ДИОДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
В СВЧ диапазоне генерация и усиление колебаний, помимо транзисторов, может осуществляться с помощью еще одной группы полупроводниковых приборов, объединяемых общим названием «генераторные диоды». К ним относятся: полупроводниковый прибор с междолинным переносом электронов, называемый диодом Ганна; лавинно-пролетный диод (ЛПД) и туннельный диод. В этих приборах используются объемные свойства полупроводникового материала для выполнения различных функций под влиянием внешних сил, например, под действием магнитного или электрических полей. СВЧ автогенераторы с такими приборами работают в диапазоне частот 1…150 ГГц и мощностью от мВт до 1кВт. Схемы генераторов различаются по способу питания и включения АЭ.
Наиболее распространенная схема
Постоянная составляющая проходит через КЦ.
Если плотность тока j уменьшается с ростом напряженности электрического поля Е, приложенного к полупроводнику, то такой полупроводник будет иметь так называемую отрицательную дифференциальную проводимость. При определенных условиях отрицательное сопротивление компенсирует сопротивление нагрузки.
Источник
Автогенераторы на туннельных диодах.
Туннельный диод благодаря широкому частотному диапазону, малой потребляемой мощности Н высокой температурной стабильности является наиболее перспективным прибором для построения миниатюрных, высокостабильных, широкодиапазонных автогенераторов. Недостатком генераторов на туннельных диодах является малая выходная мощность, а также некоторая нестабильность работы из-за разброса параметров современных туннельных диодов.
Наиболее полно преимущества туннельного диода удается использовать в генераторах диапазона СВЧ, особенно на частотах выше 1 ГГц, где из-за невозможности использования транзисторов приходилось использовать сложные, громоздкие и неэкономичные генераторы на клистронах, лампах бегущей и обратной волны и др. Современные туннельные диоды позволяют генерировать электрические колебания с частотами до 100 ГГц.
Применение туннельного диода в схемах генераторов объясняется тем, что с помощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно компенсировать потери в колебательном контуре и получить в нем незатухающие колебания. Поэтому рабочим участком вольт-амперной характеристики туннельного диода является ее падающий участок. Ширина падающего участка характеристики туннельного диода обычно не превышает нескольких десятков милливольт. Поэтому амплитуда генерируемых колебаний в автогенераторе на туннельном диоде оказывается небольшой. Наибольшая величина выходной мощности, которую может развить туннельный диод, выражается соотношением
(16.10)
При этом рабочая точка перемещается от точки максимума (пика) вольт-амперной характеристики диода до точки минимума (впадины). Вследствие нелинейности характеристики вблизи этих точек форма генерируемых колебаний может оказаться искаженной. Для уменьшения искажении приходится уменьшать рабочий участок характеристики, ограничиваясь его линейной частью. Однако это приводит к уменьшению отдаваемом мощности, которая практически не превышает нескольких сотен милливатт.
На рис. 16.7, а приведена простейшая схема автогенератора на туннельном диоде. С помощью делителя R1R2 задается необходимое положение рабочей точки. Колебательный контур образован катушкой L и собственной емкостью диода СД. Эквивалентная схема такого генератора может быть представлена в виде цепи, изображенной на рис. 16.7, б. Здесь RΣ — общее активное сопротивление, учитывающее сопротивление делителя и сопротивление потерь контура. Условия самовозбуждения будут выполняться, если величина |—RД | окажется достаточной, чтобы скомпенсировать потери в контуре, т. е.
При этом схема самовозбуждается и генерирует колебания с частотой
(16.13)
Рис. 16.7. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы простейшего автогенератора на туннельном диоде
На рис. 16.8 показаны две разновидности типовых схем автогенераторов на туннельных диодах.
Следует обратить внимание на то, что туннельный диод — двухполюсник. Поэтому схема автогенератора на туннельном диоде проще, чем на транзисторе, так как отпадает необходимость внешней обратной связи. Здесь обратная связь заложена, в самом физическом механизме работы диода и выражается в возникновении отрицательного сопротивления при правильном выборе рабочей точки на вольт-амперной характеристике. Из-за отсутствия внешней цепи обратной связи и большой крутизны падающего участка вольт-амперной характеристики автогенераторы на туннельных диодах имеют ряд особенностей. Прежде всего, источник питания должен обладать малым внутренним сопротивлением RИ, чтобы рабочая точка могла попасть на падающий участок характеристики. Для этого необходимо выполнение условия
(16.16)
Но для того чтобы контур обладал хорошими резонансными свойствами, необходимо иметь ρQ >>1. Если считать допустимым ρQ=10…20 и принять Q=100…200, то
Соотношения (16.14) — (16.17) используются для расчета контура автогенератора на туннельном диоде.
Схема на рис. 16.8, а получила название схемы с последовательным питанием диода (источник питания, контур и диод включены последовательно друг с другом). Напряжение источника питания обычно подается с помощью делителя. Для получения малого внутреннего сопротивления источника сопротивление резистора R1 следует выбирать из условия R1
Источник
Виды цифровых генераторов
Синусоидальный сигнал есть, по сути, решение уравнения Y= Sin(X), при линейно изменяющемся значении аргумента X. Для получения цифрового сигнала из микроконтроллера нам необходимо подать значения функции на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Это значит, что для получения синусоидального сигнала, нам необходимо знать значения функции Y при каждом значении аргумента X (по сути X определяет значение фазы сигнала). Можно вычислять все значения функции прямо в микроконтроллере, но для обеспечения высокой точности вычисляемых значений необходим высокопроизводительный процессор, или модуль для работы с плавающей точкой. Вычисление значений в микроконтроллере может занять продолжительное время, поэтому для обеспечения быстроты вычисления берут готовые значения функции и загружают их в память. Для обеспечения плавности выходного сигнала, для уменьшения погрешности связанной с нелинейностью характеристики цифроаналогового преобразователя, необходимо как можно большее количество значений синуса. Таким образом, в памяти будут готовые отсчеты синуса. Для того чтобы эти отсчеты превратились в синус, их нужно каким-то образом растянуть по времени, чтобы каждый отсчет подавался на ЦАП через определенный промежуток времени после предыдущего. Для этого необходим генератор опорной частоты. Такой генератор будет выдавать импульсы постоянной скважности. Эти импульсы, в простейшем случае, поступают на счетчик, а счетчик в свою очередь выдает на выходе последовательность возрастающих кодов. Код на выходе счетчика будет указывать на адрес очередного отсчета в памяти (ПЗУ). ПЗУ соответственно кодам выдает на своем выходе значения функции, содержащиеся в памяти по этим адресам, которые передаются в ЦАП и на выходе ЦАПа будет синус с идеальной частотой. Частота синуса будет соответствовать частоте тактового генератора. Для обеспечения перестройки по частоте нужно каким-либо образом регулировать частоту опорного генератора. В простейшем случае между счетчиком и генератором ставят делитель частоты. Такой делитель позволяет перестаивать частоту в определенных пределах. Предел перестройки зависит от разрядности сумматора и частоты опорного генератора. Перестройка в таком случае будет возможна только на определенные значения, так как деление возможно только на числа, кратные 2.
Простейшая схема такого генератора показана на рисунке 1. В его состав входит генератор опорной частоты (G). Делитель, в который загружается код частоты (коэффициент деления), счетчик (СТ), ПЗУ, ЦАП и фильтр. Фильтр в данном случае необходим для того, чтобы сглаживать цифровой сигнал на выходе. ЦАП – цифровое устройство, которое выдает только определенный уровень сигнала. Чем меньше частота дискретизации, тем более ярко выражена ступенчатая характеристика выходного сигнала. Для того чтобы убрать погрешность, вносимую частотой дискретизации, на выходе применяется фильтр сигналов. В простейшем случае, это простая RC-цепочка, но необходимо учитывать скоростные характеристики ЦАП, так как на высоких частотах может отфильтровываться полезный сигнал.
Здесь рассмотрена самая простая схема DDS. Многие элементы в ней можно заменить и доработать. Например, если заменить счетчик на более сложное устройство, т.н. аккумулятор фазы, то у нас появятся больше возможностей, таких как перестройка по частоте без фазового сдвига или, например, возможность использовать четверть периода значений синуса, вместо полного периода, но в рамках данной статьи такие усложнения рассматриваться не будут.
Сейчас DDS выполняются как отдельные микросхемы. В такую микросхему достаточно загрузить параметры нужного сигнала и подключить генератор опорной частоты, а на выходе мы получим цифровую синусоиду, которую достаточно лишь отфильтровать с заданными параметрами. Такие генераторы позволяют получать частоту до 1.4 ГГц. У них в свою очередь есть один недостаток. Генераторы прямого цифрового синтеза чаще всего используются именно как генераторы частоты, поэтому амплитуда выходного сигнала не стабильна.
Другим способом генерации сигнала синусоидальной формы с помощью контроллера, является метод ШИМ + пассивный RC фильтр. ШИМ – широтно-импульсная модуляция. Она позволяет, регулируя скважность импульсов, получать нужную постоянную амплитуду сигнала. Чем шире импульс, тем выше выходное напряжение на фильтре. Напряжение можно менять в пределах от нуля до напряжения питания. Таким образом, если задать определенную программу для регулирования скважности импульсов, то на выходе можно получить сигнал любой формы, в том числе синусоидальный. В самом простом случае схема показана на рисунке 2.
Такой генератор является дешевым, и самое главное наиболее легко реализуемым способом преобразования цифрового сигнала в аналоговый с помощью микроконтроллера. Он не требует специальных микросхем или каких-либо сложных схемотехнических решений. Единственное, что необходимо при создании такого генератора, это расчет выходного фильтра на заданную частоту среза, чтобы он не срезал полезный сигнал. Правда, достигнуть высоких метрологических характеристик на таком генераторе невозможно, так как трудно добиться низкого коэффициента гармонических искажений. Низкий уровень гармонических искажений можно достичь с помощью еще одного варианта генератора.
Третий вариант генератора основывается на схеме, которая называется «мост Вина». Суть этой схемы в том, что используется усилитель с двумя RC-цепочками в обратной связи. Одной последовательной и одно параллельной. Схема такого генератора представлена на рисунке 3.
Для данной схемы необходимо учесть то, что элементы в RC-цепочке должны быть строго одинаковыми. Иначе схема не будет стабильной. Для уменьшения этих эффектов применяют разные хитрости, например автоматическое управление усилением и другие хитрости. В простейшем случае автоматическое управление осуществляется каким-либо нелинейным элементом, например лампочкой. Но перестройка такого генератора по частоте затруднена. Нужно использовать переменные конденсаторы, что усложняет схему еще на порядок. Такой метод хорош, но в основном для генерации какой-либо определенной частоты, либо частоты с малым диапазоном регулировки.
Существуют разные варианты и модификации представленных выше схем. Кроме этих схем существуют аналоговые решения, которые не были здесь описаны из-за несоответствия тематике статьи. В заключении хочу сказать, что каждая схема должна выбираться и прорабатываться возможная ее реализация в зависимости от задачи, которую необходимо выполнить. Передо мной стоит задача создать прецизионный генератор синусоидального сигнала, который может одновременно выдавать высокостабильный синусоидальный сигнал и добавлять в сигнал гармоники более высокого порядка. Для выполнения этой задачи наилучшим выходом будет расчет значений функции синуса непосредственно в микроконтроллере с передачей значений на ЦАП. Такая реализация позволит мне учесть недостатки каждой схемы и проработать техническую реализацию, необходимую конкретно для моей задачи. Можно одновременно сделать стабильную амплитуду, убрать гармонические искажения, вносимые особенностью схемы и получить довольно стабильный генератор. И конечные погрешности будут зависеть только от того, какие элементы будут выбраны, и какая степень упрощения алгоритма взята. Таким образом, при неизменности основной структуры, можно получить гибкое решение определенного класса задач.
Если вас интересует какой-либо материал на схожую тему, или вообще что-то из сферы измерительных приборов и их проектирования, то я бы мог попробовать написать какой-либо материал, чтобы осветить ваш вопрос в более простом и понятном ключе
Источник
Генераторы на диодах
Полупроводниковые диоды достаточно редко используются в качестве основных элементов генераторных и усилительных узлов. Являясь в большинстве своем чисто пассивными компонентами, они просто не могут выступать в роли источника тока или напряжения, необходимых для любого генератора или усилителя. Однако существует достаточно немногочисленный ряд случаев, когда при применении полупроводниковых диодов определенных типов (туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, параметрические диоды) возможно построение диодных усилительных и генераторных схем.
Такие полупроводниковые приборы как: туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды объединяет одно свойство — наличие на ВАХ прибора при определенных условиях участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В каждом из названных приборов физические эффекты, обусловливающие появление такого участка различны. В туннельном диоде — это резкий спад туннельного эффекта при росте напряженности электрического поля в полупроводнике выше некоторого критического значения, в диоде Ганна — особенности зонной структуры арсенида-галлия, в лавинно-пролетном диоде — специфика лавинного пробоя при высоких частотах приложенного напряжения. Следует отметить, что названные случаи не являются единственными. Примером может служить широко известный и популярный в 30-х гг. кристадин Лосева, также представлявший собой полупроводниковый диод введенный в особый режим пробоя.
На сегодняшний день набольшее распространение получили диодные автогенераторы диапазона СВЧ. В них используются диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды. При определенных условиях такие генераторы могут быть преобразованы в усилители и использоваться для резонансного усиления СВЧ сигналов. Однако ввиду повышенного уровня шумов и практической нерациональности усилители на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах применяются крайне редко.
Особый вид усилительных устройств диапазона СВЧ — это т.н. параметрические усилители. Они строятся на основе специальных параметрических диодов. Принцип работы таких усилителей очень близок к тому, как работают описанные выше диодные смесители. На параметрический диод, также как и в смесителях, подается два сигнала. При определенном согласовании этих сигналов и правильном выборе режима работы диода удается на нелинейной проводимости или емкости диода осуществить перераспределение мощности падающих сигналов в пользу одного из них (полезного). Одновременно возможно и преобразование частоты этого сигнала. Параметрические усилители диапазона СВЧ очень сложны в настройке и достаточно нестабильны. Их основное достоинство — уникально низкий уровень шумов. Поэтому они чаще всего используются в радиотелескопах и системах дальней космической связи.
Наибольший интерес и практическую ценность могут представлять туннельные диоды. Генераторные и усилительные устройства на их основе могут быть использованы в радиоприемниках, радиомикрофонах, измерительной аппаратуре и т.п.
Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде представлена на рис. 3.6-42.
Рис. 3.6-42. Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде
Так как на ВАХ туннельного диода имеется участок с отрицательным сопротивлением устойчивым по напряжению, то при подключении к нему параллельного колебательного контура он может генерировать. При этом отрицательное сопротивление диода будет компенсировать потери, и в контуре могут возникнуть и поддерживаться незатухающие колебания. Современные туннельные диоды могут генерировать на частотах до 1 ГГц и более. Однако из-за небольшой величины участка ВАХ диода с отрицательным сопротивлением мощность, отдаваемая им на любых частотах, составляет доли милливатт. Чтобы форма генерируемых колебаний не искажалась, как правило, применяют частичное включение диода в контур генератора. Основным условием генерации является превышение величины сопротивления потерь контура над величиной отрицательного сопротивления туннельного диода. Учитывая, что параллельное сопротивление потерь в реальных колебательных контурах значительно превышает отрицательное сопротивление туннельного диода, используется частичное включение диода в контур (через отвод катушки).
На внутреннем сопротивлении источника смещения будет выделяться часть мощности генерируемых колебаний, поэтому оно должно быть как можно меньше. Поскольку требуемая величина напряжения смещения очень мала (например, для германиевых туннельных диодов порядка 0,1. 0,15 В), питание туннельных диодов обычно осуществляется от делителя напряжения (рис. 3.6-43). Однако это может привести к неэкономному расходованию мощности источника питания (что важно для сверхминиатюрных устройств). Поэтому для питания туннельных диодов следует применять источники с возможно более низким выходным напряжением. Выходное сопротивление делителя напряжения выбирают в пределах 5. 10 Ом, и только в устройствах, где требуется наибольшая экономичность, его можно повысить до 20. 30 Ом. Отрицательное сопротивление туннельного диода должно превышать сопротивление делителя в 5. 10 раз. Шунтировать столь малые сопротивления конденсаторами для уменьшения потерь высокочастотной энергии нецелесообразно, так как в ряде случаев это может привести к неустойчивой работе генератора, особенно, если его режим подбирался по максимуму отдаваемой мощности. Следует учитывать, что для стабильной работы генератора нужно поддерживать стабильное положение рабочей точки диода. При изменении величины питающего напряжения хотя бы на 10 % (например, из-за разрядки химического элемента питания) нормальная работа генератора может нарушиться. Иногда целесообразно использовать предварительно стабилизированное напряжение или применять в делителе нелинейные сопротивления (в верхнем плече стабилизирующие ток, а в нижнем — напряжение). Так, если в схеме автогенератора (рис. 3.6-43) вместо сопротивления R2 применить маломощный германиевый диод в прямом включении, как это показано на рис. 3.6-44, стабильность работы генератора улучшится, и при изменении напряжения питания в пределах 1. 1,5 В никаких дополнительных регулировок не потребуется.
Рис. 3.6-43. Схема автогенератора на туннельном диоде с питанием от делителя напряжения
Рис. 3.6-44. Схема автогенератора на туннельном диоде с нелинейным сопротивлением в цепи питания
Все упомянутые выше способы стабилизации напряжения несколько усложняют схемы, а в ряде случаев увеличивают потребляемую мощность, поэтому широкого применения они не находят. В реальной аппаратуре туннельные диоды чаще всего применяются совместно с транзисторами. Известно, что у транзистора ток эмиттера сравнительно мало зависит от напряжения питания коллектора, особенно если смещение транзистора стабилизировано каким-либо способом. Поэтому при питании диода эмиттерным током транзистора можно получить выигрыш не только в стабильности, но и в экономичности. Последняя повышается здесь из-за того, что потери на верхнем плече делителя устраняются, а дополнительная мощность, потребляемая туннельным диодом, невелика.
На рис. 3.6-45, 3.6-46, 3.6-47 представлены три примера применения генератора на туннельном диоде. При проектировании таких генераторов следует стремиться получить максимальную добротность колебательного контура с тем, чтобы увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку.
Рис. 3.6-45. Простейший передатчик на туннельном диоде
Рис. 3.6-46. Улучшенная схема передатчика на туннельном диоде
Рис. 3.6-47. Гетеродин на туннельном диоде
Для увеличения мощности можно также включить два или большее число диодов в схему генератора (рис. 3.6-48). При этом диоды лучше всего соединять по постоянному току последовательно. Тогда напряжение на нижнем сопротивлении делителя должно быть вдвое больше, чем для одного туннельного диода, т.е. потери на верхнем плече уменьшаются. Нужно иметь ввиду, что сопротивление нижнего плеча должно обязательно состоять из двух одинаковых сопротивлений, а их средняя точка должна быть соединена по постоянному току со средней точкой двух диодов. В противном случае, устойчивая работа двух соединенных последовательно диодов невозможна. По переменному току можно соединить диоды параллельно или последовательно. В схеме приведенной на рис. 3.6-48 каждый диод подключен к отдельной обмотке. Чтобы получить наибольшую мощность, связь каждого диода с контуром следует регулировать индивидуально.
Рис. 3.6-48. Автогенератор на двух туннельных диодах
Генератор на туннельном диоде может строиться и с применением кварцевого резонатора, задающего частоту колебаний. Пример такой схемы приведен на рис. 3.6-49.
Рис. 3.6-49. Автогенератор на туннельном диоде с кварцевым резонатором
Источник
Диоды сверхвысокочастотные: Генераторные диоды
Для генерации сигналов в диапазоне СВЧ могут использоваться полупроводниковые диоды различного типа. Физические эффекты, лежащие в основе работы генераторных диодов, были открыты относительно недавно (50-е. 60-е годы XX века) и в настоящее время продолжают активно исследоваться с целью разработки более совершенных приборов. Тем не менее, в основе работы всех генераторных диодов лежит один основной критерий — достижение, при определенных внешних условиях и параметрах сигнала, отрицательного дифференциального сопротивления диода на рабочей частоте. Следует отметить, что некоторые из генераторных диодов при включении в определенных режимах могут использоваться и для усиления СВЧ сигналов. Существует два основных типа генераторных диодов — лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна.
Отрицательную дифференциальную проводимость (или обратную ей величину — отрицательное дифференциальное сопротивление), обусловленную \(N\)- и \(S\)-образным видом вольт-амперной характеристики электронного прибора, называют статической дифференциальной отрицательной проводимостью (сопротивлением). Однако в ряде случаев приходится сталкиваться с ситуацией, когда электронный прибор обладает статической вольт-амперной характеристикой, у которой дифференциальная проводимость повсюду положительна, но для переменных составляющих напряжения определенной частоты она может стать отрицательной. Такая отрицательная проводимость, проявляющаяся лишь для переменных составляющих тока и напряжения, притом в определенном интервале частот, называется динамической отрицательной проводимостью.
Для арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и некоторых других полупроводниковых материалов характерна зависимость средней дрейфовой скорости электронов от напряженности приложенного электрического поля. Особенность этой зависимости — наличие участка отрицательной крутизны. Эффект генерации колебаний СВЧ, обусловленный статической отрицательной проводимостью полупроводника со сложным (многодолинным) строением зоны проводимости, получил название эффекта Ганна. В основе эффекта Ганна лежит так называемый междолинный электронный переход.
Диод Ганна
Рис. 2.8-6. Структура диода Ганна
Как было указано выше, в основе работы диода Ганна лежит сложное строение зоны проводимости полупроводника. Эта зона имеет несколько расположенных достаточно близко друг к другу областей или долин (рис. 2.8‑7). Электроны, поподающие в ту или иную долину зоны проводимости, хотя и равноправны с точки зрения участия в процессе прохождения тока через полупроводник, однако, обладают некоторыми отличиями, влияющими на характер проводимости.
Рис. 2.8-7. Зонная структура арсенида галлия (GaAs)
При малой напряженности электрического поля большинство электронов проводимости концентрируется в центральной долине зоны проводимости. С увеличением напряженности поля их дрейфовая скорость быстро растет. Темп роста дрейфовой скорости определяется подвижностью электронов. Когда энергия электронов достигает определенной величины, при некотором пороговом значении напряженности электрического поля (\(E_<пор>\)) происходит их интенсивный переход в одну из боковых долин. Находящиеся в боковой долине электроны обладают большей эффективной массой (\(m^*\)) и, следовательно, их подвижность меньше подвижности электронов центральной долины (\(\mu_2
Рис. 2.8-8. Зависимость средней дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля в GaAs
Как видно из графика, вблизи значения пороговой напряженности поля происходит переход от прямой, соответствующей подвижности “быстрых” электронов центральной долины (\(\mu_1\)), к прямой, соответствующей подвижности “медленных” электронов боковых долин (\(\mu_2\)). Этот переход осуществляется на участке AB, где зависимость \(\nu \left( E \right)\) обладает отрицательной производной. Это возможно только тогда, когда переход электронов из одной долины в другую будет достаточно резким. Поскольку ток пропорционален скорости частиц, а напряжение, прикладываемое к полупроводнику, пропорционально электрическому полю, то такой же \(N\)-образный вид будет иметь и статическая вольт-амперная характеристика прибора (рис. 2.8‑9), некоторые незначительные отличия объясняются неустойчивостью распределения электрического поля в диоде Ганна.
Рис. 2.8-9. Статическая вольт-амперная характеристика диода Ганна
Наличие падающего участка на ВАХ полупроводникового прибора является необходимым, но не достаточным условием для возникновения в нем СВЧ колебаний (эффект Ганна). Появление таких колебаний означает, что в пространстве кристалла полупроводника возникает неустойчивость волновых возмущений. Но условия для такой неустойчивости во многом зависят от параметров полупроводника (концентрации носителей, профиля легирования, размеров и т.д.).
В общем случае, основным условием возникновения неустойчивости является выполнение т.н. правила Кремера, которое заключается в том, что произведение концентрации носителей зарядов на длину активной части полупроводника должно превышать некоторое пороговое значение (\(N \cdot l >
Рис. 2.8-10. Домен сильного поля в диоде Ганна
В зависимости от ряда факторов развитие неустойчивости в области отрицательного дифференциальной проводимости приводит либо к установлению постоянного во времени пространственно неоднородного распределения электрического поля, характеризующегося наличием статического домена, либо к периодическим пульсациям поля в пространстве и во времени, связанным с возникновением и исчезновением движущихся доменов, что сопровождается периодическим изменением тока во внешней цепи.
Начало домену дает случайное повышение концентрации электронов в окрестности некоторой точки. Учитывая специфику изготовления и профиль легирования конкретных диодов Ганна (рис. 2.8‑11), критическая напряженность поля будет возникать вблизи контактов, где имеются различные дефекты кристаллической решетки.
Таким образом, домен обычно формируется у катода и движется к аноду со скоростью, равной дрейфовой скорости электронов (для арсенида галлия
10 5 м/с). Достигнув анода, домен втягивается в него. Значительная часть напряжения, приложенного к образцу, падает на домене; вне домена напряженность поля намного меньше пороговой, и флуктуации заряда развиваться не могут, т.е. как правило в объеме полупроводника возникает только один домен сильного поля. В то время, как один домен исчезает на аноде, на катоде зарождается новый домен, и в цепи нагрузки генерируются короткие импульсы. Расстояние между импульсами равно времени пролета домена через рабочую область диода.
Рис. 2.8-11. Профиль легирования диода Ганна (пример)
В зависимости от параметров кристалла, свойств нагрузки, температуры и питающего напряжения, генератор на диоде Ганна может работать в одном из нескольких существенно отличающихся режимов:
Наиболее изученными и используемыми являются доменные режимы работы генератора на диоде Ганна. Для этих режимов характерно существование сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Изменяя сопротивление нагрузки, можно получить три различных доменных режима: пролетный, с задержкой домена, с гашением домена.
Пролетный режим имеет место при малом значении сопротивления нагрузки (\(R_н \approx R_д\)), когда амплитуда колебаний напряжения на диоде мала и не оказывает заметного влияния на процессы образования и движения доменов. Распределение электрического поля в различные моменты времени, а также формы напряжения и тока диода, характерные для пролетного режима изображены на рис. 2.8-12, 2.8-13.
Рис. 2.8-12. Распределение электрического поля по длине диода Ганна в различные моменты времени при работе в пролетном режиме
Рис. 2.8-13. Зависимость напряжения и тока диода Ганна от времени в пролетном режиме
Как видно из рис. 2.8-13, мгновенное напряжение в пролетном режиме всегда больше порогового значения \(U_<пор>\). Это одно из главных условий существования пролетного режима.
Частота генерируемых в пролетном режиме колебаний (пролетная частота) определяется в основном толщиной активной области кристалла (временем пролета доменов от катода к аноду): \(f_ <пр>= 1/t_<пр>\). Она практически не зависит от параметров внешней цепи, которая только выделяет первую гармонику из спектра колебаний тока диода. С повышением питающего напряжения \(f_<пр>\) несколько падает из-за уменьшения скорости движения доменов.
Коэффициент полезного действия генератора на диоде Ганна в пролетном режиме очень не высок (
5%). Поэтому на практике этот режим используется редко — предпочтение отдается другим более эффективным режимам.
Режим с задержкой образования доменов реализуется, когда диод Ганна нагружен на параллельный резонансный контур, входное сопротивление (\(R_н\)) которого достаточно велико. Главная особенность этого режима состоит в том, что часть периода колебаний напряжение на диоде падает ниже порогового значения \(U_<пор>\). При этом, в отличие от пролетного режима, появляется возможность эффективно управлять частотой колебаний, изменяя параметры внешней цепи. На рис. 2.8-14 приведено распределение электрического поля в различные моменты времени, а на рис. 2.8-15 формы напряжения и тока диода, характерные для режима с задержкой образования доменов.
Рис. 2.8-14. Распределение электрического поля по длине диода Ганна в различные моменты времени при работе в режиме с задержкой образования доменов
Рис. 2.8-15. Зависимости напряжения и тока диода Ганна от времени в режиме с задержкой образования доменов
Специфической особенностью данного режима является то, что домен достигает анода в такой момент времени, когда напряженность электрического поля в полупроводнике оказывается ниже порогового значения, т.е. образование нового домена на катоде невозможно. Новый домен образуется только после того, как мгновенное значение напряжения на диоде превысит пороговое.
Существенно, что задержка образования доменов зависит от параметров внешней цепи генератора, изменяя которые можно изменять период колебаний в диоде. Возможная частота генерации в режиме с задержкой образования доменов ниже пролетной частоты диода и лежит в пределах от \(f_<пр>/2\) до \(f_<пр>\). Максимальнй КПД в этом режиме равен приблизительно 7% и достигается при \(f \approx 0,8 \cdot f_<пр>\), \(R_н \approx 10 \cdot R_д\). При чрезмерном уменьшении \(R_н\) режим с задержкой образования доменов вырождается в пролетный режим, а при увеличении \(R_н\) — в режим с гашением доменов.
Режим с гашением доменов имеет место, когда в процессе движения домена к аноду мгновенное значение напряжения на диоде Ганна становится меньше некоторого граничного значения (напряжения гашения доменов, \(U_ <гаш>-10 с. Поскольку уже при частоте порядка 10 ГГц это время превышает половину периода колебаний, в генераторах на диодах Ганна сантиметровых и миллиметровых волн используются другие режимы.
Режим ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ) основан на предотвращении формирования домена путем использования инерционности данного процесса. Здесь, как и в двух предыдущих режимах, диод Ганна нагружается на параллельный контур, у которого \(R_н \gg R_д\). Рабочая частота, напряжение питания и амплитуда колебаний выбираются настолько большими, чтобы напряжение на диоде Ганна перескакивало через всю область отрицательной дифференциальной проводимости за время, малое по сравнению со временем формирования домена. В результате поле внутри диода равномерно распределяется вдоль длины его активной части, а динамическая вольт-амперная характеристика диода полностью совпадает по форме с зависимостью скорости дрейфа от напряженности поля.
Для реализации режима ОНОЗ требуются специальные диоды Ганна со строго однородным профилем легирования (иначе ускоряется формирование домена). Частота генерации в таком режиме полностью определяется настройкой колебательной системы и никак не связана с пролетной частотой диода. Это позволяет увеличивать толщину активной области диода Ганна, сохраняя требуемое значение полного сопротивления диода при повышении частоты или увеличении площади поперечного сечения кристалла. В итоге импульсная мощность, которую может отдавать диод Ганна в режиме ОНОЗ, оказывается на 2-3 порядка больше мощности любых других твердотельных источников колебаний. Максимальный КПД в этом режиме приближается к 15. 17% и достигается при \(R_н \approx <(20. 30)>\cdot R_д\).
Гибридными режимами называют все режимы промежуточные между ОНОЗ и чисто доменными. От режима ОНОЗ гибридные режимы отличает существование в течение части периода колебания достаточно большого неравновесного пространственного заряда, обычно имеющего вид одного или нескольких дипольных доменов. Однако время формирования пространственного заряда здесь все таки достаточно велико по сравнению с периодом колебаний, и он начинает оказывать существенное влияние на протекающий через прибор ток только тогда, когда мгновенное напряжение на нем, превысив пороговое значение, пройдет основную часть падающего участка ВАХ. В гибридных режимах достигается КПД порядка 15%.
Режим отрицательной проводимости имеет очень важное значение. Отличительная особенность этого режима — наличие статического домена сильного поля, определяющего свойства диода. В зависимости от того, выполняется ли для применяемого кристалла полупроводника описанное выше условие существования движущихся доменов (произведение концентрации носителей зарядов на длину активной части полупроводника должно превышать некоторое пороговое значение) различают два случая режима отрицательной проводимости.
Первый случай имеет место для кристаллов, где существование движущихся доменов невозможно. При включении во внешнюю цепь такой диод Ганна образует отрицательную проводимость на пролетной частоте и ее гармониках. Однако на практике он используется крайне редко.
Больший интерес представляет второй случай. Он соответствует так называемому “сверхкритическому” легированию, когда условие существования движущихся доменов выполняется. Диод Ганна, переведенный в такой режим, проявляет отрицательную проводимость в достаточно широком диапазоне частот. Это позволяет использовать его для построения широкополосных регенеративных усилителей с полосой пропускания порядка октавы, которые при достаточно большом возбуждении отдают в нагрузку такую же мощность, как и в автоколебательном режиме. Коэффициент усиления при малом сигнале может достигать 10. 20 дБ, а коэффициент шума — порядка 10 дБ.
Происхождение отрицательной проводимости диода обусловливается инерционностью статического домена. При изменении мгновенного напряжения на кристалле домен перестраивается не сразу. При достаточно высокой частоте внешнего сигнала запаздывание превышает четверть периода колебания и возникает противофазная компонента тока, т.е. происходит подкачка мощности этого колебания. При увеличении сопротивления нагрузки усилитель становится автогенератором.
Диоды Ганна, работающие в различных режимах, используются в диапазоне частот 1. 100 ГГц. В непрерывном режиме реальные генераторы на диодах Ганна имеют КПД порядка 2. 4% и могут обеспечить выходную мощность от единиц милливатт до единиц ватт. При переходе в импульсный режим КПД увеличивается в 2. 3 раза. Максимально возможное значение выходной мощности в этом режиме составляет десятки ватт. Для увеличения КПД генераторов используются также специальные резонансные системы, которые позволяют добавить к мощности полезного выходного сигнала некоторые высшие гармоники. Такие режимы называются релаксационными.
К основным параметрам диода Ганна относятся: рабочий диапазон частот, минимальная непрерывная выходная мощность генерируемого сигнала в рабочем диапазоне частот, рабочий ток диода, сопротивление диода и др. (таб. 2.8‑1).
Лавинно-пролетный диод (ЛПД)
Лавинно-пролетный диод (ЛПД) предназначен для генерации СВЧ колебаний на основе эффекта динамического отрицательного дифференциального сопротивления, возникающего в результате ударной ионизации атомов полупроводника при лавинном пробое. Его работа основана на том, что в режиме лавинного пробоя в полупроводниковых диодах возникающие под влиянием переменного поля изменения потока носителей заряда через диод запаздывают на столько, что большая часть носителей движется во время действия тормозящей полуволны СВЧ поля и отдает ему часть энергии, полученной от постоянного поля. Впервые генерация наблюдалась на германиевых обратно смещенных диодах, имеющих резкий излом вольт-амперной характеристики. Далее были созданы кремниевые, арсенид-галлиевые и фосфид-индиевые лавинно-пролетные диоды.
Лавинно-пролетный диод может быть реализован в виде однопереходной \(p\)-\(n\)-структуры, представленной на рис. 2.8-16 (диод Тагера). Его особенностью является достаточно широкий и плавный переход между \(p\)- и \(n\)-областями. Работа диода происходит в области обратных смещений.
Рис. 2.8-16. Структура лавинно-пролетного диода и распределение электрического поля в нем
Как видно из рис. 2.8-16, где представлено распределение электрического поля в диоде при обратном смещении, электрическое поле в приконтактной области достигает максимума. По мере увеличения обратного напряжения область перехода, в котором отсутствуют подвижные носители, увеличивается. Напряженность электрического поля в нем возрастает. Электрон (или дырка), ускоренные электрическим полем на длине свободного пробега в области \(p\)‑\(n\)‑перехода, при соударении с атомом могут разорвать одну из валентных связей этого атома. В результате рождается новая пара электрон-дырка и процесс повторяется под действием теперь уже этих носителей и т.д. Суммарный ток через переход оказывается большим, чем в отсутствие ионизации. Когда поле в приконтактной области достигает некоторой критической величины, начинается интенсивный процесс ударной ионизации кристалла подвижными носителями заряда, приводящий к лавинному умножению числа носителей и образованию новых электронно-дырочных пар. Ток в цепи диода будет ограничиваться лишь внешним сопротивлением.
Ударная ионизация резко возрастает с ростом напряженности электрического поля. Поэтому область, где происходит рождение носителей заряда, ограничена более или менее узким слоем — слоем умножения, расположенным в приконтактной области, где поле максимально. Образованные в слое умножения носители дрейфуют под воздействием сильного электрического поля к границе нейтрального полупроводника: дырки — через \(p\)-слой, электроны — через \(n\)-слой. Так как напряженность электрического поля в большей части перехода весьма велика, то скорость дрейфа носителей заряда практически постоянна, не зависит от поля и равна скорости насыщения. Таким образом, обратно смещенный \(p\)-\(n\)-переход при напряжении близком к пробивному представляет собой промежуток, в котором роль катода играет слой умножения, а роль пролетного пространства — остальная часть перехода. Эмиссия катода носит ярко выраженный полевой характер, так как ток, выходящий из слоя умножения, возрастает или убывает в зависимости от напряженности электрического поля в самом слое.
Лавинная природа тока эмиссии обусловливает его инерционность. Для развития лавины требуется определенное время, так что мгновенное значение электрического поля определяет не величину лавинного тока, а скорость его изменения. Поэтому изменение тока эмиссии не следует мгновенно за изменением электрического поля, а отстает от него на некоторое время. Под действием переменного напряжения в узком слое перехода (слое умножения) будут формироваться сгустки электронов. Но для этого необходимо, чтобы частота переменного напряжения допускала формирование сгустка в период ускоряющей фазы напряжения. Тогда в последующий полупериод изменения напряжения (замедляющее электрическое поле) такие сгустки будут отдавать свою энергию переменному полю. Отсутствие модуляции скорости носителей в этом случае лишь улучшает высокочастотные свойства диода. В пространстве дрейфа сгустки электронов движутся в тормозящей фазе поля со скоростью насыщения и создают наведенный ток в цепи диода, отстающий от приложенного напряжения на угол, примерно равный \(3 \pi/2\).
В лавинно-пролетных диодах с несимметричным \(p\)-\(n\)-переходом чаще всего бывает одно пространство дрейфа — для электронов. Этим пространством является либо часть легированного полупроводника \(n\)-типа, либо собственный полупроводник перед омическим контактом — анодом, которые не охвачены лавинным пробоем. Генерируемые в слое умножения дырки почти сразу же захватываются \(p\)-областью и в энергообмене участия не принимают. Поэтому частотный диапазон таких ЛПД достаточно узок и определяется областью пролетной частоты.
Существует множество диодных структур пригодных для использования в качестве ЛПД, отличающихся вольт-амперными характеристиками, условиями лавинного пробоя и динамическими свойствами, которые зависят от геометрии, уровня легирования и материала диода. Из них можно выделить три (рис. 2.8-17): диод Тагера с резким \(p\)-\(n\)-переходом, диод Рида с переходом типа \(p^+\)-\(n\)-\(i\)-\(n^+\), диод Мисавы со слоем однородного умножения (\(p\)-\(i\)-\(n\)-переход).
Лавинное умножение носителей в диоде Рида реализуется в сравнительно тонком слое, представляющем собой виртуальный катод в приконтактной области \(p^+\)-\(n\)-перехода. Генерируемые в слое дырки сразу же уходят в \(p^+\)-область, а пакеты электронов дрейфуют со скоростью насыщения через дрейфовое пространство (\(i\)-область).
Рис. 2.8-17. Основные структуры, используемые в лавинно-пролетных диодах, и распределение полей в них
Диод Тагера имеет также сравнительно узкую область лавинного умножения. Электроны опять в виде пакетов попадают в пространство дрейфа (\(n\)-область), отдавая полю СВЧ свою энергию, а дырки поглощаются \(p\)-областью (в \(p\)-\(n\)-переходе диода Тагера обычно \(p\)-область значительно уже \(n\)-области).
Диод Мисавы аппроксимируется структурой, в которой поле близко к однородному. Слой умножения в диоде сравнительно широкий. Дырки и электроны, которые генерируются в одинаковых количествах, дрейфуют в виде пакетов через свои полупространства дрейфа (наведенные ими токи при этом направлены в одну и ту же сторону) — дырки в \(p\)-область, электроны в \(n\)-область.
На рис. 2.8-18 представлены качественные зависимости величины динамического отрицательного дифференциального сопротивления от тока для диодов трех типов. В диоде Рида сопротивление достигает максимума при сравнительно малых плотностях тока, затем оно быстро падает. У диода Тагера максимум сопротивления сдвигается в сторону больших токов. Еще большие плотности тока необходимы для его оптимума в диоде Мисавы. Частотная зависимость отрицательного дифференциального сопротивления при фиксированном токе также представлена на рис. 2.8‑18. Для диода Рида оптимальное отрицательное сопротивление реализуется вблизи пролетной частоты. В диоде Тагера оптимальные фазовые условия на этой частоте не реализуются, поэтому максимум сопротивления в этой структуре ниже и по частоте расплывается. Диод Мисавы имеет небольшое и практически постоянное сопротивление в широкой области частот.
Лавинно-пролетные диоды различных конструкций работают в нескольких основных режимах работы, зависящих как от добротности резонатора, так и от многих других факторов.
Рис. 2.8-18. Токовая и частотная зависимости динамического отрицательного дифференциального сопротивления для лавинно-пролетных диодов различного вида
Стандартным считается так называемый режим Impatt (impact avalanche, transit time) или пролетный режим. Он отражает основные физические явления, протекающие в ЛПД при не слишком высоких амплитудах полей СВЧ (резонаторы средней добротности). Обычно, максимальный КПД прибора примерно равный 25% достигается на частоте, удовлетворяющей соотношению \(\omega \tau \sim \pi\) (пролетная частота), где \(\tau\) — время пролета электронной лавины. Электронно-дырочные пары генерируются в этом режиме в слое лавинного умножения. Генерируемые дырки уходят в \(p\)-область, а электроны участвуют в энергообмене с полем. Такая ситуация наблюдается в диодах Рида и Тагера (с несимметричным \(p\)-\(n\)-переходом). В диоде Мисавы пролетное пространство является также слоем лавинного умножения, поэтому анализ Impatt-режима для диода Мисавы значительно сложнее, чем для диодов Рида и Тагера, где четко можно выделить виртуальный катод (слой умножения) и область дрейфа. В Impatt-режиме ток инжекции в пространстве дрейфа достигает максимума к моменту, когда напряжение, приложенное к диоду, проходит через нуль. Дальнейшее отставание по фазе конвекционного тока носителей обусловливается конечным временем их движения в пространстве дрейфа, так что в целом наведенный ток в цепи диода оказывается противофазным к приложенному напряжению.
Второй тип колебательного режима лавинно-пролетного диода — режим Trapatt (trapped plasma, avalanche triggered time) или аномальный режим. Этот режим считается аномальным, поскольку рабочая частота в нем намного ниже пролетной. Trapatt-режим отличается относительно высоким значением КПД и возникает в условиях значительных напряжений СВЧ на диоде (высокодобротные резонансные системы, в которые помещается \(p\)-\(n\)-переход). Установление такого режима сопровождается значительными изменениями постоянных составляющих напряжения и тока на диоде. Trapatt-режим возникает в условиях большого смещения на диоде с резко неоднородным распределением электрического поля. В этом режиме ток инжекции также отстает по фазе от напряжения, приложенного к диоду. Возникающие при этом носители заполняют все пространство дрейфа, так что диод к моменту наступления отрицательного полупериода напряжения оказывается заполненным электронно-дырочной плазмой высокой концентрации. Проводимость диода резко возрастает и через него в течение отрицательного полупериода “проталкивается” импульс тока большой величины. Этим и обусловливается высокая отрицательная динамическая проводимость ЛПД в Trapatt-режиме. Когда диод обладает такой повышенной проводимостью, напряжение на нем невелико и носители движутся не со скоростью насыщения, а значительно медленнее. Поэтому рассасывание носителей из объема диода происходит медленно и оканчивается к моменту перехода напряжения к положительному полупериоду. При этом генерация диода происходит на более низкой частоте.
Лавинно-пролетные диоды по частоте спосбны перекрывать весь диапазон СВЧ (от 0,5 до 500 ГГц). Существенное повышение коэффициента полезного действия ЛПД до 20. 30% в сантиметровом и 60. 70% в дециметровом диапазонах привело к тому, что они смогли заменить лампы обратной волны и клистроны малой и средней мощности. При помощи ЛПД могут генерироваться колебания мощностью до 12 Вт от одного прибора в сантиметровом диапазоне и порядка 0,1. 1 Вт в миллиметровом. В аномальном режиме от ЛПД могут быть получены еще большие мощности (до сотен ватт в импульсном режиме). Недостатком ЛПД является относительно высокий уровень фазовых шумов. Помимо генерации сигналов СВЧ лавинно-пролетные диоды могут использоваться для их усиления, в схемах умножения и преобразования частоты и т.д.
Параметры лавинно-пролетных диодов, указываемые в справочниках, практически ни чем не отличаются от параметров генераторных диодов на эффекте Ганна. Это диапазон рабочих частот, минимальная выходная мощность в рабочем диапазоне, постоянные рабочие ток и напряжение и т.п. (таб. 2.8‑1).
Источник
