диода Ганна

Лабораторная работа № 7
ДИОД ГАННА
Цель работы: изучить физический принцип действия, устройство и
характеристики диода Ганна и диодного генератора
на его основе.
Задание:
занести в рабочую тетрадь:
- название и цель лабораторной работы;
-основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на
контрольные вопросы.
I ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Диод Ганна
- это полупроводниковый прибор без p-n-перехода,
преобразующий энергию источника питания постоянного напряжения в энергии
сверхвысокочастотных колебаний в результате возникновения в полупроводнике
домена сильного поля.
В
1963г., исследуя свойства полупроводниковых соединений в сильных
электрических полях, Дж. Ганн обнаружил явление спонтанного возникновения
колебаний электрического поля в однородных образцах арсенида галлия (GaAs) и
фосфида индия (InP) при напряженности поля больше некоторого порогового
значения. По имени автора открытия это явление стали называть эффектом Ганна, а
созданные на его основе источники СВЧ колебаний – генераторами на диодах
Ганна или просто генераторами Ганна.
Открытие Дж. Ганна завершило этап длительного периода усилий
исследователей по отысканию явлений в твёрдом теле, обеспечивающих объёмную
3
отрицательную проводимость.
В отличие от туннельных, лавинно - пролётных и других диодов, свойства
которых определяются процессами в p-n-переходах, свойства диодов Ганна
характеризуются явлениями, возникающими в объёме полупроводника с
электронной проводимостью.
Аномальная
зависимость
скорости
электронов
от
напряженность
электрического поля в некоторых полупроводниковых соединениях используется
для усиления и генерации колебаний СВЧ – диапазона.
Потребность в подобных источниках СВЧ колебаний, обладающих малыми
габаритами и
массой, повышенной надежностью, сравнительно
простой
конструкцией, предъявляющих в большинстве случаев пониженные требования к
источникам питания, в современной радиоэлектронике весьма велика.
2 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
2.1 Материал и структура диода Ганна
Диод
Ганна
(ДГ)
представляет
собой
однородный
кристалл
полупроводникового материала, на основе элементов III-V групп таблицы
Менделеева. К таким полупроводниковым материалам относится GaAs, InSb,
InAs, ZnSe и CdTe. Однако, наиболее характерным для диодов Ганна и наиболее
исследованным является GaAs.
На рисунке 1 представлена структура диода
Ганна. Площадь торцов кристалла S =
100  100мкм2, длина d = 5 – 100мкм. На
торцы
кристалла
металлические контакты.
Рисунок 1 – Структура диода Ганна
4
нанесены
2.2 Возникновение отрицательной дифференциальной проводимости.
Арсенид
галлия
относится
к
так
называемым
двухдолинным
полупроводникам. На рисунке 2 показана структура зоны проводимости арсенида
галлия.
Рисунок 2 – Структура зоны проводимости арсенида галлия
Волновое число k отложено в единицах  /,
где α постоянная
кристаллической решётки в выбранном направлении. Зависимость энергии W от k
в зоне проводимости имеет два минимума, соответствующих нижней и верхней
долинам. Разность энергии между ними  W = 0,36эВ.
В нормальных температурных условиях (T = 300K) при отсутствии
внешнего напряжения почти все электроны, имеющие энергию теплового
движения 0,025эВ, занимают низшее энергетическое положение – дно нижней
долины. При этом их эффективная масса составляет 0,067 массы свободного
электрона, т.е. электроны в нижней долине являются «лёгкими». Это
обеспечивает им высокую подвижность [1 = 8000 – 3000см 2 (Вс)-1]. Плотность
тока через образец в условиях малых напряженностей электрических полей Е
можно выразить следующим соотношением (участок ОА рисунка 3).
5
j = eN 1  1 ,
где N 1 - концентрация электронов в нижней долине.
Рисунок 3 – Зависимость плотности тока проводимости от напряжённости
поля
При достаточно сильном электрическом поле часть электронов приобретает
энергию, сравнимую с энергией междолинного перехода
 W, и переходит из
нижней в верхнюю долину. Здесь их эффективная масса m2 составляет
приблизительно 0,35 массы свободного электрона, т.е. электроны в верхней
долине «тяжёлые» и их подвижность уменьшается до 2 = 100 – 200см 2  (Вс) 1 , а
концентрация становится N2.
Большая разница в подвижности электронов для верхней и нижней долин
приводит к тому, что начиная с некоторого значения критического поля Е пор
средняя дрейфовая скорость электронов в однородном образце начинает
уменьшаться с ростом электрического поля. При этом плотность тока в образце на
участке АВ (рисунок 3) будет
j = e (N 1+N 2) E.
1
(1)
2
6
Наконец, при очень больших полях (Е=Е
v
) все электроны перейдут в
верхнюю долину и плотность тока через образец (участок ВС рисунка 3) станет
j = eN 2E,
(2)
2
где N 2 – общая концентрация электронов в зоне проводимости.
Таким образом, при напряженности поля выше порогового значения Епор
вольт-амперная характеристика (ВАХ) ДГ имеет падающий участок (рисунок 4),
на котором дифференциальная проводимость ДГ отрицательна
Gдг = j / E  0.
(3)
Рисунок 4 – Вольт-ампеная характеристика ДГ
Отметим, что за счёт взаимодействия электронов с кристаллической
решеткой полупроводника скорость электронов не превышает ~ 10 7 см / с, т.е.
имеет место явление « насыщения » при больших напряжённостях поля, и ток
достигает некоторого постоянного значения – i нас.
2.3 Образование домена сильного поля
В области отрицательной дифференциальной проводимости равномерное
распределение заряда и поля в объёме полупроводника неустойчиво, и в нём
7
могут возникнуть образования, называемые доменами. Их появление можно
качественно пояснить следующим образом.
Приложенное внешнее поле согласно закону Кирхгофа распределяется по
образцу полупроводника пропорционально сопротивлению его отдельных
участков, поэтому при повышении напряжения пороговая напряженность поля
достигается в области какой-то неоднородности, где имеется повышенное
сопротивление полупроводника. Здесь возникает повышение концентрации
«тяжёлых» и уменьшение «лёгких» электронов (рисунок 5).
Средняя скорость электронов станет убывать, что приводит к дальнейшему
увеличению кажущегося сопротивления участка и повышения напряженности
поля в нём.
Рисунок 5 – Идеализированный профиль легирования ДГ (а) и начальное
распределение напряжённости электрического поля (б)
Одновременно поскольку общее напряжение, приложенное к пластинке
полупроводника, постоянно, поле по обе стороны от данного участка будет
убывать. Возникающий сгусток « тяжёлых» электронов будет под действием поля
перемещается слева направо. Его будут догонять движущиеся позади «лёгкие»
8
электроны, а «лёгкие» электроны, двигающиеся впереди, наоборот будут уходить
от него. В результате возникает движущееся образование в виде сгустка
электронов, перед которым создаётся область с их пониженной концентрацией,
его называют доменом сильного поля (рисунок 6).
Благодаря нарастанию поля внутри сгустка его скорость увеличивается до
состояния насыщения, а благодаря уменьшению поля вне его, скорости «легких»
электронов уменьшаются и происходит их выравнивание, после чего домен
движется с постоянной скоростью до исчезновения на аноде.
Описанный выше процесс формирования домена происходит за очень малое
время ф. Сформировавшийся домен имеет форму размытого треугольника
(рисунок 6,а) и состоит из слоя накопления заряда, в котором концентрация
электронов N превышает общую концентрацию электронов в зоне проводимости
N 0 в десятки раз, и слоя объединения, где NN0 (рисунок 6,б).
Рисунок 6 – Образование домена сильного поля
Следует отметить, что пока домен не исчезнет, поле в образце будет меньше
порогового значения, и образование нового домена произойдёт только после
9
исчезновения первого. Поэтому ток во внешней цепи будет представлять собой
последовательность импульсов, разделённый временем пролёта
пр = d  υпр,
где d – длина пластины (рисунок 7);
υпр – скорость пролёта.
Рисунок 7 – Ток во внешней цепи ДГ
3 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДГ
Автогенератор на диоде Ганна (АДГ) образуется ДГ, включённым в
резонатор с эквивалентным сопротивлением Zн и источником питания U0
(рисунок 8).
Рисунок 8 – Эквивалентная схема
Рисунок 9 – Диаграмма возможных
автогенератора на ДГ
режимов работы ДГ
10
Классификация возможных режимов работы ДГ в генераторе представлена на
рисунке 9.
Доменными называют режимы ДГ, для которых характерно наличие
сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода
колебаний. Идеализированная динамическая ВАХ ДГ в доменных режимах дана
на рисунке 10 сплошной линией (пунктир – статическая ВАХ ДГ). Наличию
домена соответствует нижняя ветвь характеристики 1. При достижении
напряжения гашения Uгаш домен рассасывается и рабочая точка диода переходит
на восходящую ветвь характеристики 2. Изменяя сопротивление нагрузки (а
значит амплитуду U 1) на «зажимах» отрицательной проводимости диода, можно
получить три различных доменных режима ДГ.
Пролётный режим имеет место при малой нагрузке на диоде, амплитуда
напряжения мала и не оказывает влияния на образование и движение доменов. В
этом режиме частота колебаний равна fпр = 1 пр , импульсы тока имеют вид,
представленный на рисунке 7. Практически этот режим не используется из-за
малых значений КПД и fпр.
В прочих режимах работы ДГ частота колебаний задаётся внешним
резонансным контуром.
Режим с задержкой образования домена возможен, если минимальное
напряжение на диоде U 0 – Um оказывается меньше порогового значения, причём
домен достигает анода в такой момент времени, когда мгновенное напряжение на
диоде лежит между U2ош и Uпор и образование нового домена будет задержано до
тех пор, пока U не сравняется с U пор.
Режим с гашением домена имеет место, когда в процессе движения домена
к аноду мгновенное напряжение на ДГ становится меньше напряжения U2
ош,
и
домен быстро рассасывается. Импульсы тока в этом режиме показаны на рисунке
10, б.
11
Рисунок 10 – Режим работы ДГ
Режим ОНОЗ. В режиме ограничения накопления объёмного заряда
(ОНОЗ) частота напряжения настолько велика, что напряжение на ДГ проходит
область отрицательного наклона ВАХ за время, малое по сравнению с ф. При
этом домен не успевает формироваться и динамическая ВАХ совпадает по форме
с характеристикой υ др (E).
Гибридными режимами называются все режимы, промежуточные между
ОНОЗ и доменными. В этих режимах время ф сравнимо с периодом колебаний,
так что в течение части периода существует неравновесный пространственный
заряд в образце. Эти режимы характерны для АДГ при f  8 – 10ГГц.
12
5 КОНСТРУКЦИЯ ДГ
Диоды Ганна изготовляются в нескольких конструктивных вариантах,
которые сводятся к двум основным разновидностям: типа «сэндвич» и планарной.
Для защиты от воздействия окружающей среды кристалл ДГ помещают в
стандартный металлокерамический диодный корпус. На частотах выше 30ГГц
керамика заменяется кварцем, а сам корпус выполняется по возможности
миниатюрным.
6 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ДГ
Упрощённая эквивалентная схема активного слоя ДГ приведена на рисунке
11,а, где диодный промежуток представлен параллельным соединениеми
нелинейной емкости C (U), отражающей процесс накопления заряда, и
нелинейной отрицательной проводимости – Gдг(U). Нелинейная ёмкость C (U)
может быть представлена в виде «горячей» реактивности jB ДГ (U). С учётом
параметров корпуса диода полная эквивалентная схема ДГ показана на рисунке
11,в. Здесь параллельное соединение активной и реактивной проводимости
характеризует собственно кристалл GaAs в диапазоне рабочих частот, элементы C
k
, Lk , r k – корпус диода.
а)
б)
а – упрощенная схема активного слоя; б – полная эквивалентная схема
Рисунок 11 – Эквивалентная схема ДГ
13
Параметры
эквивалентной
схемы
зависят
от
частоты,
питающего
напряжения и амплитуды колебаний.
7 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА АДГ
Эквивалентная схема АДГ включает три основных звена: активный прибор,
корпус диода и внешнюю цепь. Эквивалентная схема ДГ показана на рисунке 12
(обведена пунктиром).
Рисунок 12 – Схема включения ДГ в резонатор
Влияние напряжения питания U0 на величину реактивной проводимости
диода ВДГ даёт возможность производить перестройку частоты генерации АДГ
изменением смещения на диоде. Одновременно зависимость Bдг от U0 приводит к
вариации мощности генерации (в пределах допустимых значений U0).
ДГ – весьма широкополосный активный прибор, имеющий отрицательную
проводимость в полосе частот порядка октавы и более, так что в полосу частот
эффективной
работы
ДГ
попадает, как
правило, несколько
резонансов
колебательной системы. В этих условиях внешнюю цепь АДГ представляют
обобщенно в виде множества соединённых параллельно колебательных контуров
(рисунок 13), где сопротивление нагрузки включено в ri каждого контура.
14
Рисунок 13 – Эквивалентная схема внешней цепи с включенным ДГ
В генераторе устанавливается частота f, на которой потери в схеме
минимальны, и для неё эквивалентная схема принимает вид, представленный на
рисунке 14, в которой отрицательная проводимость диода Gдг будет равна
положительной проводимости внешней цепи g д .
Рисунок 14 – Схема включения ДГ в резонатор
8 ПОДКЛЮЧЕНИЕ ДГ К ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯ
Вольт-амперная
характеристика
двухполюсника
с
отрицательной
проводимостью имеет падающий участок, расположенный между двумя
участками с положительным наклоном. Диод Ганна имеет ВАХ N-типа (рисунок
15).
15
Рисунок 15 – Вольт-амперная
Рисунок 16 – Схема подключения ДГ к
характеристика
источнику питания
Для диодов N-типа ток является однозначной функцией напряжения i = f
(u). Поэтому рабочая точка может быть установлена однозначно в пределах
падающего участка ВАХ, если внутреннее сопротивление источника питания R
i
мало, что имеет место для диодов N-типа (источник напряжения).
Для диодов N-типа ток является однозначной функцией напряжения i = f
(u). Поэтому рабочая точка может быть установлена однозначно в пределах
падающего участка ВАХ, если внутреннее сопротивление источника питания R
i
мало, что имеет место для диодов N-типа (источник напряжения).
9 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Значения максимального КПД диода Ганна не превышают 20 %. Повысить
КПД генераторов на диодах Ганна можно за счет использования более сложных
колебательных систем.
Другой путь повышения КПД состоит в применении в диодах Ганна
материалов с большим отношением υмакс / υнас. Так, для фосфида индия оно
достигает 3,5, что увеличивает теоретический электронный КПД диодов до 40%.
16
Самые высокие КПД диодов Ганна получены на f = 1 – 10ГГц. С
увеличением частоты КПД диодов значительно снижается. При работе в
непрерывном режиме максимальные КПД = 10 – 12 % на f < 20ГГц, 5 – 6 % на f <
40ГГц и 2 – 3 % на f = 90ГГц.
Снижение КПД диодов в непрерывном режиме связанно главным образом с
ухудшением условий отвода тепла. Поэтому меры, принимаемые для повышения
мощности за счёт улучшения теплоотвода, обеспечивают одновременно и
некоторые повышенные КПД. Эффективность работы диодов можно повысить,
если принять меры по достижению оптимальной подстройки внешней цепи не
только на первую гармонику, но и на более высокие гармонические
составляющие колебаний, возникающих в диодах.
Следует иметь в виду, что электронный КПД генераторов на диодах Ганна
уменьшается на высоких частотах, когда период колебаний становится
соизмеримым со временем установления отрицательной дифференциальной
проводимости (это проявляется уже на частотах ~ 30ГГц). Инерционность
процессов, определяющих зависимость средней дрейфовой скорости от поля,
приводит к уменьшению противофазной составляющей тока диода. Предельные
частоты диодов Ганна, связанные с этим явлением, оцениваются значениями
100ГГц для приборов из GaAs и 150 – 300ГГц для приборов из InP (фосфид
индия).
Выходная мощность Рвых диодов Ганна ограничена электрическими
процессами. Влияние последних приводит к зависимости максимальной
мощности от частоты в виде Pвых f = A, где постоянная A определяется
допустимым перегревом структуры, тепловыми характеристиками материала,
электронным КПД и ёмкостью диода. Ограничения по электрическому режиму
связаны с тем, что при большой выходной мощности амплитуда колебаний
оказывается соизмеримой с постоянным напряжением U 0 на диоде:
UmU 0 = E 0 l,
(4)
17
где l – длина образца.
На относительно низких частотах (в сантиметровом диапазоне длин волн)
максимальное значение выходной мощности диодов Ганна определяется
тепловыми эффектами. В миллиметровом диапазоне длин волн толщина активной
области диодов, работающих в доменном режиме, становится малой и
преобладают ограничения электрического характера. В непрерывном режиме в
трехсантиметровом диапазоне длин волн от одного диода можно получить
мощность 1 – 2Вт при КПД до 14%; на частотах 60 – 100ГГц – до 100мВт при
КПД
до
нескольких
единиц
процентов. Генераторы
на
диодах
Ганна
характеризуются значительно меньшими частотными шумами, чем генераторы на
лавинно-пролётных диодах.
10 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ЦЕПЯМ
ДИОДНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Общие требования к электромагнитным цепям (колебательным контурам)
диодных генераторов сводятся в основном к обеспечению заданных рабочей
частоты и режима работы, полосы перестройки по частоте, стабильности,
максимального
контурного
КПД
и
теплоотвода.
Иногда
задаются
дополнительные требования по радиационной стойкости, экранировке полей,
уровню паразитной модуляции и т.п.
Заданная рабочая частота и режим работы обеспечиваются
входным сопротивлением колебательного контура
полным
Z = R + jX. Для этого
используют резонатор, образованный отрезком линии передачи определённой
длины, связанной с диодом и нагрузкой с помощью специальных устройств связи,
и трансформатор сопротивлений, включённый в эту линию, который может быть
образован какой-либо неоднородностью (скачком волнового сопротивления,
18
штырём, диафрагмой), введённой в электромагнитное поле линии. Для
предотвращения
шунтирования
СВЧ
цепи
источником
питания
в
нее
дополнительно включается фильтр нижних частот (ФНЧ) в соответствии с
рисунком 16.
Заданные
требования
по
полосе
перестройки
и
стабильности
обеспечиваются выбором определённой структуры и нагруженной добротности
СВЧ цепи. В широкополосных усилителях вместо линии-резонатора обычно
используется многоконтурные системы или полосовые фильтры с максимально
плоской или чебышевской характеристикой.
Таким образом, необходимыми элементами конструкции диодного
генератора являются:
- резонатор, связанный с диодом и нагрузкой;
- устройство связи нагрузки с резонатором;
- СВЧ трансформатор сопротивлений, цепи питания диода с ФНЧ.
Обобщённая структурная схема диодного генератора представлена на
рисунке 17.
Рисунок 17 – Обобщённая структурная схема диодного генератора
Конструктивное выполнение отдельных элементов этой схемы существенно
зависит от типа линии резонатора, однако в любом случае необходимо соблюдать
19
некоторые общие принципы конструирования, определяемые специфическими
свойствами диодов.
Потери
в
электромагнитной
цепи
сильно
увеличиваются
из-за
сопротивления потерь диода rs, которое намного превышает собственные потери
пассивной цепи, и поскольку отрицательное сопротивление диода достаточно
низкоомно (rд  10Ом), реализуемые значения контурного КПД обычно не высоки
к
 0,5 – 0,6.
(5)
В связи с этим важнейшее значение при конструировании имеет способ
крепления диода в резонатор, такой, при котором обеспечивается минимальное
контактное сопротивление и хороший теплоотвод (рисунок 18, а).
Для крепления диода применяется также цанговый зажим (рисунок 18, б),
который закрепляется в гайке-держателе и устанавливается в наиболее массивной
стенке резонатора. Контакт диода с цангой осуществляется по боковой
поверхности корпуса диода при давлении в контакте не менее 107 Па.
а)
б)
а – в массивном теплоотводе; б – в цанге
Рисунок 18 – Способы крепления диода в резонаторе
Хороший
диододержателю,
теплоотвод,
позволяет
обеспечиваемый
уменьшить
20
пайкой
рабочую
диода
температуру
к
медному
диода
и,
следовательно увеличить допустимое значение тока питания и выходной
мощности генератора, либо при токе I 0 I 0 доп увеличить его надёжность.
Обычно диод монтируют таким образом, чтобы уменьшить число
паразитных резонансных контуров и обеспечить необходимую связь диода с
резонатором. Для этого применяют резонаторы уменьшенной высоты или
уменьшают её только в месте включения диода, что обеспечивает устойчивость и
более высокий контурный КПД.
Синтез электромагнитной цепи генератора и разработку его конструкции
проводят на базе известных, экспериментально опробованных конструкций,
рассчитывая их физические размеры в соответствии с заданными параметрами
генератора. При этом, вследствие технологического разброса параметров диодов,
в
конструкции
генератора
необходимо
предусматривать
возможность
регулировки полного входного сопротивления СВЧ цепи в достаточно широких
пределах.
Регулировочные
короткозамкнутых
или
элементы
могут
разомкнутых
быть
шлейфов,
выполнены
в
виде
четвертьволновых
трансформаторов, индуктивных или ёмкостных диафрагм, штырей и т.д.
Одним из методов согласования является применение реактивных
элементов в виде ступенчатых неоднородностей. Например, короткий отрезок
микрополосковой линии представляет собой единичный реактивный элемент,
характер
проводимости
которого
зависит от
отношения
его
волнового
сопротивления к волновому сопротивлению линии. Величина реактивности
является функцией длины волны. Так, короткая линия с высоким волновым
сопротивлением, нагруженная с обеих сторон линиями с малым волновым
сопротивлением, представляет собой последовательную индуктивность и,
наоборот, линия с низким волновым сопротивлением, представляет собой
параллельную ёмкость (рисунок 19). На этом рисунке приведены эквивалентные
схемы этих линий. Таким образом, из коротких отрезков линий с большим и
21
малым волновыми сопротивлениями можно образовать лестничную LC структуру
и использовать её в качестве преобразователя сопротивлений для согласования.
а)
б)
а – индуктивной;
б – ёмкостной
Рисунок 19 – Образование конструктивной реактивности микрополосковой
линии
11 КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
АВТОГЕНЕРАТОРОВ
Широкое применение автогенераторов
современной
радиоэлектронике
на диодах
предопределяет
Ганна
большое
(АДГ)
в
разнообразие
конструкций, которые повторяют в основных чертах конструкции генераторов на
других активных элементах. Резонансная система формируется, как правило, на
основе коаксиальной, волноводной или полосковой линии передачи.
11.1 Коаксиальная конструкция
Коаксиальная
диапазоном
конструкция
механической
и
характеризуется
электрической
22
простотой,
перестройки,
наибольшим
удобна
при
использовании частотной модуляции с помощью варикапа. Крепление диода в
резонаторе показано на рисунке 20.
Диод 1 устанавливается обычно в разрыв центрального проводника
коаксиальной линии 2 вблизи короткозамкнутой стенки, образующей теплоотвод.
Рисунок 20 – Крепление диода
Рисунок 21 – Конструкция резонатора
в резонаторе
с четвертьволновым трансформатором
Для связи с нагрузкой можно использовать связи любого типа:
кондуктивную, индуктивную, ёмкостную, через дифракционное отверстие или
четвертьволновый трансформатор. Настройка по частоте осуществляется с
помощью передвижного короткозамыкающего поршня (широкодиапазонная
настройка), либо перемещением четвертьволнового трансформатора 4, либо с
помощью
подстроечных
элементов
ёмкостного
или
индуктивного
типа
(узкодиапазонная настройка).
В конструкции с четвертьволновым трансформатором, показанным на
рисунке 21, настройка осуществляется путём использования нескольких
трансформаторных шайб различного диаметра, одна из которых обеспечивает
оптимальную нагрузку диода и максимальную выходную мощность. Иногда
используют несколько шайб различного диаметра, что позволяет при тщательном
подборе их диаметра и расположения несколько увеличить КПД и выходную
мощность путём настройки на вторую гармонику резонансной полости между
23
соседними шайбами. Наличие напряжения второй гармоники на диоде приводит к
увеличению его отрицательного сопротивления на основной частоте вследствие
параметрических
соотношении
эффектов,
между
возникающих
основной
частотой
при
и
определённом
второй
гармоникой,
фазовом
что
и
обуславливает увеличение выходной мощности и КПД АДГ.
11.2 Волноводная конструкция
Волноводные конструкции АДГ применяются как на сантиметровых, так и
на миллиметровых волнах, причём в последнем случае они являются
предпочтительными. На миллиметровых волнах, в отличие от сантиметровых,
длина резонатора l обычно ближе к   4,
а не к   2,
что обусловлено
изменением трансформирующих свойств корпуса диода 1. Для перестройки АДГ
можно использовать бесконтактный плунжер 2 (рисунок 22),
Рисунок 22 – Конструкция волноводного АДГ
заканчивающийся шайбой 3 из поглощающего материала. ФНЧ 4 в цепи питания
реализуется в виде набора коаксиальных отрезков длиной   4 с разными
волновыми сопротивлениями или комбинации отрезков коаксиальных и
радиальных линий. Наилучшие результаты достигаются при использовании в
качестве
изоляции
оксидных
плёнок.
24
Для
устранения
дополнительных
паразитных
резонансов
узла
крепления
диода
ФНЧ нередко
снабжают
поглощающей шайбой 5, либо выполняют ФНЧ в виде диска, образующего
блокировочный конденсатор с широкой стенкой волновода. Подбор оптимальной
связи с нагрузкой осуществляется трансформатором сопротивлений типа набора
ёмкостных штырей 6 или индуктивной диафрагмы. Общим требованием здесь
является обеспечение минимального расстояния между согласующим элементом
и осью ДГ, так как в противном случае ''плановая'' колебательная система может
утратить контроль над колебаниями.
11.3 Полосковая конструкция
Полосковые конструкции АДГ наиболее перспективны для применения в
бортовой аппаратуре, так как они легче, меньше, дешевле и надежнее
конструкций на объемных резонаторах. Мощность и КПД полоскового АДГ, как
правило, несколько меньше величин, получаемых от того же диода в объёмных
конструкциях, однако при тщательном подборе параметров полосковой схемы
разница составляет не более 1дБ.
Возможные
топологии
(рисунки)
колебательной
системы
весьма
разнообразны. На рисунке 23 приведена топология варианта микрополоскового
АДГ.
Рисунок 23 – Конструкция микрополоскового АДГ
25
Он состоит из активного диода 1 и металлизированной диэлектрической
подложки 2 с нанесённой на ней проводящей схемой, которая устанавливается в
металлическом корпусе. Корпус выполняется таким образом, чтобы внутренняя
полость его, в которой устанавливается подложка, образовывала проводящий
волновод. Для подавления волн высших типов в волновод вводится обычно
несколько тонких винтов, насквозь пронизывающих подложку. Подложка
накладывается на плоскую посеребренную поверхность корпуса и прикрепляется
к нему болтами или винтами. Соединение СВЧ разъёмов и подводящих линий
осуществляется пайкой между ними золочёной медной полоски. Также
выполняются соединения между отдельными линиями на стыке подложек, между
диодом и линией и т.п.
Диод 1 включён между основанием и полосковым проводником. Для
стабилизации
частоты
используется
высокодобротный
диэлектрический
резонатор 3 в виде диска из диэлектрика с малыми потерями и высоким
значением диэлектрической проницаемости  (например, из титаната бария),
расположенного вблизи полоскового проводника микрополосковой линии
шириной W. Конденсатор 4 служит для разделения цепей питания и СВЧ тракта.
Напряжение питания подается через дроссельную цепь 5, состоящую из двух
четвертьволновых отрезков микрополосковой линии с различными волновыми
сопротивлениями,
причём
линия
с
малым
сопротивлением
разомкнута.
Использование диэлектрических резонаторов с положительным температурным
коэффициентом частоты позволяет создать генераторы с малыми уходами
частоты при изменении температуры ( 40кГц  С).
Микрополосковые конструкции обычно используются на частотах не выше
30ГГц.
26
12 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВАРИКАПОВ ДЛЯ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ
Электрическая
перестройка
частоты
АДГ
варикапом
обеспечивает
максимальную скорость перестройки при минимальных габаритах и массе.
Дополнительным
достоинством
данного
метода
является
незначительная
мощность, потребляемая цепью управления. Поэтому он широко применяется в
современной аппаратуре.
Термином
варикап
принято
называть
полупроводниковый
прибор,
использующий нелинейность вольт - фарадной характеристики запертого p-nперехода для перестройки частоты генераторов.
Перестройка частоты варикапом основана на изменении резонансной
частоты колебательной системы генератора при изменении смещения Uв на
варикапе.
Существует полное и частотное включение варикапа в контур генератора,
что эквивалентно включению дополнительной управляемой ёмкости С в (U) и
сопротивления потерь варикапа R в.
При полном включении варикап помещается непосредственно в контур
генератора (рисунок 24, а) (последовательно или параллельно диоду); при
частичном
включении
он
связан
с
контуром
генератора
с
помощью
трансформатора связи (рисунок 24, б), либо специального элемента связи.
а)
б)
а – полное включение, б – частичное включение
Рисунок 24 – Схема включения варикапа в контур АДГ
27
При полном включении варикапа можно получить максимальную девиацию
частоты, однако потери в контуре при этом сильно увеличиваются из-за
сопротивления потерь варикапа, что приводит к значительному уменьшению
контурного КПД и выходной мощности генератора. Полное включение позволяет
осуществить девиацию частоты 20 – 40% при изменении выходной мощности не
более чем на 3дБ.
При частичном включении девиация частоты и вносимые потери
зависят от степени связи варикапа с резонатором. В этом случае в сантиметровом
диапазоне возможно получение девиации частоты 1 – 5 % при потерях мощности
0,5 – 0,8дБ.
13 ДИОДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ
ВАРИКАПОМ
Первичным трансформирующим звеном для корпусного варикапа служит
сам корпус. Параметры корпуса Lкв, Cкв (рисунок 25) приблизительно такие же,
как ДГ, поскольку размер корпуса определяется на практике рабочей частотой и
возможностями изготовителя.
Рисунок 25 – Эквивалентная схема варикапа
Добротность варикапа Q = f
пред
 f, где предельная частота f
определяется при номинальном смещении U
28
вном
пред
(обычно это минус 4 или минус
6В) из условия rв = (2fпред Cвном )-1. У лучших современных варикапов fпред =1 –
1,5ГГц. Однако для многих серийных диодов fпред  200МГц.
Частота последовательного резонанса варикапа в корпусе fв пос =(2LквCкв )-1.
При Lкв = 0,6нГн на f
средней
ёмкости
электрической
в пос
= 10ГГц ёмкость Cв = 0,42пФ. Это значение близко к
типичного
перестройки
варикапа.
должен
Поэтому
достигаться
наибольший
при
диапазон
последовательном
включении такого управителя частоты.
Компановка генератора с варикапом, помещённом в одной и той же
поперечной плоскости с ДГ, показана на рисунке 26.
Рисунок 26 – Включение ДГ и варикапа в волноводный резонатор
Штыри крепления диодов образуют двухпроводную линию, ограниченную
широкими
стенками
волновода.
Эквивалентное
характеристическое
сопротивление такого резонатора низкое, а связь с диодами сильная, поскольку
они включены в пучности продольного тока. Роль короткозамкнутого отрезка
волновода сводится в основном к регулировке связи с нагрузкой. Благодаря
влиянию параметров корпусов, частота первого обертона резонатора на отрезке
двухпроводной линии попадает в заданный рабочий диапазон и эффективно
управляется изменением C в.
Связь с варикапом можно регулировать, перемещая его вдоль штыря.
Ослабление связи приводит к увеличению Pн при одновременном сужении полосы
29
перестройки. С аналогичной целью используется квазикоаксиальный резонанс
штыря крепления ДГ и варикапа.
Скорость перестройки частоты АДГ варикапом достигает 1 – 2ГГц / мкс,
что удовлетворяет требованиям, предъявляемым современными радиосистемами.
Однако, параллельно с расширением полосы перестройки уменьшается выходная
мощность генератора, увеличивается уровень частотных шумов, становится все
более трудной задачей линеаризации кривой f (U в).
14 ДОСТОИНСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ
Современные диоды Ганна работают в полосе частот более октавы, имеют
малые шумы, требуют низковольтных источников питания. Гарантируемый срок
службы превышает 100 лет. Автогенераторы на диодах Ганна широко
используются в качестве передатчиков в радиолокаторах ближнего действия,
радиомаяках, приёмоответчиках, линиях радиосвязи
и передачи данных,
датчиках скорости, системах охранной сигнализации. Они находят также
применение
как
генераторы
накачки,
генераторы
качающейся
частоты,
гетеродины. Усилители на диодах Ганна отличаются высокой линейностью
амплитудной и фазочастотной характеристик обеспечивают на миллиметровых
волнах мгновенную полосу пропускания порядка 40% при коэффициенте шума
менее 10дБ.
Открытие эффекта Ганна оказало благотворное влияние на физику
полупроводников,
вызвав
буквально
лавину
работ,
посвящённых
неустойчивостям в твёрдом теле и кинетическим явлениям в сильных полях.
Совершенствование технологии выращивания эпитаксиальных плёнок арсенида
галлия позволило автогенераторам и усилителям на диодах Ганна по праву занять
место одного из основных твердотельных источников колебаний в диапазонах
сантиметровых и особенно миллиметровых волн.
30
В настоящее время известно около 400 типов промышленных диодов Ганна,
которые нашли применение в твердотельных приборах СВЧ различного
назначения.
15 КОНСТРУКЦИЯ ИЗУЧАЕМОГО ДИОДА И АДГ
Изучаемый диод Ганна является серийным диодом 3А703, имеет
конструкцию, рассчитанную на включение в волноводный и коаксиальный тракт.
Первая цифра маркировки означает материал, из которого изготовлен диод: 3 –
арсенид галлия. Буква А означает СВЧ. Первая цифра после буквы обозначает
классификационный номер: 7 – генераторный диод. Последующие две цифры
указывают номер разработки.
Конструктивно
диод
состоит
из
герметически
запаянного
металлокерамического патрона с расположенным внутри него кристаллом
арсенида галлия. Устройство его показано на рисунке 27, где
1 и 2 –
соответственно катодный и анодный выводы диода, 3 – керамическая трубка, 4 –
кристалл GaAs, 5 – токоподводящая золотая лента.
Рисунок 27 – Конструкция
Рисунок 28 – Конструкция
изучаемого ДГ
изучаемого АДГ
Анодный стержень 2 выполняет роль теплоотвода. Кристалл GaAs, являющийся
31
активным
элементом
диода,
изготовлен
методом
эпитаксии
в
виде
полупроводниковой структуры типа n+ - n-. При этом анодный омический контакт
осуществляется с высоколегированным слоем n+ с помощью металлического
контакта – припоя, в свою очередь припаянному к массивному теплоотводу.
Катодный контакт выполняется с помощью тонкой золотой ленты, припаянной
непосредственно
к
рабочему
низколегированному
слою
припоем,
обеспечивающим омический контакт.
Изучаемый АДГ, работающий в СВЧ диапазоне, собран в волноводном
резонаторе пониженной высоты (23  5 мм) (рисунок 28). Диод Ганна 1
установлен в середине широкой стенки прямоугольного волновода 2 с помощью
токопроводящего
штыря
–
держателя
3,
являющегося
одновременно
и
теплоотводом. Диод расположен в нижней части штыря, смежной с широкой
стенкой волновода. Напряжение питания подводится к диоду через коаксиальный
ФНЧ 4. Настройка резонатора по частоте производится с помощью штыря 5,
вводимого в полость короткозамкнутого волновода.
Варикап 6 расположен в плоскости, смещённой относительно ДГ и
установлен также с помощью штыря-держателя 7. Напряжение смещения на
варикап подаётся через вывод 8.
Диапазон и линейность перестройки по частоте увеличиваются за счет
уменьшения высоты волновода, так как уменьшение характеристического
сопротивления
волновода
сопровождается
пропорциональным
усилением
воздействия варикапа на частоту.
16 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Для экспериментального изучения физического принципа действия диода
Ганна, его характеристик и АДГ используется установка, структурная схема
которой приведена на рисунке 29.
32
Рисунок 29 – Структурная схема лабораторной установки
На этом рисунке обозначены:
A1 – изучаемый АДГ (ГГ – ЭП № 23);
G1 – источник постоянного тока;
Р3 – анализатор спектра С4 – 60;
Р2 – частометр электронносчётный ЧЗ – 69;
Р1 – ваттметр МЗ – 41;
W1 – вентиль ферритовый Э8 – 23;
W2 – волноводный аттенюатор 10дБ;
W3 – приёмный преобразователь ПП – 04 из комплекта М3 – 41;
W4 – направленный ответвитель (НО);
W5 – аттенюатор коаксиальный 3дБ;
W6 – аттенюатор коаксиальный 30дБ;
XW1 – переключатель волноводный;
33
XW2, XW3, XW4 – волновод изогнутый;
XW5 – коаксиально - волноводный переход Э2 – 43;
XW6 – коаксиально - волноводный переход Э2 – 108;
XW7 – переход коаксиальный Э2 – 115/3;
А – жгут питания;
Б – кабель коаксиальный из комплекта М3 – 41;
В – кабель коаксиальный из комплекта Ч3 – 69;
Г – кабель коаксиальный из комплекта С4 – 60.
Установка предназначена для измерения вольт-амперной и регулировочной
характеристик ДГ. Источник постоянного тока
G1 обеспечивает подачу
постоянных напряжений на ДГ и варикап.
Волноводный резонатор А1 с вмонтированным в него диодом Ганна
3А703АБ и варикапом 1А403ГД подключён через ферритовый вентиль W1,
обеспечивающий необходимую развязку, к переключателю XW1, который
попеременно подключает АДГ либо к ваттметру Р1, либо к НО W2. НО передает
одну часть мощности по основной линии на анализатор спектра Р3, а другую
часть – по вспомогательной линии
на частотометр Р2. Аттенюатор А1-02
ослабляет мощность сигнала, поступающего на ваттметр, в 10 раз.
17 УКАЗАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ
ВНИМАНИЕ!
При подготовке рабочего места и выполнении работы необходимо
руководствоваться правилами, изложенными в
«Инструкции по технике
безопасности для студентов при работе в учебной лаборатории».
Изучить раздел «Указания мер безопасности» в «Техническом описании и
инструкции по эксплуатации» (ТО и ИЭ) к каждому прибору, входящему в
установку и руководствоваться им при работе.
34
18 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ
Ознакомиться с приборами по ТО и ИЭ. Включить приборы в сеть и
подготовить их к работе.
19 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ
Измерьте вольт-амперную характеристику ДГ, для чего:
а) поставьте переключатель ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ µW ваттметра Р1
в положение 1000;
б) поставьте волноводный переключатель XW1 в положение 1;
в) установите ручки ДГ и В источника постоянного тока в крайнее левое
положении;
г) поставьте тумблер источника постоянного тока СЕТЬ – ВЫКЛ в
положение СЕТЬ и тумблер ДГ – ВЫКЛ – в положение ДГ;
д) вращая ручку ДГ, считывайте показания с выносного вольтметра и
миллиамперметра источника постоянного тока (вся шкала 400мА);
е) по окончании измерений ручку ДГ повернуть влево до упора.
Измерьте выходную мощность АДГ, для чего:
а) проверьте, чтобы волноводный переключатель стоял в положении 1;
б) изменяя напряжение ручкой ДГ от 0 до 9В через 0,5В, измерьте
выходную мощность АДГ с помощью ваттметра Р1;
в) установите напряжение на ДГ, при котором выходная мощность
максимальна;
г) измерьте зависимость выходной мощности АДГ от управляющего
напряжения на варикапе.
Наблюдайте визуально сигнал АДГ и его перестройку по частоте:
35
а) присоедините кабель к коаксиальному аттенюатору 30дБ, включённому
на вход
анализатора спектра Р3;
б) поставьте переключатель ДИАПАЗОНЫ GHz анализатора спектра в
положение 7,45 – 12;
в) поставьте волноводный переключатель в положение 2;
г) установите ручкой ДГ напряжение 6 – 9В;
д) вращая ручку ПРЕСЕЛЕКТОР, наблюдайте отклик сигнала АДГ в левой
части экрана ЭЛТ;
е) вращая ручку В, наблюдайте перестройку частоты отклика сигнала АДГ
на экране ЭЛТ в зависимости от напряжения на варикапе;
ж) вращая ручки ЧАСТОТА GHz ГРУБО, ПЛАВНО, измерьте границы
диапазона перестройки частоты с помощью частотного маркера;
з) по окончании измерений ручки В и ДГ поставить в крайнее левое
положение.
Измерьте перестройку частоты АДГ, для чего:
а) поверните ручку ДГ вправо до упора;
б) измерьте с помощью частотометра Р2 зависимость частоты АДГ от
управляющего напряжения на варикапе, изменяя его ручкой В;
в) по окончании измерений поставьте ручки ДГ и В в крайнее левое
положение.
ВНИМАНИЕ!
Поставьте ручку * анализатора спектра в крайнее левое положение.
Выключите все приборы, входящие в установку.
20 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ
При оформлении результатов необходимо выполнить следующее:
а) оформите в виде таблиц результаты измерений по п. 19;
36
б) постройте графики: I ( мА ) =F ( U ДГ ) ( B ); P ( мВт ) =F ( U ДГ ) ( В ),
P ( мВт ) = F ( U В ) ( B ), f ( МГц ) = F ( U В ) ( B );
в)
постройте
график
зависимости
крутизны
перестройки
от
управляющего напряжения на варикапе ∆f / ∆UB (МГц / В) = F(UB )(B);
г) рассчитайте относительную перестройку частоты генерации по
формуле
δf = (∆f / fср )∙100% .
21 УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ
Отчет должен содержать:
- все пункты задания;
- результаты работы, представленные в виде таблиц и графиков;
выводы по работе и оценку полученных результатов (письменно).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется диодом Ганна?
2. Дайте качественное объяснение эффекта Ганна на основе двухдолинной
модели полупроводника.
3. Как распределены в образце концентрация электронов и напряжённость
электрического поля при наличии домена?
4. Ток во внешней цепи прибора.
5. Конструкция и эквивалентная схема ДГ.
6. Электрические параметры ДГ.
7. Эквивалентная схема диодного генератора.
8. Основные режимы работы ДГ.
9. Схема подключения ДГ к источнику питания.
10. Диодный генератор в режиме автогенерации.
37
11. Основные требования к электромагнитным цепям диодных генераторов.
12. Обобщенная структурная схема диодного генератора.
13. Конструкция коаксиального волноводного и полоскового АДГ.
14. Схемы перестройки частоты АДГ с помощью варикапа.
15. Конструкция изучаемого ДГ и АДГ.
16. Принцип работы измерительных приборов.
17. Объясните графики и результаты расчёта.
18. Методика измерений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андрушко Л. М., Федоров Н. Д. Электронные и квантовые приборы
СВЧ.- М.: Радио и связь, 1981. – 287 с.
2. Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы.- М.:
Атомиздат, 1979. – 431 с.
3. Милованов О.С., Собенин Н.П., Техника сверхвысоких частот:
Учебное пособие для вузов. – М.: Атомиздат, 1980. – 287 с.
4. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы:
Учебник для вузов: - 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высшая школа,
1981. – 431 с.
5. Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. – М.: Радио и связь,
1982. – 112 с.
6. Давыдова Н.С., Данюшевский Ю.З. Диодные генераторы и усилители
СВЧ.– М.: Радио и связь, 1986. – 184 с.
7. Электронные приборы сверхвысоких частот: Учебное пособие для
радиофизических и радиотехнических факультетов и специальностей
вузов. Изд. 2 – е перераб. и доп./Под ред. В. Н. Шевчика и М. А.
Григорьева.: Изд-во Сарат. ун-та, 1980. – 416 с.
38
8. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ./Под ред. М. Хауэса и
Д. Моргана. – М.: Мир, 1979. – 444 с.
9. Электронные приборы СВЧ: Учебное пособие для вузов по спец.
“Электронные приборы”/ Березин В. М. , Буряк В. С. , Гутцайт Э. М. ,
Марин В. П. – М.: Высш. шк. , 1985. – 296 с.
10. Лабораторные работы по курсу «Приборы СВЧ и оптического
диапазона» для студентов 4 курса (специальности 0703, 0708).
Составитель А.П. Линде. – М.: Типография ВЗЭИС, 1985. – 43 с.
39