Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Отечественная промышленность выпускает ТД для низких частот с проволочными и для высоких частот с ленточными выводами. В последнем случае диод представляет собой таблетку, у которой выводы могут быть отрезаны, что удобно при установке в свч резонаторы (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Туннельный диод; а) конструкция; 6) условное обозначение (/ - полупроводниковый кристалл; 2 - кера.мнчвекая втулка: 3 -вплавленная капля: 4. 5- ленточные выводы!

Исходным материалом для изготовления ТД обычно служит арсенид галлия, реже - германий и кремний. Качество диода в значительной мере определяется технологией изготовления вплав-ного р-п-перехода, который должен быть резко ограниченным и по возможности узким. Диоды из арсенида галлия обладают наибольшей протяженностью падающего участка характеристики Vmin - t/mox. меньшей величиной емкости р-п-перехода С, меньшими значениями Ri и лучшими частотными свойствами. В табл. 6.1 приве-

Таблица 6.1


Тип диода

max- А

maxmln

max- В

ГИ302А ГИ302Г АИ301А АИ301Г

1.72,3 I3H-I7 2 10

4.5 4,5 8 8

60 60 180 180

0,4 0,4 0,65 0,8

80 200 12

лены основные параметры отечественных туннельных германиевых диодов типа ГИ302 и диодов из арсенида галлия типа АИ301.

Конструкция генератора свч колебаний с коаксиальным резонатором на ТД схематически показана на рис. 6.5. Короткозамыкаю-ший поршень используется для настройки генератора. Требуемая длина резонатора / с учетом укорачивающего действия емкости диода С определяется выражением

/ arctg-. (6.4)

где Я - длина волны генерируемых колебаний; ы - их угловая частота; р - волновое сопротивление резонатора.

Если емкость С сравнительно велика, то согласно ф-ле (6.4) имеем t!k/A. Таким образом, длина резонатора оказывается очень малой, что копструктИЕИо неудобно. В этом случае целесообразно


гньшать связь диода с резонатором, размещая диод на внутрев-п м проводнике ближе к короткозамыкающему поршню, где напряженность электрического поля меньше.

Генератор может настраиваться не только поршнем, но и емк&-гным штырем или диодом с электрически управляемой емко-

ис. 6.5. Конструкция свч генератора на ТД:

/ - туннельный диод; 2 - вывод цепм смещения; 3 -внутренний проводник коаксиального резонатора; 4 - выходиая коаксиальная линия; 5-(Петля связи; € - внешний проводник коаксиального резонатора; 7 - короткозамыкающий поршень; 8 - механизм привода поршня

стью - варактором. Генераторы с варакторами используются в цепях АПЧ и в ЧМ системах.

Генератор с диодом типа АИ301Г обеспечивает получение выходной мощности 4,3 мВт на частоте 400 МГц. Обычно на частотах до 1 ГГц используют коаксиальные резонаторы и резонаторы и полосковых линиях, а на более высоких частотах - волноводные резонаторы.

Усилители свч колебаний на ТД изготавливают отражательного и проходного типов. В первых сигнал вводится в резонатор и выводится обратно по одной линии связи, вторые содержат две Л1§-нии связи - входную и выходную. Таким образом, конструкция резонатора усилителя проходного типа отличается от конструкции генератора дополнительной линией связи. Входные и выходные, сигналы в усилителях отражательного типа разделяются при помощи специальных невзаимных устройств (циркуляторов, гибридных соединений и др.). Поскольку ТД обладают отрицательным дифференциальным сопротивлением в широком диапазоне частот усилители могут обладать значительной полосой пропускания. Однако динамический диапазон усилителей ограничен. Уже при мощностях входного сигнала около 1 мкВт амплитудная характеристика начинает отклоняться от линейной.

На ТД разработаны также преобразователи частоты как с отдельным гетеродином, так и по автодинной схеме. Усилители и преобразователи частоты на ТД обладают малым уровнем шумов (до 2-4 дБ), что позволяет существенно улучшить качественные показатели радиорелейных линий связи, систем дальней связи и др.

В заключение кратко остановимся на обращенных диодах. Если уменьшать концентрацию примесей ври п-областях по сравнению с требуемой для ТД, высота потенциального барьера Wk н перекрытие зон будут уменьшаться. При определенной концентрации границы зоны проводимости п-полупроводника и валентной зоны р-полупроводника в равновесном состоянии совпадают, а пе-



а) - п


Рис. 6.6. Обращенный диод: энергетическая диаграмма; вольтамперная характеристика

рекрытие зон отсутствует (рис. 6 6). В этом случае туннельный то.< может протекать только при подаче обратного смещения, огда увеличивается высота потенци-и ального барьера и появляется перекрытие зон. Смещение перехода в прямом направлении вызывает только диффузионный так. Диод рис. 6.6 называется обращенным, поскольку при очень малых обратных напряжениях ток через переход достаточно велик, а при таких же значениях прямого напряжения - мал.

Обращенные диоды используются в свч диапазоне в качестве детекторов малых сигналов и смесителей.

§ 6.2. ЛАВИННОчПРОЛЕТНЫЕ ДИОДЫ

Лавинно-пролетные диоды (ЛПД) - относительно новые полупроводниковые приборы свч, работающие в области лавинного пробоя р-п-перехода. Статическая вольтамперная характеристика таких диодов имеет всюду на рабочем участке положительный наклон. При лавинном пробое смещенного в обратном направлении р-п-перехода возникает динамическое отрицательное сопротивление, что можно объяснить следующим образом.

На рис. 6.7 схематически показан р-п-переход, находящийся под воздействием обратного напряжения, а также распределение потенциала У и напряженности электрического поля E=dVldx в переходе. Концентрация подвижных носителей в обратно смещенном р-п-переходе весьма мала. Напряженность электрического поля максимальна в центре области р-п-перехода. При увеличении приложенного к диоду обратного напряжения напряженность поля возрастает. Если поле в переходе достигнет некоторого критического значения £=£пр, возникнет лавинный пробой р-п-перехода: число подвижных носителей в процессе ударной ионизации атомов полупроводника лавинообразно умножается.

Лавинный пробой существует при напряженностях поля порядка 10-10 В/см. Такие высокие напряженности поля возникают, прежде всего, в центре р-п-перехода, где и происходит процесс лавинного умножения подвижных носителей. Указанная область (заштрихованная на рис. 6.7) называется слоем умножения.

Толщина слоя 6 меньше толщины р-п-перехода Д. Носители заряда, образовавшиеся в слое умножения, затем дрейфуют в поле р-п-перехода, причем электроны движутся через п-область, а дырки - через р-область.

Рассмотрим явления в р-п-переходе, когда на постоянную составляющую смещения, близкого к критическому, накладывается высокочастотное пульсирующее напряжение (рис. 6.8). В этом слу-

чае лавинный пробой перехода происходит периодически в соответствии с частотой пульсации. Поскольку лавинообразный процесс инерционен, возникновение носителей заряда запаздывает относительно максимального значения электрического поля. Оптимальным, с точки зрения энергообмена, является случай, когда возникающий ток отстает от высокочастотного поля на четверть периода. При этсм носители заряда, как показано на пространствен-



Рис. 6.8. Пространственно-временная диаграмма ЛПД

Рис. 6.7. Схема р-п-перехода ЛПД

но-временн6й диаграмме x(t). попадают из слоя умножения сразу в тормозящее высокочастотное поле. Вследствие передачи носите-лями заряда своей энергии свч полю динамическое активное сопро-1ротивление диода становится отрицательным. Практически постоянное смещение, подаваемое на ЛПД, превышает критическое. При :..том высокочастотная пульсация не создает пробой, а модулирует лавинный ток. Для глубокой модуляции вольтамперная характеристика ЛПД должна обладать резким перегибом при на- пряжении пробоя.

Работа лавинно-пролетного диода несколько напоминает рабо-у вакуумного диода на свч. Однако если у вакуумного диода элек-Гтроны группируются в сгустки в пролетном пространстве между катодом и анодом, то у ЛПД в пролетное пространство поступают уже сгруппированные сгустки носителей заряда, что существенно 1 повышает эффективность взаимодействия.

Рассмотрим влияние объемного заряда на работу ЛПД. Носи-[тели наряда, возникающие в слое умножешя, уменьшают напряженность электрического поля в этом слое, что эквивалентно появ-лению в диоде внутренней отрицательной о< ратной связи. Если бы



ток не отставал по фазе от электрического поля, то отрицательная обратная связь ограничила бы протекающий через диод средний ток. Отставание фазы тока от поля вносит запаздывание в цепь обратной связи. Оно на определенных частотах облегчает условия самовозбуждения колебаний в системе. Действительно, при оптимальном энергообмене время запаздывания 4 тока относительно поля составляет четвертую часть периода свч колебаний. Отсюда получаем, что автоколебания при прочих равных условиях легче -всего возникают на частоте

/ = 0,25 з. (6.5)

Поскольку скорость образования лавинного процесса и соответственно время запаздывания зависят от приложенного напряжения, изменение последнего обеспечивает электронную регулировку частоты генерации. Однако практически, в связи с большой крутизной вольтамперной характеристики в области лавинного пробоя, говорят не об изменении напряжения, а об изменении тока питания диода. В ряде случаев внутренняя обратная связь может оказаться достаточной для возникновения в диоде автоколебаний, не требующих внешнего добротного резонатора.

Лавинно-пролетные диоды используются для построения свч генераторов монохроматического сигнала, генераторов шума, регенеративных усилителей. Разработанные ЛПД перекрывают значительный спектр - от дециметрового до миллиметрового диапазона длин волн включительно. Промышленный выпуск генераторов на ЛПД за рубежом освоен в диапазоне от 4 до 70 ГГц с мощностями в непрерывном режиме соответственно от 1 до 0,05 Вт. Коэффициент полезного действия приборов составляет 1-10%.

§ 6.3. ПРИБОРЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ЭФФЕКТ ГАННА

В рассмотренных выше свч диодах для получения отрицательного дифференциального сопротивления используется р-п-переход. Особенность диодов Ганна в том, что они основаны на явлениях, возникающих в объеме однородного полупроводника.

Эффект Ганна, открытый десять лет назад, заключается в возникновении свч колебаний тока в некоторых полупроводниковых кристаллах под воздействием сильного электрического поля. Колебания тока обусловлены формированием и движением в кристалле резко выраженных доменов -областей с высокой напряженностью поля. Рассмотрим кратко механизм эффекта Ганна.

На движение носителей заряда в полупроводниковых кристаллах существенно влияет поле кристаллической решетки. Под действием внешнего электрического поля одновременно изменяется как кинетическая, так и потенциальная энергия электрона. Поэтому величина энергии, которую нужно сообщить электрону для приобретения им в кристаллической решетке определенной средней скорости существенно зависит от величины и направления вектора скорости. Например, если под действием внешнего поля опреде-

ленного направления потенциальная энергия электрона уменьшается, то увеличение кинетической энергии будет больше работы сил внешнего поля за счет перехода в кинетическую энергию части потенциальной энергии. Подвижность ц такого электрона велика:

i=vtE. (6.6)

где Е - напряженность внешнего поля. Наоборот, если под действием внешнего поля потенциальная энергия электрона возрастает, то подвижность его мала.

У некоторых полупроводниковых соединений элементов 3 и 5-й групп периодической системы, например у арсенидов и антимони-дов галлия и индия, в зоне проводимости имеются две щели. Нижняя из этих щелей обозначается символом L. а верхняя - U, и тогда уровни энергии, на которых расположены эти щели, связаны соотношением Wv>Wl-

При малых напряженностях Е почти все электроны расположены в нижней щели и обладают высокой подвижностью цх,. Зависимость средней скорости от напряженности поля практически линейна и описывается формулой ихцьЕ (рис. 6.9). При более силь-

о.е

ол о

W 20 30 iiO 50 60 70 00 Е,кв/сн

Рис. 69 Зависимость средней скорости электронов от электрического поля для арсенида галлия

ных полях (£>3 кВ/см) часть электронов переходит в верхнюю щель, где их подвижность \хи<.\1ь, и средняя скорость электронов уменьшается при увеличении поля Е. Наконец, при больших полях почти все электроны находятся в верхней щели, и зависимость вновь становится линейной: vk,\xuE.

Таким образом, кривая v(E) таких полупроводников обладает падающим участком. На этом участке дифференциальное сопротивление кристалла отрицательно. Действительно, конвекционный ток / через диод

/ = envS, (6.7)

где е п п - заряд и концентрация электронов; 5 площадь поперечного сечения кристалла.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30