Описание экспериментальной установки
Диод размещен в резонаторной камере, представляющей собой отрезок волновода 2310 мм с короткозамкнутым подвижным плунжером, с помощью которого производится перестройка частоты объемного резонатора.
Рис. 6
Установка (рис. 6) состоит из волноводного отрезка с ДГ 1, перестраиваемого подвижного волноводного плунжера 2, волноводного разветвителя 3, частотомера 4, измерителя мощности 5, волноводного переключателя 9, а также панорамного измерителя, состоящего из генератора качающейся частоты (ГКЧ) 6, индикатора 7 и двух направленных ответвителей 12. Напряжение смещения подается на ДГ с блока питания (БП) 8. Статические характеристики измеряются с помощью вольтметра и миллиамперметра. Данная измерительная установка позволяет исследовать ДГ в качестве активного элемента, как генератора, так и усилителя отражательного типа, используя переключатель 9. Измерение характеристик усилителя осуществляется с помощью панорамного измерителя, включенного по отражательной схеме. Ферритовый вентиль 11 исполняет роль нагрузки. Регулировка уровня мощности генератора и измерение усиления осуществляется аттенюатором 10.
Обработка результатов эксперимента.
ВАХ диода Ганна.
Рис. 7. ВАХ диода Ганна.
Исследование электрической перестройки генератора.
Рис. 8. Зависимость выходной мощности от напряжения питания при двух фиксированных положениях плунжера
Исследование механической перестройки генератора.
Рис. 9. Зависимость выходной мощности от положения плунжера при двух фиксированных напряжениях питания.
Исследование диода Ганна в качестве активного элемента усилителя.
При напряжении на диоде
на частоте
и наблюдался эффект усиления сигнала.
Коэффициент усиления
.
Расчёт активной проводимости диода
.
Максимум усиления наблюдался на частоте
.
Коэффициент усиления по мощности при
этом равен
= 3,02 раз.
Где
.
Из данной формулы выразим
и получим значения
и
.
Оценка длины диода .
По значению порогового напряжения.
Пороговое напряжения
,
исходя из ВАХ.
.
,
следовательно
.
По значению пролётной частоты.
,
следовательно
.
Вывод:
Принцип работы диода Ганна основан на явлении отрицательной дифференциальной подвижности электронов в полупроводнике. За счет этого ВАХ диода Ганна обладает участком отрицательной дифференциальной подвижности, благодаря чему возможна генерация и усиление сигнала.
Зависимость активных свойств диода от напряжения имеет выраженный максимум. До некоторого порогового напряжения диод не обладает активными свойствами, затем активная мощность диода начинает расти, достигает максимума и постепенно снижается. Это объясняется тем, что электроны обладают отрицательной дифференциальной подвижностью только в некотором диапазоне напряженности. Если приложенное напряжение недостаточно или слишком велико, дифференциальная подвижность электронов положительно, и диод не является активным элементом. Наиболее выражены активные свойства диода при рабочей точке, соответствующей максимуму модуля отрицательно дифференциального сопротивления.
Диод Ганна обладает сложной зависимостью генерируемой мощности от сопротивления нагрузки, со множеством минимумов и максимумов. Поэтому для получения хорошей мощности требуется точное согласование диода с нагрузкой.
При использовании диода Ганна в качестве усилителя, коэффициент усиления крайне сильно реагирует на изменение как частоты, так и нагрузки. Поэтому для каждой частоты требуется перестройка генератора для обеспечения согласования генератора с нагрузкой.
ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ:
Диод Ганна. Полупроводниковый прибор на основе GaAs (арсенида галлия) n-типа, работающий на СВЧ-диапазоне.
Предназначение диода Ганна заключается в генерации и усилении колебаний СВЧ-диапазона.
К достоинствам современных диодов Ганна можно отнести следующее:
Широкий диапазон рабочей частоты (более октавы)
Малый уровень шумов.
Работа диода обеспечивается низковольтными источниками питания.
Очень долгий за счёт малой выделяющейся мощности и высокой устойчивости к внешним воздействиям срок службы диода Ганна очень долгий
Высокая линейностью амплитудной и фазочастотной характеристик. (благодаря чему обеспечивается на миллиметровых волнах мгновенную полосу пропускания порядка 40% при коэффициенте шума менее 10дБ)
К недостаткам можно отнести очень низкий КПД, который к тому же зависит от рабочей частоты.
Значения параметров современного диода Ганна:
Современные диоды Ганна могут работать на миллиметровом диапазоне (30-150 ГГц). При этом ширина частотного диапазона конкретных образцов средней и малой мощности (менее 100 мВт) равна примерно 10 ГГц или меньше.
Максимальный постоянный рабочий ток для диодов средней и малой мощности не превышает 2 А.
Постоянный напряжение для диодов средней и малой мощности находится в диапазоне от 2 до 6 В.
КПД равен примерно 2-3%.
Структура Диода Ганна:
Рисунок 1 – Структура диода Ганна
Где:
1 - объемный полупроводник (арсенид галлия или фосфид индия);
2 – катодный контакт;
2 – анодный контакт;
4 – теплоотвод;
5 – защитный слой.
Принцип действия:
При воздействии на кристалл арсенида галлия электрического поля высокой напряжённости в его структуре возникают так называемые домены сильного поля – своеобразные сгустки электронов, движущиеся от катода к аноду. Как и любое движение носителей заряда, это перемещение домена является током в самом обычном смысле этого слова. При достижении доменом анода ток прекращается.
Эффект Ганна состоит в том, что сразу же после исчезновения первого домена в области катода образуется следующий. Как только исчезнет он, на смену ему придёт третий, потом четвёртый и так далее – до тех пор, пока не будет снято приложенное электрическое поле. Таким образом, на аноде диода Ганна возникает последовательность импульсов. Из-за того, что длительность переходных процессов составляет крайне малые величины – порядка наносекунд – частота этого импульсного сигнала измеряется в десятках гигагерц.