2002р, 99 стор
В. М. Березін, В. С. Буряк «Електронні прилади НВЧ», Москва: «Вища школа» 1985, 293 стор
Ф. І. Вайсбурд «Напівпровідникові прилади» Москва: видавництво «Зв'язок», 1966р, 131 стор
Ю. Є. Верьовкін «Основи електронної та напівпровідникової техніки», Ленінград: видавництво «Суднобудування», 1969р, 603стр.
Довідник радіоаматора: напівпровідникові приймально-підсилювальні пристрої під ред Р. М. Терещук, С. А. Сєдов .- М.: «Наукова думка», 1984р, 675 стор
Н. А. Шибаєв Н.А. «Електровакуумні та напівпровідникові прилади» М.: «Молодь», 1967р, 423стр.
В. Ю. Лавріненка «Довідник по напівпровідникових приладів», Київ.: «Техніка», 1964р, 325стр.
А. В. Дикін. «Електронні та напівпровідникові прилади» М.: «Енегрія», 1965р, 257 стор.
А. Згут, О. Я. Язгур «Напівпровідникові діоди і тріоди», М.: «Москва», 1960, 345стр.
В. Ф. Власов «Електронні та іонні прилади», М.: «Связьіздат», 1960, 367стр.