ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 20.03.2024
Просмотров: 24
Скачиваний: 0
РЕЖИМ ПРОЛЬОТУ
• Режим роботи діода Ганна на ефекті міждолинного переходу електронів, при якому виконується нерівність
n0l > 1012 см-2,
де l довжина зразка;
називається режимом прольоту. Для його реалізації необхідно включити діод в
паралельне резонансне коло, наприклад, в НВЧ - генератор з високою добротністю, налаштований на пролітну частоту (f = υД l). В прольотному режимі на кривій залежності струму від часу будуть спостерігатися різкі сплески, якщо довжина зразка значно перевищує ширину домену (Рис.). Для отримання форми коливань струму,
близької до синусоїдальної, необхідно зменшувати довжину зразка або збільшувати ширину домену. Ширину домену можна збільшити, зменшуючи концентрацію електронів (n0) в зразку.
Залежність струму від часу при роботі діода Ганна в прольотному режимі
УМОВА РЕАЛІЗАЦІЇ ГЕНЕРАЦІЇ
• При роботі діода в резонаторі до нього крім постійного зовнішнього зміщення виявляється прикладеним також НВЧ - поле, що виникає в резонаторі за рахунок коливань струму, що протікає через діод. Припустимо, що НВЧ - поле змінюється в часі за гармонічним законом, а резонатор налаштований на частоту вищу пролітної (f > υДl). Тоді при достатньо великій амплітуді НВЧ - поля дипольний домен в зразку може розсмоктатися не доходячи до анода. Для цього необхідно, щоб в напівперіод, коли вектори напруженості постійного і СВЧ - поля протилежні, сумарна напруженість поля була б меншою Eпор, а тривалість напівперіоду була б більшою часу релаксації Максвелла τМ, що відповідає позитивній рухливості. З точністю до чисельного коефіцієнта останню умову можна записати так:
f--1>εε0/en0µ або n0/f > εε0/eµ
Для GaAs і InP n0/f > 104 с/см3. Отримана нерівність є умовою реалізації режиму роботи діода з придушенням домену. У цьому режимі в кожен «позитивний»
напівперіод СВЧ - поля в діоді E > Eпор і у катода зароджується домен, а в кожен «негативний» напівперіод він розсмоктується на шляху до анода. Таким чином,
генерація змінного струму в цьому випадку відбувається на частоті, яка визначається параметрами резонансного електричного кола.
Якщо забезпечити одночасне виконання двох нерівностей:
ε ε0/eµ < n0/f < εε0/e µ- ,
де μ- - негативна диференціальна рухливість, що відповідає ділянці вольт-амперної характеристики з негативною диференціальної провідністю;
то діод Ганна працюватиме в режимі обмеженого накопичення об'ємного заряду
(ОНОЗ). Для GaAs і InP - 104 < n0/f < 105 с/см3. Оскільки в отриманій нерівності період НВЧ - сигналу менший τМ, що відповідає від'ємній диференціальної рухливості, то в напівперіод, коли E > Eпор, домен сильного поля не встигає повністю сформуватися, а в наступний напівперіод (E < Eпор) він повністю розсмоктується. При цьому буде спостерігатися зростання опору зразка в один напівперіод НВЧ - сигналу і спад його в інший, що викликає ефективну генерацію потужності на частоті, яка визначається
параметрами зовнішнього електричного кола.
ГЕНЕРАЦІЯ НВЧ-КОЛИВАНЬ В ДІОДАХ
•Як будь-який генератор НВЧ - діапазону, генератор Ганна характеризується
потужністю, що генерується, довжиною хвилі, або частотою коливань, що генеруються, коефіцієнтом корисної дії, рівнем шумів та іншими параметрами. Вихідна безперервна потужність генераторів Ганна в прольотному режимі звичайно становить десятки - сотні міліват, а при імпульсній роботі досягає сотень ват.
•Робоча частота в прольотному режимі обернено пропорційна довжині або товщині високоомної частини кристала (f = υ/l). Зв'язок між потужністю, що генерується і частотою можна представити у вигляді:
Pвих = U2/z = E2l2/z = E2υ2/zf2 ~ 1/f2
•Потужність НВЧ - коливань, що генеруються, залежить від повного опору z
або від площі робочої частини високоомного шару напівпровідника. Наведене співвідношення вказує на те, що очікувана зміна потужності з частотою пропорційна 1/f2. Верхня межа робочої частоти діодів Ганна становить сотні гігагерць
(рис.).
Типова залежність генерованої діодом Ганна потужності від прикладеної напруги і температури
Генератори Ганна з GaAs можуть генерувати НВЧ - коливання від 1 до 50 ГГц. Дещо більші частоти отримані на генераторах Ганна з InP у зв'язку з більшими значеннями максимальних швидкостей електронів, але якість приладів із цього матеріалу значно нижча через недостатнє відпрацювання технології виготовлення матеріалу. Перевага InP перед
GaAs - більше значення порогової напруженості електричного поля (10,5 і 3,2 кВ/см відповідно). Це повинно дозволити створити генератор Ганна з
більшою вихідною потужністю. Для створення більших частот коливань, що генеруються представляють інтерес потрійні сполуки GaInSb, оскільки в них великі дрейфові швидкості електронів. Ефект Ганна спостерігається, крім GaAs і InP, в електронних напівпровідниках CdTe, ZnS, InSb, InAs та ін., а також в Ge з дірковою провідністю.
НЕДОЛІКИ ТА ПЕРЕВАГИ ГЕНЕРАТОРІВ ГАННА
• Коефіцієнт корисної дії генераторів Ганна може бути різним (від 1 до 30%),
оскільки технології виготовлення приладів і якість вихідного напівпровідникового матеріалу істотно розрізняються. У зв'язку з можливою наявністю в кристалі генератора Ганна декількох неоднорідностей зародження домену може відбуватися в різні моменти часу на різній відстані від анода. Тому частота коливань буде змінюватися, тобто можуть виникати частотні шуми. Крім частотних шумів в генераторах Ганна
існують амплітудні шуми, основною причиною появи яких є флуктуації у швидкостях руху електронів. Зазвичай амплітудні шуми в генераторах Ганна малі,
оскільки дрейфова швидкість в сильних електричних полях, що існують в цих приладах, насичена і слабко змінюється при зміні електричного поля.
•Важливим для практичного застосування генераторів Ганна є питання про
можливість їх частотної перебудови у досить широкому діапазоні. З принципу дії генератора Ганна ясно, що частота його повинна слабо залежати від прикладеної напруги. Зі збільшенням прикладеної напруги трохи зростає товщина домену, а швидкість його руху змінюється незначно. В результаті при зміні напруги від порогової
до пробивної частота коливань збільшується всього на десяті доля відсотка.
•Термін служби генераторів Ганна відносно малий, що пов'язано з одночасним
впливом на кристал напівпровідника таких факторів, як сильне електричне поле і перегрів кристала через виділення в ньому потужності.
ОПТОЕЛЕКТРОНІКА
•Оптоелектроніка (ОЕ) - це розділ електроніки, що зв'язаний головним чином з вивченням ефектів взаємодії між електромагнітними хвилями оптичного діапазону і електронами речовини (переважно твердих тіл), та охоплює проблеми створення оптоелектронних приладів, у яких ці ефекти використовуються для генерації, передачі, обробки, збереження та відображення інформації.
•Оптоелектроніку характеризують три основні риси.
•1. Фізичну основу оптоелектроніки складають явища, методи, засоби, для яких принципово сполучення і нерозривність оптичних та електронних процесів. У широкому сенсі оптоелектронний пристрій визначається як прилад, що чутливий до електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній (ІЧ) чи ультрафіолетовій (УФ) областях; чи прилад, що випромінює і перетворює некогерентне або когерентне випромінювання у цих же спектральних областях. В оптоелектронних процесах відбуваються перетворення виду Е → L (у випромінювачах) та L → Е (у фотоприймачах), а також L → L (під час розповсюдження випромінювання), де L і Е оптичне і електричне збурення.
•2. Технічну основу ОЕ-ки визначають конструктивно–технологічні концепції сучасної мікроелектроніки: мініатюризація елементів; переважний розвиток твердотільних площинні конструкцій; інтеграція елементів; інтеграція елементів і функцій; орієнтування на спеціальні надчисті матеріали; використання методів групової обробки виробів, таких як епітаксія, фотолітографія, нанесення тонких плівок, дифузія, іонна імплантація, плазмохімія.
•3. Функціональне призначення ОЕ-ки полягає у розв’язанні задач інформатики: генерації інформації шляхом перетворення різних зовнішніх впливів у відповідні електричні та оптичні сигнали; переносі інформації; перетворенні інформації за заданим алгоритмом;
•збереженні інформації, включаючи такі процеси, як записування, зчитування, стирання; відображення інформації.
•Для розв’язання цих задач в ОЕ - них пристроях використовують інформаційні сигнали в оптичній та електричній формах, але визначаючими є оптичні сигнали. Часто ОЕ - ний пристрій фактично є оптичним, а електроніка виконує допоміжні "обслуговуючі" функції. В таких випадках "оптоелектроніка - це оптика, що керується електронікою". Відзначимо, що перехід до оптичних систем (з "відсуванням електроніки" на периферію) дає максимальний ефект.
ОЕ - ка синтезує досягнення ряду областей: квантова електроніка, напівпровідникова техніка, оптика, фото електроніка, електрооптика, світлотехніка, нелінійна оптика, голографія, волоконна оптика, ІЧ-техніка.
ПЕРЕВАГИ ОЕ
•Принципові позитивні якості ОЕ-ки обумовленні специфічними особливостями електромагнітних хвиль оптичного діапазону, відмінними властивостями фотона, як носія інформації, і проявляються у наступних основних моментах.
•Високочастотність. Частота оптичних коливань на 3-5 порядків вища, ніж радіотехнічного діапазону. Це означає, що у стільки ж разів зростає пропускна спроможність оптичного каналу передачі інформації.
•Гостре фокусування. Відповідно до дифракційної теорії потік випромінювання можна сфокусувати до плями з поперечним лінійним розміром близько λ/2; такий же і мінімальний крок дискретності оптичних впливів. Це означає, що максимальна густина запису оптичної інформації може сягати 4/λ2, тобто 109- 1010 біт/см2.
•Направленість. Кутова розбіжність проміня, що обмовлена фундаментальними дифракційними границями, α ≈ λ/А, де А - апертура випромінювача. Внаслідок малості λ при значеннях А, що можна практично реалізувати досягається зниження α до рівня десятків чи одиниць кутових секунд.
•Розв'язка. Використання як носіїв інформації електрино нейтральних фотонів обумовлює безконтактність оптичного зв'язку. Звідси витікає ідеальна електрична розв'язка входу і виходу:
•однонаправленність потоку інформації і відсутність зворотної реакції приймача на джерело; перешкодозахищеність оптичних каналів зв'язку; прихованість передачі інформації за оптичним каналом зв'язку.
•Візуалізація. Оптоелектроніка, що охоплює видимий діапазон електромагнітного спектру, дозволяє перетворити інформацію, яка представлена в електричній формі, в зорову, тобто в форму, найбільш зручну для сприйняття людиною.
•Фоточутливість. Ця властивість робить можливим сприйняття образів тобто перетворення поля випромі-нювання в адекватну йому електричну інформаційну дію (звично у відеосигнал). При цьому на відміну від людського ока оптоелектронний
прилад може "бачити" предмети у будь-якій необхідній області оптичного спектру.
• Просторова модуляція. Електронейтральність фотонів обумовлює не взаємодію (незмішуванність) окремих оптичних потоків. Внаслідок цього, на відміну від електричного струму, потік фотонів можна промоделювати не тільки в часі, але і у просторі. Це відкриває великі можливості для паралельної обробки інформації - обов'язкова умова створення надпродуктивних обчислювальних систем.
НЕДОЛІКИ ОЕ
• Незадовільна енергетика. Коефіцієнт корисної дії перетворювань виду Е→L чи L→E в кращих сучасних приладах (лазери, світлодіоди, р-і-п- фотодіоди), як правило, не перевищує 10-20%. Тому якщо в пристрої здійснюються ці перетворення лише двічі (на вході і виході), як, наприклад, в оптопарах або в волоконно-оптичних лініях зв'язку (ВОЛЗ), то загальний ККД зменшується до одиниць відсотків; кожен додатковий акт перетворення інформаційних сигналів із однієї форми в іншу зменшує ККД ще на порядок і більше. Низьке значення ККД спричиняє зростання енергоспоживання, що неприпустимо із-за обмежених можливостей джерел живлення; утруднює мініатюризацію, оскільки не вдається відвести тепло, що виділяється; знижує ефективність і надійність більшості оптоелектронних приладів. Відмітимо, що в окремих експериментальних зразках лазерів, світлодіодів, фотоприймачів вдається
