Файл: Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет.pdf

К настоящему времени получены значительные мощно­

раторах составляет от единиц процентов до 20%. Известны сообщения о получений более высоких значений к. п. д. В секции, показанной на рис. 8.34, а, в 3-сантиметровом

Г е н е р а т о р ы Г а н н а п е р е с т р а и в а ю т с я п о ч а с т о т е либо изменением напряжения питания, либо изменением параметров резонатора Электронная пере­ стройка генераторов, работающих в резонансных режимах мала — типичная величина составляет 5—20 МГц/В — и обусловлена изменением емкости домена сильного электри­ ческого поля. Такая перестройка характерна для большин­ ства диодов Ганна с неизменной площадью поперечного се­

роком диапазоне частот в нескольких режимах работы при плавном переходе из режима в режим. Зависимости к. п. д. и мощности от частоты в определенных частотных пределах будут определяться режимом работы генератора и усло­ виями согласования генератора с нагрузкой в соответству­ ющем режиме. При различных напряжениях питания и ус­ ловиях согласования с нагрузкой диод Ганна может рабо­ тать в режиме с задержкой образования домена, с подав­ лением домена, в гибридном режиме и режиме ОНОЗ. Кроме перестройки напряжением и механической перест­ ройки возможны перестройки генератора на диоде Ганна с помощью варакторов, ферритов, железо-иттриевого гра­ ната и магнитного поля [51].

С и н х р о н и з а ц и я к о л е б а н и й г е н е р а ­ т о р о в Г а н н а возможна при напряжениях питания ниже и выше пороговых. В первом случае на диод подается смещение несколько ниже порогового и синхронизирующий сигнал. Если амплитуда синхронизирующего сигнала та­ кова, что суммарное напряжение превышает пороговое при каждом положительном полупериоде синхронизирующего сигнала, то каждый раз при этом напряжении будет возбуж­ даться домен. При этом генератор хорошо синхронизирует­ ся, если частота синхронизирующего сигнала меньше ча­ стоты генератора. Синхронизация при напряжениях ниже пороговых невыгодна, поскольку мощности, генерируемые доменом при напряжениях, близких к пороговым, обычно малы (то же относится к к. п. д.). Практически более важ­ ным случаем является второй, — когда требуется синхро­ низировать генераторы при напряжениях, значительно пре­ вышающих пороговые. Как следует из экспериментов [52], мощность сигнала, необходимая для синхронизации гене­ ратора, зависит от требуемой полосы синхронизации А/, добротности резонатора и характеристик диода Ганна. В среднем мощность синхронизирующего сигнала состав­ ляет 0,02—0,01 (15-=-20 дБ) от мощности генератора. Важны также фазовые соотношения в синхронизированных гене­ раторах Ганна, которые могут найти применение в фази­ рованных антенных решетках. Возможность синхрониза­ ции генераторов Ганна можно использовать для получения

Диоды Ганна не являются малошумящими приборами, поскольку эффективная температура носителей в области домена значительно превышает температуру кристалличе­ ской решетки. Шум в диодах Ганна обусловлен случайным изменением от периода к периоду момента зарождения до­ мена, неоднородностью свойств диода в пределах площади поперечного сечения и флюктутации скорости домена силь­ ного поля. Шум генераторов Ганна в значительной степени зависит от той схемы, в которой работает диод Ганна; на­ пример, шум генератора, имеющего резистивную схему, всегда больше шума генератора, имеющего резонансную схему включения диода. Причем чем выше добротность резонатора, тем меньше шум генератора, поскольку резо-

натор в этом случае более точно фиксирует момент зарож­ дения домена сильного ноля.

Диоды, работающие в режиме ОНОЗ, должны шуметь меньше, чем работающие в доменных режимах. Это связано с отсутствием в режиме ОНОЗ процессов формирования до­ менов сильного поля и их дрейфа через кристалл, а также с меньшей эффективной температурой электронов в кристал­ ле по сравнению с эффективной температурой электронов в домене. Некоторые расчеты шумовых характеристик гене­ раторов Ганна приведены в работах [53, 54]. В эксперимен­ тальных работах по изучению шума диодов Ганна отме­ чается, что амплитудный шум генераторов примерно на 30 дБ меньше частотного. Уровень частотного шума близок к уровню шума клистронов. Для лучших образцов частот­

можность работы диодов Ганна в импульсном или непре­ рывном режиме. От теплового режима зависят максимально возможные мощности, которые можно получить от гене­ ратора Ганна в непрерывном режиме, и возможные длитель­ ности импульсов питания в импульсном режиме. Увели­ чение температуры кристалла влияет на концентрацию и подвижность носителей —электронов. Увеличение концент­ рации носителей в монокристаллах, обладающих отрица­ тельным температурным коэффициентом с увеличением тем­ пературы, может привести к уменьшению ширины вольт­ амперной характеристики диодов (в особенности, длинных диодов). Уменьшение подвижности с увеличением темпера­ туры приводит к изменению характеристики v(E) и, следо­ вательно, к уменьшению отношения Д/// 0 , т.е. к падению мощности и к. п. д. генератора. В эпитаксиальных пленках увеличение температуры приводит к уменьшению подвиж­ ности носителей (положительный температурный коэффи­ циент) и изменению характеристик v(E). Увеличение темпе­ ратуры до Т = 300-Ь400°С при большом количестве тепла, выделяемого в объеме диода, приводит к необратимому пробою.

Экспериментально установлено, что диоды Ганна могут работать достаточно эффективно при температурах порядка 200—250° С [26]. Нижний температурный предел зависит от качества используемого материала. В монокристаллах, поскольку они обычно компенсированы, сопротивление дио-

дов при понижении температуры до —60-7-^-200° С резко возрастает из-за быстрого уменьшения концентрации но­ сителей.

При неизменной длине диода и быстром уменьшении кон­ центрации при определенной температуре наступает такой момент, когда n0L < 2,5-101 1 см" 2 и генерация прекращает­ ся. Температура, при которой это происходит для каждого кристалла, зависит от степени компенсации. В эпитаксиальных пленках, в которых концентрация меньше зависит от температуры, характеристика v(E) будет сохранять уча­ сток с ОДП вплоть до температуры кипения азота и, следо­ вательно, генераторы Ганна будут работать и при такой тем­ пературе.

Обычно диоды выполнены так, что наибольшая темпе­ ратура кристалла соответствует середине диода или одному из его контактов. В зависимости от того, как выполнен диод, каковы возможности отвода тепла от каждого из контактов, можно определить максимальную мощность, рассеиваемую диодом в непрерывном режиме, или максимальную длитель­ ность импульса питания в импульсном режиме.

Величина мощности, генерируемой диодами Ганна в непрерывном режиме, зависит не только от качества мате­ риала GaAs и схемы, в которую они включены, но и от каче­ ства теплоотвода. Например, наибольшая мощность в непре­

Г а н н а — одна из важнейших проблем, возникающих при разработке систем с их использованием. Исследования дио­ дов с доменом показали, что их пробой начинается обычно у анода. Это обусловлено тем, что при достижении доменом анода увеличивается электрическое поле у анода. При при­ ближении задней плоскости домена к анодному контакту электрическое поле может достигать такой величины, при которой возможно проникновение атомов анодного контакта в глубь полупроводника под действием сильного электри­ ческого поля [56]. Поскольку поле в сечении анодного кон­ такта может быть неоднородно, проникновение атомов из анодного контакта может привести к созданию высоколе­ гированного проводящего канала, который в силу высокой проводимости будет шунтировать остальной объем диода. Для устранения этого эффекта площадь анодного контакта делают несколько больше площади катодного, что умень-

шает степень роста электрического поля у анода, или из­

большом разбросе параметров не удается обеспечить опти­ мальный режим устройства, рассчитанного на средние значе­ ния параметров диодов. В настоящее время эта проблема еще не решена, поскольку не решена проблема воспроизводимо­ сти при получении легированного арсенида галлия. Долго­ вечность диодов Ганна в настоящее время составляет при­ мерно сотни-тысячи часов. Совершенствование материала

либо на основе монокристаллов, либо на основе эпитаксиальных пленок GaAs. Размеры пластин для изготовления диодов выбирают, исходя из условий режима их работы и требуемых параметров. Площади пластин под контактами обычно составляют 0,25 • 10~4-г-10~2 см2 ; длины диодов изменяются в пределах 5 • Ю - 4 -т-0,1 см.

Необходимых размеров пластин из монокристаллов до вплавления контактов добиваются резкой, шлифовкой и травлением. Толщина пластин из эпитаксиальных пленок получается в процессе их роста, необходимая площадь обес­ печивается механической обработкой.

Омические контакты на монокристаллических пластинах получают сплавлением с Sn или сплавами Sn с Au, Ge и т. д. Сплавление производят в вакууме или атмосфере водорода при Т — 450-Т-5000 С. Для улучшения качества контакта перед вплавлением применяют вакуумное осаждение пленок Ag, Au, Ni на поверхности GaAs. Аналогично можно полу­ чать контакты и на эпитаксиальных пленках. Для созда­ ния омических контактов на монокристаллах и эпитакси­ альных пленках применяется также метод рекристаллиза­ ции из жидкой фазы. При этом на поверхности рабочего кристалла создается тонкий рекристаллизованный слой я+.

Хороший омический контакт должен обладать линейной вольтамперной характеристикой и малым переходным со­ противлением, для того чтобы общая рассеиваемая прибором мощность была обусловлена только объемом GaAs. Диоды Ганна могут быть выполнены в различных вариантах кор­ пусов. Одним из удобных вариантов является расположение