ГЕНЕРАТОР ММ-ДИАПАЗОНА НА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЁННЫХ GaAs-ДИОДДХ ГАННА

May 11, 2012 by admin Комментировать »

Прохоров Э. Д., Дядченко А. В., Мишнёв А. А., Боцула О. В. Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина Украина, 61077, Харьков, пл. Свободы 4 Тел.: (057) 705-12-62

Аннотация – Экспериментально исследована совместная работа последовательно включенных диодов Ганна в резонаторе 8-мм диапазона. Определены условия, при которых возможно увеличение мощности при работе связки диодов и увеличение коэффициента полезного действия связки диодов. Экспериментально в 8мм-диапазоне на частотах 37,2 ГГц получены мощности ~ 120 мВт от 2-х диодов Ганна, включенных последовательно.

I.  Введение

Проблема, рассматриваемая в настоящем докладе, это особенности совместной работы последовательно включенных диодов, которые обладают участком отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП). Некоторые частные случаи были нами рассмотрены ранее, они касались диодов Ганна (ДГ) работающих совместно с туннельным диодом (ТД), резонансно-туннельным диодом (РТД), металл- диэлектрик-полупроводник (МДП) туннельным диодом [1 – 7]. Изучение этих случаев совместной работы выявило особенности их вольтамперных характеристик, участки, недоступные измерениям, неоднозначность тока при заданном напряжении, перескоки по току при изменении напряжения на диодах, зоны генерации, обусловленные туннелированием, резонансным туннелированием и междолинным переносом электронов.

Но есть целый ряд других случаев, когда желательна совместная работа последовательно включенных диодов одного типа (например, диодов Ганна или туннельных диодов и т. д.). Скажем, для диодов Ганна при последовательном включении требуется почти абсолютное равенство всех параметров – и токов и напряжений, и порогов генерации и т. д. Поскольку все реальные приборы несколько отличаются друг от друга параметрами – токами, напряжениями, соотношениями токов в максимуме и минимуме и т. д., то возникает необходимость проанализировать возможные варианты соотношений токов и напряжений в этих приборах, которые необходимы для успешной работы таких соединений приборов. В указанных выше случаях совместной работы диодов выполнялось соотношение – максимальный ток через первый диод больше максимального тока, протекающего через диод, включенного с ним последовательно и минимальный ток через первый диод больше минимального тока через диод, включенный с ним последовательно. Поэтому всегда возникали две или три зоны генерации. Если соотношения токов и напряжений другие, то возникают ситуации, которые мы и хотим проанализировать.

II.   Основная часть

При общем анализе необходимо рассмотреть последовательное включение приборов с ВАХ неоднозначными по напряжению (такими как у диодов Ганна).

При последовательном включении диодов их общая ВАХ строится как сумма напряжений на диодах при постоянном токе через диоды. Общая ВАХ диодов будет иметь столько участков ОДП сколько включено последовательно диодов (в нашем случае рассматриваются два диода).

Ситуации могут быть такими:

0. Все параметры диодов равны или очень близки друг к другу, максимальный ток через первый диод равен максимальному току через второй диод Jmaxi=Jmax2H равны минимальные токи через диоды после участка ОДП Jmini=Jmm2.

1. Максимальный ток через первый диод больше

МаКСИМаЛЬНОГО ТОКа Через ВТОРОЙ ДИОД Jmax1>Jmax2n

минимальный ток первого диода больше минимального тока второго диода Jmin1>Jmin2.

2. Максимальный ток через первый диод больше МаКСИМаЛЬНОГО ТОКа Через ВТОРОЙ ДИОД Jmax1>Jmax2n минимальный ток первого диода меньше минимального ТОКа ВТОРОГО ДИОДа Jmin1< Jmin2-

Рис. 1. Зависимость мощности, генерируемой диодами (1, 2) и одним из диодов в связке, когда второй диод не работает (3).

Fig. 1. Power output against voltage for single diodes (curve 1, 2) and single diode when operated in serials

Случай 1. Параметры диодов и ВАХ диодов идентичны. Максимальные и минимальные токи через диоды одинаковы. Напряжение на диодах равно сумме напряжений на каждом диоде. ВАХ диодов имеет один участок ОДП при вдвое больших напряжениях по сравнению с одним диодом. Выходная мощность должна быть в два раза больше по сравнению с мощностью при работе одного диода.

Случай 2. Параметры диодов отличаются друг от друга. Максимальные токи не только разнятся по величине, но и наблюдаются при различных напряжениях, минимальные токи тоже наблюдаются при различных напряжениях.

Случай 3. Параметры диодов отличаются друг от друга. Максимальные токи не только разнятся по величине, но и могут наблюдаться при различных напряжениях, минимальные токи тоже могут наблюдаться при различных напряжениях, но и те и другие находятся в соответствии с третьей ситуацией (см. выше).

этому напряжение, при котором возникает генерация этих последовательно включенных диодов, возрастает примерно в два раза (рис. 1, кривая 3).

Нами экспериментально исследовалась работа последовательно включенных диодов Ганна, которые рассчитаны на работу в 8-мм диапазоне длин волн. Исследовались экспериментальные образцы диодов, изготовленные в Проблемной лаборатории полупроводниковой техники Харьковского национального университета им. В. Н. Каразина и промышленные образцы диодов Ганна. Экспериментальные образцы GaAs-диодов Ганна работали в непрерывном режиме и при этом имели следующие параметры: пороговое напряжение 2 В, пороговые токи 1,2 – 1,25 А, выходная СВЧ-мощность составляла 60 – 80 мВт. Для каждого диода были сняты вольтамперные и вольт-ваттные характеристики. Диоды сравнивались и отбирались по оптимальным характеристикам [8-10].

Экспериментальная камера представляла собой отрезок 8-мм волновода, который с одной стороны присоединялся к измерительному тракту, а с другой стороны к нему присоединялся КЗ-поршень для перестройки по частоте и по максимальной выходной СВЧ-мощности. Диоды Ганна размещались по середине широкой стенки волновода (7,2×3,4 мм2) и могли перемещаться по сечению волновода для согласования и получения максимальных выходных параметров генерации.

Диоды работали в непрерывном режиме с воздушным охлаждением, поскольку при использованном нами способе включения теплоотвод был недостаточно эффективным, что приводило в ряде случаев к перегреву диодов.

В большинстве случаев использованные нами пары диодов по своим параметрам соответствовали второму и третьему случаям (см. выше) – у них отличались пороговые токи, пороговые напряжения и отношение максимального тока через диод к минимальному току.

Если пороговый ток первого диода Ганна не намного меньше порогового тока второго диода Ганна, то при последовательном включении диодов вначале начинает работать первый диод с меньшим пороговым напряжением. При этом второй диод представляет собой последовательно включенное сопротивление, которое сдвигает пороговое напряжение связки диодов в сторону больших напряжений. Естественно, что и мощность, генерируемая диодами, и коэффициент полезного действия оказываются меньшими по сравнению с теми же параметрами, получаемыми от отдельно работающих диодов. Экспериментальные результаты показаны на рис. 1. Второй диод в такой связке может начать работать в том случае, когда средний ток через последовательно включенные диоды станет равным пороговому току второго диода. Это возможно в случае, когда в работающем диоде развивается ударная ионизация или когда идёт интенсивный разогрев активной области диода.

На рис. 1 показаны зависимости выходной СВЧ- мощности от напряжения питания двух диодов Ганна с различными пороговыми токами (пороговый ток первого диода равен 1,17 А, пороговый ток второго диода – 1,24А). В этом случае начинает генерировать СВЧ-мощность первый диод, а второй диод, включенный последовательно, забирает на себя почти такое же напряжение как и работающий диод. По

Рис. 2. Зависимость суммарной мощности отдельных диодов Ганна от суммарного напряжения на них (1) и мощности генерируемой последовательно включенными диодами Ганна от напряжения на них (2).

Fig 2. Sum power of single diodes at adding each voltage (1) and power of series connected diodes (2)

Т. к. в этом случае неработающий второй диод входит в нагрузку первого диода, генерируемая первым диодом СВЧ-мощность оказывается меньше.

Если параметры диодов равны, через них протекают пороговые токи отличающиеся не более, чем на 1 – 2 %, то последовательно включённые диоды работают одновременно. Частота генерации синхронизируется более высокочастотным диодом (в нашем эксперименте она составляла 37,54 ГГц), а суммарная выходная СВЧ-мощность последовательно включённых

2-     х диодов Ганна составляла 120 мВт (коэффициент сложения мощностей диодов порядка 0,9 ) (рис. 2).

III.   Заключение

В результате проведенных экспериментальных исследований совместной работы последовательно включённых диодов Ганна в резонансной системе 8- мм диапазона (частота генерации СВЧ-мощности 37,54 ГГц), параметры которых отличаются не более 1-2 %, показана возможность увеличения выходной СВЧ-мощности генераторов мм-диапазона. В проведенных экспериментах с диодами Ганна 8-мм диапазона получен коэффициент сложения выходных мощностей порядка 0,9, при общей выходной СВЧ- мощности последовательно включённых 2-х диодов Ганна порядка 120 мВт.

IV.   Список литературы

1.  Боцула О. В.. Прохоров Э. Д. Эффективность работы диода Ганна с n+-GaAs -AI0.2Ga0.eAs- n+-GaAs катодом // Вестник Харьковского национального университета им. В. Н. Каразина, Радиофизика и электроника, 2002,

№ 544, вып.1, с. 159-161.

2.  Боцула О. В.. Прохоров Э. Д. Туннельный n+-D-n+ катод к диоду Ганна // Радиофизика и электроника, Харьков, ИРЭ НАНУ, 2002, т. 7, № 2, с. 392 – 396.

3.  Боцула О. В.. Прохоров Э. Д.. Стороженко И. П. О совместной работе резонансно-туннельного диода и диода с междолинным переносом электронов // Вестник Харьковского национального университета им. В. Н. Каразина, Радиофизика и электроника, 2002, № 570, вып. 2, с. 88 – 91.

4. Боцула О. В., Прохоров Э. Д. Особенности совместной работы резонансно-туннельного диода и диода Ганна // Радиофизика и электроника, Харьков, ИРЭ НАНУ, 2002, т. 7, № 3, с. 527 – 531.

5. Боцула О. В., Прохоров Э. Д. Совместная работа 2-х уровневого РТД и диода Ганна // Радиофизика и электроника, Харьков, ИРЭ НАНУ, 2003, т. 8, № 1, с. 152- 157.

6. Боцула О. В., Прохоров Э. Д. Совместная работа диода Ганна и туннельного диода // Вестник Харьковского Национального университета им. В. Н. Каразина, Радиофизика и электроника, 2004, № 622, вып. 1, с. 50 -54.

7. Боцула О. В., Прохоров Э. Д. Импедансные характеристики совместно работающих диодов с ОДП // Радиофизика и электроника, Харьков, ИРЭ НАНУ, 2004, т. 9, № 1, с. 51 -58.

8. Дядченко А. В., Мишнёв А. А., Прохоров Э. Д., Полянский Н. Е. Широкополосные генераторы мм-диапазона на диодах Ганна // 1-й Международный радиоэлектронный Форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития», (МРФ’2002), Харьков, 8-10 октября 2002 г. // Сборник научных трудов, ч. 2, секция 6 «Электронная техника и технологии», с. 426 – 429.

9. Дядченко А. В., Мишнёв А. А., Прохоров Э. Д., Полянский Н. Е. Генераторы мм-диапазона на GaAs-диодэх Ганна // 13-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». – Севастополь, 8 –

11    сентября 2003 г. – Материалы конференции, с. 164-166.

10. Dyadchenko А. У., MishnyovA. A., Prokhorov Е. D., Polyanskiy N. Е. Broadband GaAs-oscillators of mm-range // Fiveth International Kharkov Symposium «Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves»

( MSMW’2004), Kharkov, Ukraine, June 21 – 26, 2004 // Session J: «Solid State Devices».

GENERATOR OF A MM-RANGE SERIES OPERATION OF GaAs GUNN-DIODES

Prokhorov E. D., Dyadchenko A. V., MishnyovA. A., Botsula О. V.

V.        N. Karazin Kharkov National University Sq. Svoboda 4, Kharkov 61077, Ukraine, 61077 Ph.: (057) 705-12-62

We experimentally investigated work of 2 series Gunn- diodes, which are designed for operation in 8-mm wavelength band. Experimental samples of diodes made in Problem laboratory of semiconductor engineering of the Kharkov National University were investigated. Experimental samples of GaAs Gunn- diodes operate in continuous mode and thus the have the following parameters: threshold voltage 2 V, threshold currents

1,2  – 1,25 A, output microwave power makes 60 – 80 mW. For each diode volt-ampere and volt-watt characteristics were run. The diodes were compared and selected under the optimum characteristics.

The experimental chamber was a piece of 8-mm- waveguide, which joined a measuring path and was backshored for tuning on frequency and on the maximal output microwave power. Gunn-diodes were placed in the middle of the wide wall waveguide (7,2×3,4 mm2) and could move the waveguide section for coordination and reception of the maximal output oscillation parameters.

For the pairs used have threshold currents, threshold voltage and relation of the maximal current through the diode to the minimal current differed.

If the threshold current of the first Gunn diode is not much less than a threshold current of the second Gunn diode, the one with the smaller threshold voltage starts its operation. Thus the second diode represents the consistently included resistance, which would move diodes to the greatest voltages together with threshold voltage. Naturally, as power generated by diodes, and efficiency it appear smaller in comparison with the same parameters received from separately working diodes. The experimental results are shown in a fig. 1.

The second diode in such connection can begin to work in that case, when the average current through the consistently included diodes becomes equal to a threshold current of the second diode. It is possible in a case, when in the working diode the shock ionisation or develops when there is an intensive warming up of active area of the diode.

In a fig. 1 the dependences of output microwave power on a voltage of a feed of two Gunn-diodes with various threshold currents is equal 1,17 A. In this case begins to generate output microwave power the first diode, and the second diode included consistently, takes away on itself the almost same pressure (voltage) as well as working diode. Therefore voltage, at which there is a generation of these consistently included diodes, grows approximately twice (fig. 1, curve 3).

Since in this case not working second diode enters into loading of the first diode the output microwave power, generated by the first diode, appears less.

If the parameters of diodes are equal, through them the threshold currents distinguished no more proceed, than on 1 –

2  %, the consistently included diodes work simultaneously. The frequency of generation is synchronized by more high- frequency diode (in our experiment it made 37,54 GHz), and the total output microwave power consistently included 2 diodes Ганна made 120 mW (factor of addition of output power of diodes about 0,9) (fig. 2).

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты