Реферат: Физические основы микроэлектроники

Режим ОНОЗ.

   Несколько позднее доменных режимов был предложен и осуществлен для диодов Ганна режим ограничения накопления объемного заряда. Он существует при постоянных напряжениях на диоде, в несколько раз превышающих пороговое значение, и больших амплитудах напряжения на частотах, в несколько раз больших пролетной частоты. Для реализации режима ОНОЗ требуются диоды с очень однородным профилем легирования. Однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде. Если промежуток времени, в течение которого напряженность электрического поля проходит область ОДП характеристики , много меньше времени формирования домена , то не происходит заметного перераспределения поля и объемного заряда по длине диода. Скорость электронов во всем образце «следует» за изменением электрического поля, а ток через диод определяется зависимостью скорости от поля (рис.7).

   Таким образом, в режиме ОНОЗ для преобразования энергии источника питания в энергию СВЧ-колебаний используется отрицательная проводимость диода. В этом режиме в течение части периода колебаний длительностью  напряжение на диоде остается меньше порогового и образец находится в состоянии, характеризуемом положительной подвижностью электронов, т. е. происходит рассасывание объемного заряда, который успел образоваться за время, когда электрическое поле в диоде было выше порогового.

   Условие слабого нарастания заряда за время  приближенно запишем в виде , где ; –среднее значение отрицательной дифференциальной подвижности электронов в области . Рассасывание объемного заряда за время , будет эффективным, если  и , где ;  и –постоянная времени диэлектрической релаксации и подвижность электронов в слабом поле.

Считая , , имеем . Это неравенство определяет интервал значений , в пределах которого реализуется режим ОНОЗ.

   Электронный к. п. д. генератора на диоде Ганна в режиме ОНОЗ можно рассчитать по форме тока (рис.7). При  максимальный к. п. д. составляет 17%.

Рис.7. Временная зависимость тока на диоде Ганна в режиме ОНОЗ.

   В доменных режимах частота генерируемых колебаний примерно равна пролетной частоте. Поэтому длина диодов Ганна, работающих в доменных режимах, связана с рабочим диапазоном частот выражением

                                                               ,                                                  (8)

где  выражена в ГГц, а –в мкм. В режиме ОНОЗ длина диода не зависит от рабочей частоты и может во много раз превышать длину диодов, работающих на тех же частотах в доменных режимах. Это позволяет значительно увеличивать мощность генераторов в режиме ОНОЗ по сравнению с генераторами, работающими в доменных режимах.

Рассмотренные процессы в диоде Ганна в доменных режимах являются, по существу, идеализированными, так как реализуются на сравнительно низких частотах (1–3 ГГц), где период колебаний значительно меньше времени формирования домена, а длина диода много больше длины домена при обычных уровнях легирования . Чаще всего диоды Ганна в непрерывном режиме используют на более высоких частотах в так называемых гибридных режимах. Гибридные режимы работы диодов Ганна являются промежуточными между режимами ОНОЗ и доменным. Для гибридных режимов характерно, что образование домена занимает большую часть периода колебаний. Не полностью сформировавшийся домен рассасывается, когда мгновенное напряжение на диоде снижается до значений, меньших порогового. Напряженность электрического поля вне области нарастающего объемного заряда остается в основном больше порогового. Процессы, происходящие в диоде в гибридном режиме, анализируют с применением ЭВМ при использовании уравнений (1), (3) и (4). Гибридные режимы занимают широкую область значений  и не столь чувствительны к параметрам схемы, как режим ОНОЗ.

Режим ОНОЗ и гибридные режимы работы диода Ганна относят к режимам с «жестким» самовозбуждением, для которых характерна зависимость отрицательной электронной проводимости от амплитуды высокочастотного напряжения. Ввод генератора в гибридный режим (как и в режим ОНОЗ) представляет сложную задачу и обычно осуществляется последовательным переходом диода из пролетного режима в гибридные.

Рис.8. Электронный к. п. д. генераторов на диоде Ганна из GaAs для различных режимов работы:

1–с задержкой формирования домена

2–с гашением домена

Рис.9. Временная зависимость напряжения (а) и тока (б) диода Ганна в режиме повышенного к. п. д.

3–гибридный

4–ОНОЗ

Конструкции и параметры генераторов на диодах Ганна.

   На рис.8 приведены значения максимального электронного к.п.д. диода Ганна из GaAs в различных режимах работы. Видно, что значения  не превышают 20%. Повысить к.п.д. генераторов на диодах Ганна можно за счет использования более сложных колебательных систем, позволяющих обеспечить временные зависимости тока и напряжения на диоде, показанные на рис.9. Разложение функций  и  в ряд Фурье при  и  дает значения электронного к. п. д. для диодов Ганна из GaAs 25 %. Достаточно хорошее приближение к оптимальной кривой  получается при использовании второй гармоники напряжения. Другой путь повышения к.п.д. состоит в применении в диодах Ганна материалов с большим отношением . Так, для фосфида индия оно достигает 3,5, что увеличивает теоретический электронный к. п. д. диодов до 40 %.

   Следует иметь в виду, что электронный к.п.д. генераторов на диодах Ганна уменьшается на высоких частотах, когда период колебаний становится соизмеримым с временем установления ОДП (это проявляется уже на частотах ~30 ГГц). Инерционность процессов, определяющих зависимость средней дрейфовой скорости электронов от поля, приводит к уменьшению противофазной составляющей тока диода. Предельные частоты диодов Ганна, связанные с этим явлением, оцениваются значениями ~100 ГГц для приборов из GaAs и 150–300 ГГц для приборов из InP.

   Выходная мощность диодов Ганна ограничена электрическими и тепловыми процессами. Влияние последних приводит к зависимости максимальной мощности от частоты в виде , где  постоянная  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  оказывается соизмеримой с постоянным напряжением  на диоде: .

   В доменных режимах  поэтому в соответствии с  имеем:

,

где –эквивалентное сопротивление нагрузки, пересчитанное к зажимам диода и равное модулю активного отрицательного сопротивления ЛПД.

Максимальная напряженность электрического поля в домене  значительно превышает среднее значение поля в диоде , в то же время она должна быть меньше пробивной напряженности, при которой возникает лавинный пробой материала (для GaAs ). Обычно допустимым значением электрического поля  считают .

   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 диодах 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 (рис.10, а) диод Ганна 1 установлен между широкими стенками прямоугольного волновода в конце металлического стержня. Напряжение смещения подается через дроссельный ввод 2, 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 3, расположенного на полуволновом расстоянии  и установленного в волноводе аналогично диоду Ганна. Часто диоды включают в волновод с уменьшенной высотой , который соединен с выходным волноводом стандартного сечения четвертьволновым трансформатором.

Рис.10. Устройство генераторов на диодах Ганна:

а–волноводного; б–микрополоскового; в–с перестройкой частоты ЖИГ-сферой

   В микрополосковой конструкции (рис.10, б) диод 1 включен между основанием и полосковым проводником. Для стабилизации частоты используется высокодобротный диэлектрический резонатор 4 в виде диска из диэлектрика с малыми потерями и высоким значением  (например, из титаната бария), расположенного вблизи полоскового проводника МПЛ шириной . Конденсатор 5 служит для разделения цепей питания и СВЧ-тракта. Напряжение питания подается через дроссельную цепь 2, 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/°С).

   Перестраиваемые по частоте генераторы на диодах Ганна могут быть сконструированы с применением монокристаллов железоиттриевого граната (рис.10, в). Частота генератора в этом случае изменяется за счет перестройки резонансной частоты высокодобротного резонатора, имеющего вид ЖИГ–сферы малого диаметра, при изменении магнитного поля . Максимальная перестройка достигается в бескорпусных диодах, имеющих минимальные реактивные параметры. Высокочастотный контур диода состоит из короткого витка, охватывающего ЖИГ–сферу 6. 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, показанном на рис.11. Активную область диода представляют в виде параллельного соединения отрицательной проводимости () и емкости , значения которой в различных режимах работы могут существенно отличаться от «холодной» емкости диодной структуры . Величины и  зависят как от постоянного напряжения , так и от амплитуды СВЧ-напряжения , 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 конструкций и параметров других диодов.

Рис.11. Обобщенная эквивалентная схема диода Ганна.

Усилители на диодах Ганна.

   Большой интерес представляют разработки усилителей на диодах Ганна, особенно для миллиметрового диапазона длин волн, где применение СВЧ-транзисторов ограничено. Важной задачей при создании усилителей на диодах Ганна является обеспечение устойчивости их работы (стабилизация диода) и прежде всего подавление малосигнальных колебаний доменного типа. Это может быть достигнуто ограничением параметра  диода, нагрузкой диода внешней цепью, выбором профиля легирования диода, уменьшением поперечного сечения или нанесением диэлектрической пленки на образец. В качестве усилителей применяют как диоды планарной и мезаструктуры, обладающие отрицательной проводимостью при напряжениях выше порогового в широкой области частот вблизи пролетной частоты и использующиеся в качестве регенеративных усилителей отражательного типа с циркулятором на входе, так и более сложные пленочные структуры, в которых используется явление нарастания волн объемного заряда в материале с ОДП, называемые часто тонкопленочными усилителями бегущей волны (УБВ).

   В субкритически легированных диодах при  невозможно образование бегущего домена даже при напряжениях, превышающих пороговое. Как показывают расчеты, субкритические диоды характеризуются отрицательным эквивалентным сопротивлением на частотах, близких к пролетной частоте, при напряжениях, превышающих пороговые. Их можно использовать в усилителях отражательного типа. Однако из-за малых динамического диапазона и коэффициента усиления они находят ограниченное применение.

   Устойчивая отрицательная проводимость в широком диапазоне частот, достигающем 40%, реализуется в диодах с  при малой длине диода (~8–15 мкм) и напряжениях . При меньших напряжениях наблюдается генерация, срыв которой при увеличении напряжения может быть объяснен уменьшением ОДП материала при повышении температуры прибора.

   Однородное распределение электрического поля по длине диода и устойчивое усиление в широкой полосе частот могут быть получены за счет неоднородного легирования образца (рис.12, а). Если вблизи катода имеется узкий слаболегированный слой длиной около 1 мкм, то он ограничивает инжекцию электронов из катода и приводит к резкому возрастанию электрического поля. Увеличение концентрации примеси по длине образца по направлению к аноду в пределах от  до  позволяет добиться однородности электрического поля. Процессы в диодах с таким профилем обычно рассчитывают на ЭВМ.

Рис.12. Профиль легирования (а) и распределение поля (б) в диоде Ганна с высокоомной прикатодной областью.

   Рассмотренные типы усилителей характеризуются широким динамическим диапазоном, к.п.д., равным 2–3%, и коэффициентом шума ~10дБ в сантиметровом диапазоне длин волн.

   Ведутся разработки тонкопленочных усилителей бегущей волны (рис.13), которые обеспечивают однонаправленное усиление в широкой полосе частот и не требуют применения развязывающих циркуляторов. Усилитель представляет собой эпитаксиальный слой GaAs 2 толщиной  (2–15 мкм), выращенный на высокоомной подложке 1. Омические катодные и анодные контакты расположены на расстоянии  друг от друга и обеспечивают дрейф электронов вдоль пленки при подаче на них постоянного напряжения . Два контакта 3 в виде барьера Шоттки шириной 1–5 мкм используются для ввода и вывода СВЧ-сигнала из прибора. Входной сигнал, подводимый между катодом и первым контактом Шоттки, возбуждает в потоке электронов волну объемного заряда, которая изменяется по амплитуде при движении к аноду с фазовой скоростью .

Рис.13. Схема устройства тонкопленочного усилителя бегущей волны на GaAs с продольным дрейфом

   Для работы усилителя требуется обеспечить однородность пленки и однородность электрического поля по длине прибора. Напряжение смещения УБВ лежит в области ОДП GaAs, т. е. при . В этом случае происходит нарастание волны объемного заряда при ее движении вдоль пленки. Устойчивое однородное распределение электрического поля достигается в УБВ за счет использования пленок малой толщины и покрытия пленки GaAs диэлектриком с большим значением .

Применение основных уравнений движения электронов для одномерного случая (1), (3), (4) и режима малого сигнала, когда постоянные составляющие конвекционного тока, напряженности электрического поля и плотности заряда много больше амплитуды переменных составляющих (), приводит к дисперсионному уравнению для постоянной распространения , имеющему решение в виде двух волн.

   Одна из них является прямой волной, распространяющейся вдоль пленки от катода к аноду с фазовой скоростью , и имеет амплитуду, изменяющуюся по закону:

                                       ,                                 (9)

где –время движения электронов от входа прибора. При работе в области ОДП  и прямая волна нарастает. Вторая волна является обратной, распространяется от анода к катоду и затухает по амплитуде как . Коэффициент диффузии  для GaAs составляет , поэтому  и обратная волна быстро затухает. Из (9) коэффициент усиления прибора равен (дБ)

                                                               (10)

Оценка по (10) при  и  дает усиление порядка 0,3–3 дБ/мкм. Следует иметь в виду, что выражение (10) является, по существу, качественным. Непосредственное использование его для расчета нарастающих волн объемного заряда может привести к ошибкам из-за сильного влияния граничных условий при малой толщине пленки, так как задача должна рассматриваться как двумерная. Необходимо также учитывать диффузию электронов, ограничивающую диапазон частот, в котором возможно усиление. Расчеты подтверждают возможность получения в УБВ усиле­ния ~0,5–1 дБ/мкм на частотах 10 и более ГГц. Подобные приборы можно использовать также в качестве управляемых фазосдвигателей и линий задержки СВЧ.

[Л]. Березин и др. Электронные приборы СВЧ. – М. Высшая школа 1985.