Генераторы и усилители на диодах Ганна

Диоды Ганна представляют собой двухкомпонентные полупроводники на основе арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и др. Они имеют на оси энергий две частично перекрывающиеся зоны проводимости (ЗП), а ниже – валентную зону (ВЗ). Кинетическая энергия носителей заряда W_k = зависит не только от дрейфовой скорости υ_др, но и от эффективной массы т^*, возрастаю-щей в верхней зоне проводимости (рис. 6.8).

Это уменьшает скорость электронов υ_др, которую можно характеризовать подвижностью μ в зонах, соответственно μ₁ иμ₂ (μ₁ > μ₂). Скорость υ_дрзависит от приложенного напряжения питания U_пит. Значение т^* определяется степенью взаимодействия носителей заряда с полями кристаллической решетки полупро-водника.

Рис. 6.8. Изменение энергии носителей заряда в двухкомпонентном полупроводнике

С учетом изложенного можно полагать, что ток диода i_Д в зависимости от напряжения U_пит будет пропорционален i_Д ~ е (μ₁n₁+ μ₂n₂) U_пит, где е – заряд электрона, п₁+п₂=п₀ – общая концентрация носителей, равная сумме концентраций в нижней и верхней зонах проводимости («долинах»). Когда мала при малых U_пит, ток через диод будет определяться произведением μ₁п₀, так как п₂→0, п₁→п₀. При больших (больших U_пит) i_Д ~ μ₂п₀, так как п₁→0, п₂→п₀. Поэтому вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода будет резко нелинейной ввиду того, что μ₂ << μ₁.

Рис. 6.9. Вольт-амперная характеристика диода Ганна

Эта характеристика имеет также и гистерезис при уменьшении тока. Значе-ние напряжения резкого уменьшения тока i_Д называется пороговым (U_пор), а напряжение U_под возврата на восходящую часть ВАХ-подавления (распада) доме-на пространственного заряда (ДПЗ).

При включении U_пит ≥ U_пор домен возникает непосредственно около отрица-тельного полюса (катода), где специально создается слой повышенного сопро-тивления, на котором возникает напряженность поля Е > Е_пор.

Формируется ДПЗ ввиду того, что электроны, перешедшие в верхнюю зону, тормозятся, и их догоняют электроны, находящиеся в нижней зоне энерго-диаграммы, у которых скорость (подвижность) выше. На ДПЗ возникает падение напряжения (почему его еще называют «домен сильного поля» – ДСП), поэтому даже на участке повышенного сопротивления около катода ДГ напряженность поля остается ниже Е_пор, и новый ДПЗ не возникает. Образовавшийся ДПЗ со скоростью υ_др (около 100 ÷ 200 км/с) перемещается к аноду, где рекомбинирует. За время движения ДПЗ в ДГ во внешней цепи наводится импульс тока с периодом Т_пр = τ_пр = , где l – длина ДГ (длина пробега ДПЗ), F_пр – пролетная частота (единицы ГГц).

F_пр= . (6.2)

В этом эффекте генерации импульсов тока в ДГ при U_пит ≥ U_пор и состоит эффект, открытый Дж. Ганном в 1963 году. Этот режим генерации ДГ называется пролетным. Падающий участок вольт-амперной характеристики ДГ дает отрицательную дифференциальную проводимость (ОДП).

Эффект Ганна возникает в «двухдолинных» полупроводниках лишь при достаточно высокой концентрации носителей заряда п₀в них на длине l:

lп₀ > 10¹², . (6.3)

Условие (6.3) получено Кремером. Обычно п₀ ≈ 10¹⁵ см^-3. Кроме того, время формирования τ_ф ДПЗ должно быть меньше полупериода возникающих СВЧ-колебаний Т_г, что также связано с концентрацией п₀:

п₀ Т_г= > 10⁵, с/см³ (6.4)

Для получения возможности перестройки частоты генератора на ДГ (ГДГ) последний помещают в резонатор. В зависимости от его настройки различают три основных режима работы ГДГ при U_пит > U_пор:

1. Режим с задержкой формирования домена (ЗД).

Здесь f_р = f_г < f_пр ( < f_г < f_пр), R_н > R₀ (R_н – эквивалентное резонансное сопротивление нагрузки, R₀ – сопротивление ДГ при U_пит > U_пор, f_р – частота настройки резонатора).

При возникновении ДПЗ он перемещается с υ_др и достигает анода. Новый ДПЗ не образуется до тех пор, пока суммарное напряжение источника питания U_пити положительное значение амплитуды поля СВЧ не достигнут U_пор. Таким образом, вынужденный период колебаний Т_г здесь больше Т_пр, а f_г< f_пр. КПД – единицы %.

2. Режим с подавлением (распадом) домена (ПД). Здесь обычно f_р= f_г > f_пр (более строго <f_г<(2÷3)f_пр), а R_н>>R₀. Когда сумма напряжения питания U_пити амплитуды отрицательного полупериода поля СВЧ станут меньше U_под, то домен исчезнет, не долетев до анода. Это время обычно меньше Т_г, т.е. частота f_г> f_пр. Максимальный КПД в режиме ПД около 6 %.

3. Режим ограничения накопления объемного заряда (ОНОЗ); в зарубежной литературе – LSA (limited space charge accumulation). В режиме ОНОЗ f_р= f_г>>f_пр настолько, что домен не успевает сформироваться, а затем происходит «рассасывание» пространственного заряда. Для реализации режима ОНОЗ необходимо U_пит>(2÷3)U_пор, R_н>>R₀. Здесь генерация происходит фактически за счет ОДП ДГ. Максимальный КПД – около 17 %. Длину ДГ здесь можно брать много больше, чем в доменных режимах, что увеличивает мощность генерации. Предельные частоты генерации в режиме ОНОЗ достигают 100÷300 ГГц, а мощность в импульсном режиме от сотен ватт до единиц киловатт. Такая генерация возможна лишь при большой скважности во избежание перегрева ДГ.

В доменных режимах частоты генерации могут быть от единиц (при мощности до 1÷2 Вт в непрерывном режиме) до десятков ГГц (при мощности не более 0,1 Вт).

Между режимами с ПД и ОНОЗ существуют гибридные режимы с частотами генерации значительно ниже, чем в ОНОЗ, но выше, чем в режиме ПД. Они также находят практическое применение.

Электрическая схема включения ГДГ приведена на рис. 6.10. В качестве резонатора, как и с ГЛПД, можно использовать коаксиальную, волноводную или полосковую конструкцию (см. рис.6.7).

Рис. 6.10. Электрическая схема включения ГДГ

Кроме классических резонансных систем могут быть использованы монокристаллы феррита, например железисто-иттриевого граната (ЖИГ – в виде сферы диаметром 2÷3 мм), в котором возникает ферромагнитный резонанс в диапазоне СВЧ, частота которого определяется величиной внешнего постоянного магнитного поля Н₀. Связь ЖИГ с ДГ и нагрузкой осуществляется через ортого-нально расположенные петли связи. Такой резонатор на ЖИГ можно перестраи-вать изменением Н₀ в широком диапазоне частот (до октавы). Все ГДГ имеют малый коэффициент шума по сравнению с ГЛПД.

Могут использоваться ДГ и в качестве усилителей СВЧ, особенно в миллиметровом диапазоне, где применение транзисторов ограничено. Для исключения возникновения доменного режима условие Кремера не должно выполняться (п₀l <5·10¹¹, см^-2). Тогда при U_пит>U_пор в ДГ возникает ОДП на частотах, близких к f_пр, и его можно использовать в качестве регенеративного усилителя отражательного типа, включаемого через ферритовый циркулятор ФЦ (см. рис. 1.8, б). Недостаток таких усилителей – узкая полоса усиления, неболь-шой коэффициент усиления и малая выходная мощность. Более широкая полоса усиления (до 40 %) реализуется в генераторных ДГ в импульсном режиме при напряжениях питания = 3÷4, когда генерация не возникает из-за уменьше-ния ОДП. Такой УДГ также подключается через ФЦ.

Специальные усилительные ДГ (УДГ) изготовляются с неоднородным леги-рованием образца, что выравнивает напряженность поля Е_пит вдоль ДГ и препят-ствует возникновению ДПЗ.

Перечисленные типы усилителей имеют широкий динамический диапазон в амплитудной характеристике, малый коэффициент шума (~10 дБ), но низкий КПД (2÷3 %).

Реализованы также усилители бегущей волны (УБВ ДГ) с однонаправленным усилением в широкой полосе частот (рис. 6.11). Между катодом и анодом слоя арсенида галлия введены металлические контакты для ввода и вывода сигнала, ДГ работает здесь в режиме ОДП. Входной сигнал, действующий между контактом (в виде барьера Шоттки − контакт «металл-полупроводник») и катодом, возбуждает в ДГ волну пространственного заряда с дрейфовой скоростью υ_е. Сам сигнал распространяется в пленке GaAs с фазовой скоростью υ_ф. При υ_е ≥ υ_ф происходит нарастание величины пространственного заряда и амплитуды сигнала.

Рис. 6.11. Устройство УБВ на ДГ

Такие УБВ ДГ дают усиление до 1дБ/мкм длины на частотах сантиметро-вого диапазона, т.е. при длине рабочего пространства в десятки мкм можно полу-чать усиление десятки дБ при выходной мощности до единиц мВт. Описанные УБВ ДГ могут реализовываться в микросхемном исполнении.