книги из ГПНТБ / Дьяченко Б.М. Генераторы частотно-модулированных колебаний на полупроводниковых приборах с отрицательным сопротивлением [монография]

УДК 621.382 27.621.376.32

Печатается по постановлению Ученого совета Таганрогского радиотехнического института

Ответственный редактор С. С. Г а р м а т ю к

тельным сопротивлением. Издательство Ростовского универ­ ситета, 1974.

100стр.

ВMOMOI рафии дастся анализ, расчет п результаты экспериментальных исследовании ио генераторам частотно-модулироваиных колебаний на дио­ дах Ганна, лавинно-пролетных и туннельных диодах. Кроме того, рассмат­ риваются комбинированные схемы туннельно-транзисторных генераторов

усилителей и системы автоматической подстройки частоты применительно к генераторам па полупроводниковых приборах с отрицательным сопротив­ лением.

Книга рассчитана на студентов, аспирантов и инженеров соответствую­ щих специальностей.

© ИЗДАТЕЛЬСТВО'РОСТОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА, 1974

ГЛ А ВА I

ГННЕРАТОРЫ НА ДИОДАХ ГАННА

1.1. Общие сведения

Разработка генераторов на диодах Ганна началась с 1963 г., когда американский ученый Дж. Гапп сообщил, что если к короткому (длиной 2-10- '1—2-10 2 см) образцу из од­ нородного GaAs или 1пР п-тнпа, который снабжен омически­ ми контактами, приложить при комнатной температуре напря­

название эффекта Ганна.

Эффект Ганна наблюдается только в полупроводниковых кристаллах, имеющих две зоны с электронной проводимо­ стью на различных энергетических уровнях. Зона с более низ­ ким уровнем энергии представляет собой обычную зону про­

20 раз), чем электроны, которые всегда находятся в зоне про­ водимости 'с низким уровнем энергии [1].

Подходящей структурой зон проводимости, с этой точки зрения, является кристалл GaAs. Если к такому кристаллу приложить напряжение, то по мере увеличения напряжен­ ности электрического поля ток в кристалле сначала увеличи­ вается линейно (так как электроны в основном находятся в

4

лоне проводимости с более низким энергетическим уровнем), и диод ведет себя как элемент с положительной проводимо­ стью. При дальнейшем увеличении напряженности поля все большее количество электронов получает дополнительную энергию для перехода в зону с более значительным энерге­ тическим уровнем и меньшей подвижностью, п количество таких электронов начинает преобладать. А поскольку они не так подвижны в этой зоне, то при увеличении напряжения суммарный ток стремится уменьшиться. Это свидетельствует о том, что кристалл GaAs обладает отрицательным сопротив­ лением.

Состояние последнего неустойчиво. Любая флюктуация концентрации зарядов, например в результате неоднородно­ го легирования, уменьшает плотность электронов в кристал­ ле. Напряженность ноля при этом увеличивается, н некоторое число электронов переходит в зону с малой проводимостью, что вызывает дальнейшее возрастание электрического поля, которое, в свою очередь, способствует переходу еще большего количества электронов. Таким образом, скорость переноса электронов непрерывно увеличивается, и происходит лавино­ образное нарастание электрического поля. В результате об­ разуется узкая область сильного поля (обедненный слой). Внутри нее напряженность поля превышает критический уро­ вень, и отрицательная проводимость па этом участке сохра­ няется, так как здесь подвижность электронов меньше.

Поле же в другой области спадает до величины меньше критической, так что остальная, большая часть диода обла­ дает положительной проводимостью. Это объясняется тем,

месте образца приводит к уменьшению поля в другой его ча­ сти. Однако область сильного поля нестационарна, она дрей­ фует, через диод и движется от катода к аноду, а когда ис­ чезает у анода, у катода возникает другая область сильного поля и начинает свое движение через полупроводник, повто­ ряя весь цикл. В результате этого образуется периодическая модуляция тока со сверхвысокой частотой. Колебания тока, вызванные модуляционным эффектом областей сильного по­

порядка 10 мкм гапиовская частота составляет 10 Ггц. Рабо-

■5

д е и > и „ , р рабочая точка попадает на пунктирное продолже­ ние— участок АВС, который являетсянеустойчивой частью вольтамперной характеристики. В это время зарождается до­ мен п рабочая точка переходит на участок DEF. Пока она

возрастать во времени с некоторой шумовой составляющей, пока не достигнет ветви ЕВ. Эта ветвь соответствует после­ довательному соединению низковольтного сопротивления по­ лупроводникового элемента (п. п. э.) с сопротивлением не­ устойчивого домеиа, почти подавленного повышенным напря­ жением, и поэтому ее наклон приблизительно такой же, как и наклон ОА. Если рабочая точка в конце концов переходит второе пороговое напряжение UjiaKC так, что снова ток пре­ вышает 1пор, то на катоде зарождается еще один новый до-

7

мен, а старый гаснет. Даже когда рабочая точка лежит на кривой, она устойчива, но только ограниченное время: когда домен гаснет, достигнув анода, рабочая точка возвращается на ветвь ОАВС. После этого поведение рабочей точки не за­ висит от того, что было ранее. То же самое происходит и тог­ да, когда напряжение падает до Up, а рабочая точка дохо­ дит до ближнего края D отрезка DE. В этой точке отрица­ тельное сопротивление устойчиво движущегося домена ста­ новится слишком большим и вызывает его гашение с после­ дующим возвращением на участок ОА.

Зная вольтамперпую характеристику диода Ганна, можно

в соответствии со статической ветвыо характеристики, пока напряжение вновь не достигнет Un0p. З'атем процесс повто­ ряется.

Статическую ветвь характеристики легко определить экс­ периментально. Процесс экспериментального определения ди­ намической ветви довольно сложен и требует специальной аппаратуры [5], поэтому чаще ее определяют расчетным пу­ тем.

Ганна можно получить несколько видов погасания доменов: 1) когда они достигают анода диода; 2) когда напряжение на диоде падает ниже определенной минимальной величины UMH11 < Unop, необходимой для поддержания домена; 3) когда зарождается второй домен.

В соответствии с перечисленными механизмами гашения можно классифицировать следующим образом основные ре­ жимы работы: пролетный, с задержкой образования доме­

8

мена на катоде и движение его к аноду, где он гаснет. При этом на катоде сразу же образуется новый домен. Ток мгно­ венно возрастает в течение процесса гашения и вторичного возникновения, а его колебания состоят из ряда импульсов, период следования которых равен времени прохождения до­ мена плюс малая задержка при зарождении.

дет действовать в основном как избирательный фильтр час­ тот, который на определенных частотах передает мощность активной нагрузке. При анализе цепи диод можно .считать генератором тока, который периодически возбуждает свобод­ ные колебания резонансной цепи. В зависимости от соотно­ шения между периодами напряжения и током возможны три вида колебаний, определяющихся временем прохождения:

]. Основной вид. Если периоды одинаковы, а добротность нагруженной цепи не слишком мала, то напряжение в ней будет приблизительно синусоидальным с основной частотой, определяющейся временем прохождения, причем только эта частота появится на нагрузке со значительной амплитудой. К. п. д. будет очень низким, поскольку в спектре частот тока на основную частоту приходится сравнительно малая энер­ гия.

2. Гармонический вид. Когда период свободных колебаний резонансной цепи приблизительно в целое число п меньше периода тока, напряжение будет возникать на п-й гармонике частоты, соответствующей времени прохождения.

Если учитывать свойства диода только в отношении гене­ рации колебаний, а добротность Q считать не слишком ма­ лой, то колебания напряжения будут представлять собой ряд затухающих синусоид, через каждый n-й период усиливаемых импульсом тока диода. Но когда в диоде имеется домен, дей­ ствительная часть внутреннего импеданса диода может быть отрицательной. Поэтому затухание всей системы допускается меньше, чем затухание одного нагруженного резонатора, н гар­ моническое напряжение может оставаться постоянным или да­ же возрастать в период между импульсами. Однако процесс гашения—зарождения обеспечивает строгую синхронность колебаний напряжения п движения доменов, поскольку со-

9