Расчёт автогенератора на диоде Ганна

Расчёт автогенератора на диоде Ганна

Реферат

В данном курсовом проекте был разработан и рассчитан автогенератор на диоде Ганна с варакторной перестройкой частоты в диапазоне от 11,4 до 11,6 ГГц. Пояснительная записка выполнена на 31 листах и содержит 13 рисунков.

Ключевые слова:

- усилителя СВЧ сигнала;

- напряженность поля;

- модуляционная характеристика;

- КПД колебательной системы;

- колебательный контур;

- выходной сигнал.

Содержание

Введение

1. Техническое задание и исходные данные

2. Обзор литературных источников

2.1 Междолинный переход электронов

2.2 Дипольные домены и возможные режимы работы диодов Ганна

2.3 Режим с обогащенным слоем

2.4 Мощность и КПД диодов Ганна

3. Выбор структуры автогенератора и типа диода

4. Расчет автогенератора и резонансной системы

4.1 Расчёт параметров варактора

4.2 Определение пределов перестройки частоты автогенератора

4.3 Определение нелинейности статической модуляционной характеристики

4.4 Расчёт резонатора автогенератора

4.5 Расчёт оптимального сопротивления нагрузки и КПД резонансной системы

Заключение

Список литературы

Введение

В цепи, с подключенным диодом Ганна, возникает переменный ток. Причем частота изменения тока равняется величине, обратной времени пролёта электронов от катода до анода. Далее в курсовой будет показано, что генерация переменного тока обусловлена эффектом междолинного перехода электронов, стимулированного сильным электрическим током. Данный эффект бил использован для построения на основе Диодов Ганна высокочастотных генераторов. Так как эти генераторы обладали хорошими шумовыми характеристиками, то это и позволило применение таких генераторов на аппаратуре с высокой чувствительностью, а также такие генераторы не требовали применения высоковольтных источников питания.

Конечно, кроме выше перечисленных преимуществ в диодов Ганна были и некоторые недостатки. Основными недостатками генераторов на основе диодов Ганна была их малая выходная мощность и КПД. Но это не повлияло на пренебрежение их, как ключевого звена современной СВЧ техники. Они превосходили иных генераторов своим гарантийным сроком службы, который может достигать сотню лет, а иногда и превышать его.

Целью данного курсового проекта является расчёт автогенератора на диоде Ганна с перестройкой частоты в диапазоне частот от 11,4 до 11,6 ГГц (сантиметровый диапазон), с мощностью не менее 5 мВт.

1. Техническое задание

Разработать и рассчитать автогенератор на диоде Ганна с перестройкой частоты.

Исходные данные

1) Диапазон перестройки частоты от 11,4 до 11,6 ГГц

2) Выходная мощность не менее 5 мВт

2. Обзор литературых источников

2.1 Приборы на эффекте междолинного перехода электронов

В 1963 г. Ганн установил, что при наложении постоянного электрического поля, с напряжённостью выше некоторого порогового значения, на монокристаллический образец из арсенида галлия или фосфида индия его сопротивление начинает периодически изменяться с частотой, лежащей в СВЧ - диапазоне. В результате в цепи, в которую включён такой образец, возникает переменный ток СВЧ - диапазона. Причем частота изменения тока равняется величине, обратной времени пролёта электронов от катода до анода. В дальнейшем было показано, что генерация переменного тока обусловлена эффектом междолинного перехода электронов, стимулированного сильным электрическим током.

Здесь же штриховой линией показана зависимость заселённости верхней долины от Е. Из результатов расчёта следует, что пороговое значение напряжённости поля увеличивается с ростом температуры (см рис [2]). Кроме того, при достаточно высокой температуре должен исчезать участок ВАХ с ОДС, так как в этом случае показатель экспоненты в (4) мал даже в области слабых полей, когда Те~Т, и поэтому экспонента меняется незначительно при увеличении Е и Те. Но тогда как следует из (4), ~ Е, то есть выполняется закон Ома. Фактически это означает, что при высоких температурах заселённость электронами верхней долины велика даже в области слабых полей и практически не изменяется, с увеличением Е. Такая же картина будет реализовываться при малых значениях dЕ1,2. Таким образом, участок ОДС на ВАХ полупроводника может возникнуть за счёт междолинных переходов только при достаточно низких температурах, когда большинство электронов находится в основном минимуме зоны проводимости.

Из (4) также следует, что плотность состояний в основном минимуме зоны проводимости должна быть мала, а в побочном - велика. В противном случае член с экспонентой в (4) будет значительно меньше единицы и не сможет эффективно влиять на величину. И наконец необходимо отметить, что dЕ1,2 должно быть меньше ширины запрещённой зоны полупроводника, чтобы величина порогового поля не оказалась сравнимой с напряжённостью поля лавинного пробоя. Требование к резкому неравенству подвижностей электронов в основной и побочной долинах является очевидным.

Значения параметров, характеризующих ВАХ образцов из арсенида галлия и фосфида индия соответственно равны:

- напряжённость порогового поля - 3,2 * 103 и 10,5*103 В/см

- максимальная величина дрейфовой скорости - 2,2*107 и 2,5*107 см/с

- максимальная величина отрицательной дифференциальной подвижности - 2400 и 2000 см2.(В*с).

2.2 Дипольные домены и возможные режимы работы диодов Ганна

Анализ механизма возникновения периодических изменений сопротивления образца с ОДС проведём на примере однородно легированного полупроводника с омическими контактами, в котором приложенная разность потенциалов создаёт электрическое поле Е=Еп Предположим, что в некоторый момент времени вследствие тепловой флуктуации группа электронов сместилась в сторону катода относительно неподвижно ионизованных доноров (рис [3], а). Тогда возникшая таким образом избыточная концентрация электронов (рис [3], б) должна изменяться во времени с известным соотношением

(7)

представляющим собой закон релаксации основных носителей заряда в полупроводнике. Если в рассматриваемом образце справедлив закон Ома, то время релаксации Максвелла

В противном случае следует заменить на дифференциальную удельную проводимость и для образца с ОДС

(8)

где µ- - отрицательная дифференциальная подвижность, соответствующая падающему участку ВАХ. Из (7) и (8) следует, что в образце с ОДС первоначальная тепловая флуктуация концентрации электрона должна не убывать с ростом t, а увеличиваться, так как µ-<0.

Рисунок 3 - Распределение объемного заряда (а и б) и напряженности поля в образце (в) при формировании домена сильного поля

Этот факт объясняется следующими обстоятельствами. В области возникшего дипольного объёмного заряда напряжённость электрического поля, как это следует из уравнения Пуассона, возрастает и станет больше порогового значения, а в остальной части образца Е слегка уменьшится и станет меньше Еп (рис [3], в), так как напряжения, подаваемое на образец, поддерживается постоянным. В результате этого дрейфовая скорость электронов и плотность тока в области существования объёмного заряда уменьшается, а в остальной части образца изменятся незначительно. Это приведёт к дальнейшему увеличению концентрации электронов в левой части объёмного заряда (за счёт их подтока от катода) и концентрации некомпенсированных доноров в правой части его. Этот процесс увеличения dn и dNd+ прекратится и дипольный слой достигнет стабильной конфигурации, когда плотность тока внутри и вне его станет одинаковой и будет соответствовать точкам ВАХ, лежащим вне участка ОДС (рис [4], например, точки Е=Ев и Е=Ед). Спад силы тока в цепи при формировании диполя или домена сильного поля обусловлен резким уменьшением подвижности электронов в нём и, следовательно, увеличением сопротивления образца. Логично предположить, что наиболее стабильное состояние домена соответствует минимальной мощности, потребляемой образцом от источника питания, то есть, когда плотность тока в образце имеет наименьшее возможное значение - (см рис [4]). Тогда максимальная напряжённость поля внутри домена сильного поля будет равняться Ед, а вне его - Ев (см рис [3],в и [4]).

Рисунок 4 - ВАХ диода Ганна

Ширину или толщину домена (dдм) можно оценить исходя из того, что падение напряжения на образце до и после образования домена одно и то же

(9)

где исходная напряжённость поля Еи ~ Еп. Из (9)

(10)

Распределение напряжённости электрического поля в домене, как показывает решение уравнения Пуассона, зависит от концентрации электронов в данном образце. При больших n0 максимум Е располагается в центре домена и зависимость Е от x имеет симметричный вид. Если n0 мало, то криваяпринимает форму, близкую к прямоугольному треугольнику ( см рис [3], в).

В процессе формирования и после его окончания дипольный домен дрейфует от катода к аноду. Если предположить, что домен возникает у катода за счёт имеющейся здесь неоднородности в распределении примеси (пониженное значение Nd и повышенная напряжённость поля), то за время пролёта где - некоторая средняя скорость дрейфа домена, он достигнет анода и исчезнет, после чего в образце восстановится однородное распределение поля и первоначальное (до формирования домена) значение тока. Затем за счёт тепловой флуктуации у катода начнёт формироваться следующий домен и т. д. Периодически повторяющиеся процессы формирования домена у катода и рассасывания его у анода приведут к соответствующему изменению сопротивления образца и силы тока (рис [5]).

Рисунок 5 - Зависимость тока от времени при работе диода Ганна в пролетном режиме

Для того чтобы первоначальная тепловая флуктуация концентрация электронов заметно возросла, необходим интервал времени, превосходящий - (см (7)). Отсюда следует, что периодическое изменение силы тока через образец будет возникать лишь в том случае, когда или в соответствии с (11) и (8)

(12)

Это неравенство иногда называют критерием Кремера. Не останавливаясь на методах оценки, отметим, что после подстановки всех величин в правую часть (12) для арсенида галлия и фосфида индия получается величина порядка 1012 см-2.

Режим работы диода на эффекте междолинного перехода электронов ( или диода Ганна), при котором уверенно выполняется неравенство

(13)

называется пролётным режимом. Для его реализации необходимо включить диод в параллельную резонансную цепь, например в СВЧ - резонатор с высокой добротностью, настроенный на пролётную частоту. Отметим, что в пролётном режиме на кривой зависимости тока от времени будут наблюдаться резкие всплески (см рис [5]), если длина образца значительно превышает длину домена. Для получения формы колебаний тока, близкой к синусоидальной, необходимо уменьшать длину образца или увеличивать ширину домена. Последнее можно реализовать, уменьшая концентрацию электронов (n0) в образце.

При работе диода в резонаторе к нему кроме постоянного внешнего смещения оказывается приложенным также СВЧ - поле, возникающее в резонаторе за счёт колебания тока, протекающего через диод. Предположим, что СВЧ - поле меняется во времени по гармоническому закону, а резонатор настроен на частоту выше пролётной . Тогда при достаточно большой амплитуде СВЧ - поля дипольный момент в образце может рассосаться, не доходя до анода. Для этого необходимо, чтобы в полупериод, когда векторы напряжённости постоянного и СВЧ - поля противоположны, суммарная напряжённость поля была бы меньше некоторой величины, а длительность полупериода была бы больше, соответствующего положительной подвижности. С точностью до численного коэффициента последнее условие можно записать так:

или

(14)

Для GaAs и InP . Неравенство (14) является условием реализации режима работы диода с подавлением домена. В этом режиме в каждый "положительный" полупериод СВЧ - поля в диоде Е>Еп и у катода зарождается домен, а в каждый "отрицательный" полупериод он рассасывается на пути к аноду. Таким образом, генерация переменного тока в этом случае происходит на частоте, определяемой параметрами резонансной цепи.

Если обеспечить одновременное выполнение двух неравенств,

(15)

то диод Ганна будет работать в режиме ограниченного накопления объёмного заряда. Для GaAs и InP из (15) следует что . Поскольку в (15) период СВЧ - сигнала меньше , соответствующего отрицательной дифференциальной подвижности, то в полупериод, когда Е>Еп, домен сильного поля не успевает полностью сформироваться, а в следующий полупериод (Е<Еп) он полностью рассасывается. При этом будет наблюдаться возрастание сопротивления образца в один полупериод СВЧ - сигнала и спад его в другой, что и вызывает эффективную генерацию мощности на частоте, определяемой параметрами внешней цепи.

2.3 Режим с обогащенным слоем

Этот режим соответствует случаю, когда не выполняется условие (12), следовательно, домен сильного поля не успевает сформироваться, доменная неустойчивость не возникает и образец не является генератором. При однородном распределении концентрации носителей вдоль образца (n0 y не зависит от x) его ВАХ в соответствии с (1) повторяла бы зависимость от Е (рис [2]). Однако в реальных случаях катод (обычно контакт n+-n-типа) инжектирует в образец электроны, что приводит к совершенно иному виду ВАХ.

Из условия непрерывности тока в образце следует, что там, где концентрация носителей заряда выше, напряжённость поля должна быть меньше. Полагая в первом приближении, что у катода, инжектирующего электроны, Е=0 и численно решая систему уравнений

Страницы: 1, 2