Расчет и проектирование диода Ганна

Выходная мощность диодов Ганна ограничена электрическими и тепловыми процессами. Влияние последних приводит к зависимости максимальной мощности от частоты в виде P_выхf =A ,где постоянная А определяется допустимым перегревом структуры, тепловыми характеристиками материала, электронным к.п.д. и емкостью диода. Ограничения по электрическому режиму связаны с тем, что при большой выходной мощности амплитуда колебаний U_m оказывается соизмеримой с постоянным напряжением U₀ на диоде: U_m? U₀= E₀l.

В доменных режимах имеем P_выхf² = 0,5 E²_0доп v²_нас / R_э. Максимальная напряженность электрического поля в домене E_дом значительно превышает среднее значение поля в диоде E₀ ,в то же время она должна быть меньше пробивной напряженности, при которой возникает лавинный пробой материала ( для GaAs Е_проб ? 200 кВ/см).Обычно допустимым значением электрического поля E_0доп считают 15 кВ/см.

Как и для ЛПД, на относительно низких частотах ( в сантиметровом диапазоне длин волн) максимальное значение выходной мощности диодов Ганна определяется тепловыми эффектами. В миллиметровом диапазоне толщина активной области диодов, работающих в доменных режимах, становится малой и преобладают ограничения электрического характера. В непрерывном режиме в трехсантиметровом диапазоне от одного диода можно получить мощность 1-2 Вт при к.п.д. до 14% ; на частотах 60-100 ГГц- до 100 вВт при к.п.д. в единицы процентов. Генераторы на диодах Ганна характеризуются значительно меньшими частотными шумами, чем генераторы на ЛПД.

Режим ОНОЗ отличается значительно более равномерным распределением электрического поля. Кроме того, длина диода, работающего в этом режиме, может быть значительной. Поэтому амплитуда СВЧ- напряжения на диоде в режиме ОНОЗ может на 1-2 порядка превышать напряжение в доменных режимах. Таким образом, выходная мощность диодов Ганна в режиме ОНОЗ может быть повышена на несколько порядков по сравнению с доменными режимами. Для режима ОНОЗ на первый план выступают тепловые ограничения. Диоды Ганна в режиме ОНОЗ работают чаще всего в импульсном режиме с большой скважностью и генерируют в сантиметровом диапазоне длин волн мощность до единиц киловатт.

Частота генераторов на диоде Ганна определяется в основном резонансной частотой колебательной системы с учетом емкостной проводимости диода и может перестраиваться в широких пределах механическими и электрическими методами.

В волноводном генераторе диод Ганна установлен между широкими стенками прямоугольного волновода в конце металлического стержня. Напряжение смещения подается через дроссельный ввод, который выполнен в виде отрезков четвертьволновых коаксиальных линий и служит для предотвращения проникновения СВЧ- колебаний в цепь источника питания. Низкодобротный резонатор образован элементами крепления диода в волноводе. Частота генератора перестраивается с помощью варакторного диода, расположенного на полуволновом расстоянии л_в/2 и установленного в волноводе аналогично диоду Ганна. Часто диоды включают в волновод с уменьшенной высотой b₁ ,который соединен с выходным волноводом стандартного сечения четвертьволновым трансформатором.

В микрополосковой конструкции диод включен между основанием и полосковым проводником. Для стабилизации частоты используется высокодобротный диэлектрический резонатор в виде диска из диэлектрика с малыми потерями и высоким значением ?, расположенного вблизи полоскового проводника МПЛ шириной w. Конденсатор служит для разделения цепей питания и СВЧ- тракта. Напряжение питания подается через дроссельную цепь, состоящую из двух четвертьволновых отрезков МПЛ с различными волновыми сопротивлениями, причем линия с малым сопротивлением разомкнута.Использование диэлектрических резонаторов с положительным температурным коэффициентом частоты позволяет создавать генераторы с малыми уходами частоты при изменении температуры ( ?40 кГц/⁰C ).

Перестраиваемые по частоте генераторы на диодах Ганна могут быть сконструированы с применением монокристаллов железоиттриевого граната. Частота генератора в этом случае изменяется за счет перестройки резонансной частоты высокодобротного резонатора, имеющего вид ЖИГ- сферы малого диаметра, при изменении магнитного поля Н₀ .Максимальная перестройка достигается при бескорпусных диодах, имеющих минимальные реактивные параметры. Высокочастотный контур диода состоит из короткого витка, охватывающие ЖИГ- сферу. Связь контура диода с контуром нагрузки осуществляется за счет взаимной индуктивности, обеспечиваемой ЖИГ-сферой и ортогонально расположенными витками связи. Диапазон электрической перестройки таких генераторов, широко используемых в автоматических измерительных устройствах, достигает октавы при выходной мощности 10-20 мВт.

Следует отметить, что расчет генераторов на диодах Ганна затруднен приблизительным характером данных как о параметрах эквивалентной схемы диода, так и о параметрах эквивалентной схемы колебательной системы, а также узла крепления диода ( особенно на высоких частотах).Обобщенную эквивалентную схему диода Ганна обычно задают в виде рис.3. Активную область диода представляют в виде параллельного соединения отрицательной проводимости ( -G_д ) и емкости С, значение которой в различных режимах работы могут существенно отличаться от «холодной» емкости диодной структуры C₀ = ??₀S/l. Величины G_д и С зависят как от постоянного напряжения U₀ ,так и от амплитуды СВЧ- напряжения U_m ,а также частоты. Поэтому весьма актуальной является проблема непосредственных измерений параметров эквивалентной схемы диодов в реальных режимах работы. Конструкции корпусов диодов Ганна и значения их паразитных параметров не отличаются от конструкции и параметров других диодов.

Срок службы генераторов Ганна относительно мал ,что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев кристалла из-за выделяющейся в нем мощности.

Диоды Ганна имеют различные области применения, что объясняется различием в уровнях выходной мощности и шумов на выходе ( у диодов Ганна уровень шумов на 20…30 дБ ниже, чем у ЛПД ),а также различием требований к источникам электрического питания. Диоды Ганна применяются в маломощных источниках СВЧ сигналов некоторых типах линий связи, измерительной технике, гетеродинах, генераторах накачки. Электрическое питание для них - низковольтные сравнительно простые генераторы напряжения.

Схема стабилизированного питания диодов Ганна в непрерывном режиме показана на рис.1.7

Рисунок 1.7- Схема стабилизации напряжения для питания диодов Ганна

Цепочка RC служит для предотвращения возникновения паразитных колебаний в цепи питания, что могло бы привести к выгоранию диода. Цепь питания должна также содержать устройство для стабилизации тока диода и осуществлять защиту от включения диода Ганна на напряжение противоположной полярности, что также привело бы к повреждению диода.

Генераторные диоды эксплуатируются в резонансных камерах, выполненных либо в виде полых резонаторов, либо в виде микросхем на диэлектрических подложках с резонирующими емкостными и индуктивными элементами, либо в виде комбинации резонаторов с микросхемами. Для уменьшения температурного изменения частоты резонаторы изготовляют из металла с низким коэффициентом линейного расширения. Микрополосковые резонаторы имеют относительно низкую добротность, что ведет к меньшей стабильности частоты и мощности и увеличивает шумы.

В микрополосковой камере для диодов Ганна этот недостаток устранен в результате использования высокодобротного диэлектрического резонатора.

Для прецизионной стабилизации частоты используют маломощные опорные высокостабильные генераторы СВЧ. Для подстройки и перестройки частоты генераторов может применяться механическая перестройка резонаторов. Частота диодов Ганна в определенных пределах может подстраиваться регулированием тока.

Эффективно применение на диодах Ганна высокодобротных настроечных диодов. Для увеличения отдаваемой мощности применяются камеры, в которых одновременно работает несколько однотипных генераторных диодов. При конструировании генераторных камер должны учитываться вопросы согласования выходного полного сопротивления генераторного диода со входным сопротивлением нагрузки

II. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ДИОДА ГАННА

Расчет параметров диода выполняем при условии, что он является арсенид галлиевым.

-собственная концентрация n_i=1,7•10¹⁶ см^-3

-температура Т₀ =300 К

-постоянная Больцмана k= 1,38•10^-23 Дж/К

-диффузионная длина L_n= 1,8•10^-19 м

-концентрация акцепторной примеси N_a= 2•10¹⁶ см^-3

-концентрация донорной примеси N_д= 10¹⁶ см-3

-диэлектрическая постоянная е₀= 8,85•10^-12 Ф/м

-диэлектрическая проницаемость е= 12 Ф/м

-площадь барьера S= 10^-5м²

-длина волны л= 50 мкм

-максимально допустимая температура T_{n max}= 500 K

-ток обратный I_обр= 0,2 мА

- заряд электрона q= 1,6·10^-19 Кл

Контактная разница потенциалов ц_к, В:

(2.1)

где к- постоянная Больцмана; Т-температура;

L_n -диффузионная длина;

N_a -концентрация акцепторной примеси;

N_д -концентрация донорной примеси;

n_i -собственная концентрация.

Ширина p-n перехода l₀, м:

где е-диэлектрическая постоянная;

е₀ -диэлектрическая проницаемость.

Ширина p-n перехода при напряжении 1,2 В l, м:

где U -данное напряжение.

Барьерная емкость С_б , Ф:

где S- площадь барьера.

Граничная частота , Гц:

где р=3,14.

Тепловое сопротивление R_т , Ом :

где л- длина волны.

Расчет теплового сопротивления R_т по формуле произведем в программе Turbo Pascal (Program 1) :

Program 1;

Var l: integer;

l1,S,: real;

Begin

Readln (l,l1,S);

R:=l/(l1*S);

Writeln (`R:=',R);

Readln;

End.

Максимальное напряжение U_{max ,}В:

где T_nmax -максимально допустимая температура;

I_обр -ток обратный.

Программа по которой производилися расчет максимального напряжения U_max по формуле представлена ниже (Program 2):

Program 2;

Var T1,T2,R: integer;

U,I: real;

Begin

Readln (I,T1,T2,R);

U:=(T1-T2)/(R*I);

Writeln ( `U:=',U);

Readln;

End.

ВЫВОД

Диоды Ганна, как твердотельные генераторы токов в диапазоне СВЧ находят очень широкое применение в разнообразнейших устройствах благодаря своим несомненным преимуществам: легкости, компактности, надежности, эффективности и др.

Со времен своего появления диоды Ганна неоднократно совершенствовались. Шло повышение рабочих частот, приводящее к соответственному уменьшению размеров кристалла; принимались различные меры по увеличению КПД диодов и их выходной мощности. Все это время рассчет диодов Ганна представлял собой очень длительный и трудоемкий процесс, даже с использованием компьютеров первых поколений. Однако, в наше время, в век стремительного роста материально-научной базы компьютерной техники становится возможным построить программное обеспечение, позволяющее произвести рассчет диода Ганна легко и просто.

В расчетной части курсового проекта с использование исходных данных рассчитали такие параметры диода Ганна на арсениде галлия: контактную разницу потенциалов, ширину p-n перехода, ширину p-n перехода при напряжении 1,2 В, барьерную емкость, граничную частоту, тепловое сопротивление ,а также максимальное напряжение.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.В.Пасынков, Л.К. Чиркин, А.Д.Шинков. « Полупроводниковые приборы », Москва: «Высшая школа», 1981г, 430 стр.

2. Ю.А.Овечкин «Полупроводниковые приборы», Москва: «Высшая школа, 1986г, 303 стр.

3. Справочник «Диоды »,Москва: «Радио и связь», 1990г, 335стр.

4. М.С.Гусятинер, А.И.Горбачев « Полупроводниковые сверхвысокочастотные диоды», Москва: «Радио и связь», 1983г, 223 стр

5. Справочник под ред.Н.Н.Горюнова «Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы», Москва: «Энергоатомиздат», 1987г, 742 стр.

6. З.А.Никонова, О.Ю.Небеснюк, «Твердотельная электроника» конспект лекцій, 2002г , 99 стр.

7. В.М.Березин, В.С.Буряк «Электронные приборы СВЧ»,Москва: «Высшая школа»1985г, 293 стр.

8. Ф.И.Вайсбурд «Полупроводниковые приборы» Москва: издательство «Связь», 1966г, 131 стр.

9. Ю.Е.Веревкин «Основы электронной и полупроводниковой техники»,Ленинград: издательство «Судостроение», 1969г, 603стр.

10. Справочник радиолюбителя: полупроводниковые приємно-усилительные устройства под ред Р.М.Терещук,С.А.Седов.- М.: «Наукова думка», 1984г, 675 стр.

11. Н.А.Шибаев Н.А. « Электровакуумные и полупроводниковые приборы» М.: «Воениздат», 1967г, 423стр.

12. В.Ю.Лавриненко « Справочник по полупроводниковым приборам»,Киев.: «Техника», 1964г,325стр.

13. А.В.Дыкин. «Электронные и полупроводниковые приборы» М.: «Энегрия»,1965г,257 стр..

14. А.Згут, О.Я.Язгур «Полупроводниковые диоды и триоды»,М.: «Москва»,1960г, 345стр.

15. В.Ф.Власов «Электронные и ионные приборы»,М.: «Связьиздат», 1960, 367стр.