Способ измерения частоты пролета электронов в диоде ганна Советский патент 1976 года по МПК G01R31/26 

1

Изобретение относится к полупроводниковой технике СВЧ, и, в частности, к технике, где диоды Ганна используются в качестве активных элементов. Точное определение частоты пролета /„р в двухдолинпых полупроводниках имеет большое значение, поскольку абсолютно все методы расчета характеристик усилителей и генераторов на диодах Ганна используют /пр в качестве основной величины. Частоту пролета для диодов с HoL ГШ см--, где По - концентрация электронов, L - длина образца GaAs, т. е. диодов субкритически легированных, определяют, при известной L, путем измерения скорости дрейфа электронов V. Частота пролета в этом случае f - V

/пр -

Пзвестиые способы определения скорости дрейфа электронов (а следовательно, и частоты пролета электронов) чрезвычайно сложны, требуют применения специальной аппаратуры и вместе с тем ие обладают даже необходимой для инженерной практики точностью: значепия, измеренные разнымн исследователями, значительно отличаются друг от друга.

Кроме того, нри таком способе определения частоты пролета, последняя не может быть определена в конструктивно оформленных циодах Ганна.

Частота пролета для диодов с По , т. е. диодов суперкритически легированных, когда в образце GaAs существует домен сильного поля, быть определена в

коиструктнвно оформленных диодах Ганна при условии включения их в нерезонансную цепь. В этом случае с подачей на диод напряжения пптания изменяется частота генерации, иоследняя приравнивается к частоте пролета.

В нерезонаисной цепи требуется обеспечить отсутствие резона}1сов не только на частоте пролета, но и на гармонических частотах ввиду того, что спектральные составляющие импульсов тока домена имеют значительную амплнтуду. Обычно обеспечить отсутствие резопапсных условий в достаточно щирокой полосе частот не удается ввиду наличия паразитных элементов корпуса диода. В настоящее в больщннстве случаев частоту нролета для диодов с VloL 10- см-- определяют из прибл1 женного соотношения

д

/пр

/по -

ij

где Уд - скорость дрейфа домена принимается независимой от поля и разной 10 см/сек для образцов с подвижностью в слабом поле Д1, 5000-6000 ем2/сек.

b,L принимается равной длине исходного образца GaAs без учета влияния контактов. Эффективную длину дрейфа доменов из-.ч; влияния контактов невозможно измерить. Приближенно Lni, оценивают как: ,,95/:. Этот метод дает погрешности в елучае раснространения его иа диоды с (0,5-н 2) 1012 см-2 т. е. когда скорость дрейфа домеиа значительно зависит от ириложенного ноля. На практике диоды Ганна изготавливают с По/. (0,) 102 см-2, иоскольку именно е такими значениями HoL диоды обеспечивают макеимальиый к. и. д. Цель нзобретеиия-увеличение точности измерения частоты пролета в конструктивно оформленных диодах Ганиа. Цель достигается тем, что диод Ганна номещают в нереетраиваемую по частоте колебательную систему е постоянной холодной добротиостью, подвергают диод Гаина сиихронизации малым сигналом при постоянном коэффициенте усиления в диапазоне частот, измеряют относительную полоеу снихронизацни; нри этом по частоте работы диода, на которой отиосительиая полоса синхроннзации имеет максимальное значение, судят об измеряемой частоте пролета. Вывод о соответствии частоты, на которой получено максимальное значение полосы синхронизации частоте пролета может быть сделан иа основе анализа проводимости диода Ганна. Реактивная проводимость диодов с По/. (0,) имеет емкостной характер во всем диапазоне суи1,ествовання отрицательной проводимости. Динамическая емкость образца GaAs резко изменяется в диапазоне частот и имеет ярко выраженный минимум на пролетной частоте. Кроме того, динамическая емкость обычно используемых в днапазоие СВЧ диодов Ганна имеет величину, сравнимую с распределенными реактивностями резонаторов сантиметрового дианазона. Поэтому в выражении для нагруженной добротности колебательной снетемы генератора, определяемой как /7 о (Сп + Ср + Сд) (JBH - где GH - проводимость нагрузки, приведенная в зажимах днода; Ср - распределительная емкость резонатора;Сп - паразитная емкость корпуса диода и элементов его крепления, входит претерпевающая сильное изменение в диапазоне частот величина Сд. Ясно, что нри постоянных в дианазоне частот Си, Ср и GH илц, точнее, при постоянной величине холодной добротности . l){Cn+ Сд) -ВН также будет иметь резко выраженный минимум на частоте нролета, а оиределяемая в соОТВе СТ1 111 с (1к)рМу, А/ л - Ози к л относительная ншрина полосы сннхронизацнн - максимальное значенне на тон же частоте, где /о - частота свободных колебаний генератора;Д/ - полоса сннхронизацин; PC - мощность сигнала синхроннзации; Р() - мощность генератора нри отсутствии синхросигнала; - -коэффициент усиления синхроннзируемого генератора. Регистрация максимального значения диапазоне частот позволяет определять частоту пролета /„,. Структуриые ехемы измерительиых установок, позволяюп1,нх регистрировать характеристики синхронизируемого генератора - , а также контролировать постоянство в диапазоне частот нагруженной холодной добротиости системы геиератора MO (Сп -г Cg) VBH - приведены па фиг. I и 2 соответственно, где 1 - генератор стандартных сигналов, используемый в качестве источника сигнала синхронизации, 2 - измеритель мощности, контролирующий мощность генератора 1, 3 - переключатель, 4 - циркулятор, служащий для развязкн ценей генератора 1 и генератора на диоде Ганна, 5 - генератор ца диоде Ганна, 6 - источник питания диода Гацна, 7, 8 - наиравленный ответвитель и анализатор спектра, позволяющий регистрировать процесс синхронизации; 9 - частотомер проходного типа, с помощью которого измеряются полоса синхронизации н частота генератора Ганна 5; 10 - измеритель мощности, контролирующий мощность генераторов Ганна; 11-измерительная лииия; 12 - регистрирующий прибор. Холодная добротность колебательной еиетемы генератора может быть измерена но структурной схеме фиг. 2 извеетными методами. Процесс измерения по схеме фиг. I заключается в следующем; в зависимости от выходной моп ностн генератора Ганна 5 задается такой уровень мощности генератора 1, чтобы р отнощение -- оставалось постоянным и доетаточно малым к - (10-20} dB. При данном -- измеряютея полоса синхронизации и частота rc icp;iToj)a i; отсутствие сигнала генератора 1.

Повторяя опиеанный процесс измерения для нескольких точек частотного дианазона, можД/ /f ч но нанти зависимость ф(/оп) где индекс

/о

п - указывает частотные точки работы генератора, на которых производится измерение. Экстремальное (максимальное) значение

Д/,

- соответствует частоте пролета /ь-р.

/о

Предлагаемый метод измерения частоты пролета электронов в GaAs в отличие от известных позволяет достаточно просто и с необходимой точностью определить ее непосредственно в резонансной цепи. Предлагаемый метод измерения может быть использован в качестве одного из основных при контроле параметров диода Ганна.

Синхронизации подвергался генератор, колеоательная система которого вынолнепа на основе короткозамкнутого отрезка волновода 23X10 ММ- Частотная перестройка в диапазоне 7,5-н11,5 ГГц оеуществлялась передвижным контактным поршнем, согласующие элементы типа niTbipeii, диафрагм - пе применялись.

Используемые диоды Ганна имели следующие параметры:

подвижпость в слабом поле i. CMV /в. сек;

длипа образца GaAs L (10- 11) 10 см;

произведение YloL (1-н1,5) 10-

сопротивление в слабом поле ом;

пороговое папряжеиие ,8 в; пороговый ток ма.

Известно, что для диодов используемого типа частота пролета может находиться в пределах 9,5-10,5 ГГц.

Все результаты эксперимента по определеПИЮ частоты пролета для диода с вышеуказанными параметрами приведены в таблице.

Общее изменение выходной мощности в диапазоие 2,5 ГГц, ие превышает 4dB. Частота пролета исследуемого диода равна частоте генерации ( ГГц), при которой относительная полоса синхронизации имеет максимальное значение.

Холодная добротность определяется при вставленном в резонатор диоде без подачи на иего напряжения смещения, т. е. с учетом всех паразитных параметров корпуса диод и элементов его крепления. Холодная добротность претерпевает изменение в диапазоне частот более чем в 2 раза, но это изменение не оказывает существениого влияния при определении частоты пролета диода.

Формула и 3 о б р е т е н и я Способ измерения частоты пролета электронов в диоде Ганна, основанный на включении диода в электрическую цепь и измерении частоты его генерации, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения, диод Ганна помещают в перестраиваемую по частоте колебательную систему с постоянной холодной добротностью, подвергают диод Ганна синхронизации малым сигналом при постоянном коэффициенте усиления в диапазоне частот, измеряют отиосптельную полосу спнхропизации и по частоте работы дпода, на которой отиосптельная полоса спнхронизацип имеет максимальное значенпе, судят об измеряемой частоте.