Прохоров Е. Д., Дядченко А. В., Мішньов А. А., Боцула О. В. Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна України, 61077, Харків, пл. Свободи 4 Тел.: (057) 705-12-62

Анотація – Експериментально досліджена спільна робота послідовно включених діодів Ганна в резонаторі 8-мм діапазону. Визначено умови, при яких можливе збільшення потужності при роботі зв’язки діодів і збільшення коефіцієнта корисної дії зв’язки діодів. Експериментально в 8мм-діапазоні на частотах 37,2 ГГц отримані потужності ~ 120 мВт від 2-х діодів Ганна, включених послідовно.

I.  Введення

Проблема, що розглядається в цьому звіті, це особливості спільної роботи послідовно включених діодів, які володіють ділянкою негативною диференціальної провідності (ОДП). Деякі окремі випадки були нами розглянуті раніше, вони стосувалися діодів Ганна (ДГ) працюючих спільно з тунельним діодом (ТД), резонансно-тунельним діодом (РТД), метал-діелектрик-напівпровідник (МДП) тунельним діодом [1 – 7]. Вивчення цих випадків спільної роботи виявило особливості їх вольтамперних характеристик, ділянки, недоступні вимірам, неоднозначність струму при заданому напрузі, перескоки по току при зміні напруги на діодах, зони генерації, обумовлені тунелюванням, резонансним тунелюванням і міждолинним переносом електронів.

Але є цілий ряд інших випадків, коли бажана спільна робота послідовно включених діодів одного типу (наприклад, діодів Ганна або тунельних діодів і т. д.). Скажімо, для діодів Ганна при послідовному включенні потрібно майже абсолютну рівність усіх параметрів – і струмів і напруг, і порогів генерації і т. д. Оскільки всі реальні прилади дещо відрізняються один від одного параметрами – Струмами, напругами, співвідношеннями струмів в максимумі і мінімумі і т. д., то виникає необхідність проаналізувати можливі варіанти співвідношень струмів і напруг в цих приладах, які необхідні для успішної роботи таких з’єднань приладів. У зазначених вище випадках спільної роботи діодів виконувалося співвідношення – максимальний струм через перший діод більше максимального струму, що протікає через діод, включеного з ним послідовно і мінімальний струм через перший діод більше мінімального струму через діод, включений з ним послідовно. Тому завжди виникали дві або три зони генерації. Якщо співвідношення струмів і напруг інші, то виникають ситуації, які ми і хочемо проаналізувати.

II.   Основна частина

При загальному аналізі необхідно розглянути послідовне включення приладів з ВАХ неоднозначними по напрузі (такими як у діодів Ганна).

При послідовному включенні діодів їх загальна ВАХ будується як сума напруг на діодах при постійному струмі через діоди. Загальна ВАХ діодів буде мати стільки ділянок ОДП скільки включено послідовно діодів (у нашому випадку розглядаються два діоди).

Ситуації можуть бути такими:

0. Всі параметри діодів рівні або дуже близькі один до одного, максимальний струм через перший діод дорівнює максимальному току через другий діод Jmaxi = Jmax2H рівні мінімальні струми через діоди після ділянки ОДП Jmini=Jmm2.

1. Максимальний струм через перший діод більше

максимального струму Через ДРУГИЙ ДІОД Jmax1> Jmax2n

мінімальний струм першого діода більше мінімального струму другого діода Jmin1>Jmin2.

2. Максимальний струм через перший діод більше максимального струму Через ДРУГИЙ ДІОД Jmax1> Jmax2n мінімальний струм першого діода менше мінімального струму другий діод Jmin1< Jmin2-

Рис. 1. Залежність потужності, що генерується діодами (1, 2) і одним з діодів в зв’язці, коли другий діод не працює (3).

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

Випадок 1. Параметри діодів і ВАХ діодів ідентичні. Максимальні і мінімальні струми через діоди однакові. Напруга на діодах дорівнює сумі напруг на кожному діоді. ВАХ діодів має одну ділянку ОДП при вдвічі більших напругах в порівнянні з одним діодом. Вихідна потужність повинна бути в два рази більше в порівнянні з потужністю при роботі одного діода.

Випадок 2. Параметри діодів відрізняються один від одного. Максимальні струми не тільки різняться за величиною, а й спостерігаються при різних напругах, мінімальні струми теж спостерігаються при різних напругах.

Випадок 3. Параметри діодів відрізняються один від одного. Максимальні струми не тільки різняться за величиною, але й можуть спостерігатися при різних напругах, мінімальні струми теж можуть спостерігатися при різних напругах, але і ті й інші знаходяться у відповідності з третьої ситуацією (див. вище).

цього напруга, при якому виникає генерація цих послідовно включених діодів, зростає приблизно в два рази (рис. 1, крива 3).

Нами експериментально досліджувалася робота послідовно включених діодів Ганна, які розраховані на роботу в 8-мм діапазоні довжин хвиль. Досліджувалися експериментальні зразки діодів, виготовлені в Проблемної лабораторії напівпровідникової техніки Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна та промислові зразки діодів Ганна. Експериментальні зразки GaAs-діодів Ганна працювали в безперервному режимі і при цьому мали наступні параметри: порогове напруга 2 В, порогові струми 1,2 – 1,25 А, вихідна СВЧ-потужність становила 60 – 80 мВт. Для кожного діода були зняті вольтамперні і вольт-ватні характеристики. Діоди порівнювалися і відбиралися за оптимальними характеристиками [8-10].

Експериментальна камера представляла собою відрізок 8-мм хвилеводу, який з одного боку приєднувався до вимірювального тракту, а з іншого боку до нього приєднувався КЗ-поршень для перебудови по частоті і за максимальною вихідний СВЧ-потужності. Діоди Ганна розміщувалися по середині широкої стінки хвилеводу (7,2 x3, 4 мм2) І могли переміщатися по перетину хвилеводу для погодження та отримання максимальних вихідних параметрів генерації.

Діоди працювали в безперервному режимі з повітряним охолодженням, оскільки при використаному нами способі включення теплоотвод був недостатньо ефективним, що приводило в ряді випадків до перегріву діодів.

У більшості випадків використані нами пари діодів за своїми параметрами відповідали другому і третьому випадках (див. вище) – у них відрізнялися порогові струми, порогові напруги і ставлення максимального струму через діод до мінімального току.

Якщо пороговий струм першого діода Ганна не набагато менше порогового струму другого діода Ганна, то при послідовному включенні діодів спочатку починає працювати перший діод з меншим граничним напруженням. При цьому другий діод являє собою послідовно включене опір, який зрушує порогове напруга зв’язки діодів в бік великих напруг. Природно, що і потужність, що генерується діодами, і коефіцієнт корисної дії виявляються меншими в порівнянні з тими ж параметрами, які отримуються від окремо працюючих діодів. Експериментальні результати показані на рис. 1. Другий діод в такій зв’язці може почати працювати в тому випадку, коли середній струм через послідовно включені діоди стане рівним пороговому току другого діода. Це можливо у випадку, коли в працюючому діоді розвивається ударна іонізація або коли йде інтенсивний розігрів активної області діода.

На рис. 1 показані залежності вихідний СВЧ-потужності від напруги живлення двох діодів Ганна з різними пороговими струмами (пороговий струм першого діода дорівнює 1,17 А, пороговий струм другого діода – 1,24 А). В цьому випадку починає генерувати НВЧ-потужність першої діод, а другий діод, включений послідовно, забирає на себе майже таке ж напругу як і працюючий діод. За

Рис. 2. Залежність сумарної потужності окремих діодів Ганна від сумарного напруги на них (1) і потужності генерується послідовно включеними діодами Ганна від напруги на них (2).

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

Т. оскільки в цьому випадку непрацюючий другий діод входить в навантаження першого діода, що генерується першого діода СВЧ-потужність виявляється менше.

Якщо параметри діодів рівні, через них протікають порогові струми відрізняються не більш, ніж на 1 – 2%, то послідовно включені діоди працюють одночасно. Частота генерації синхронізується більше високочастотним діодом (в нашому експерименті вона становила 37,54 ГГц), а сумарна вихідна СВЧ-потужність послідовно включених

2 – х діодів Ганна становила 120 мВт (коефіцієнт складання потужностей діодів порядку 0,9) (рис. 2).

III.   Висновок

В результаті проведених експериментальних досліджень спільної роботи послідовно включених діодів Ганна у резонансній системі 8 – мм діапазону (частота генерації НВЧ-потужності 37,54 ГГц), параметри яких відрізняються не більше 1-2%, показана можливість збільшення вихідної СВЧ-потужності генераторів мм-діапазону. У проведених експериментах з діодами Ганна 8-мм діапазону отриманий коефіцієнт складання вихідних потужностей близько 0,9, при загальній вихідний СВЧ-потужності послідовно включених 2-х діодів Ганна близько 120 мВт.

IV.   Список літератури

1. Боцула О. В.. Прохоров Е. Д. Ефективність роботи діода Ганна з n+-GaAs -AI0.2Ga0.eAs- n+-GaAs катодом / / Вісник Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна, Радіофізика і електроніка, 2002,

№ 544, вип.1, с. 159-161.

2. Боцула О. В.. Прохоров Е. Д. Тунельний n+-D-n+ катод до діода Ганна / / Радіофізика та електроніка, Харків, ІРЕ НАНУ, 2002, т. 7, № 2, с. 392 – 396.

3. Боцула О. В.. Прохоров Е. Д.. Стороженко І. П. Про спільну роботу резонансно-тунельного діода і діода з міждолинним переносом електронів / / Вісник Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна, Радіофізика і електроніка, 2002, № 570, вип. 2, с. 88 – 91.

4. Боцула О. В., Прохоров Е. Д. Особливості спільної роботи резонансно-тунельного діода і діода Ганна / / Радіофізика та електроніка, Харків, ІРЕ НАНУ, 2002, т. 7, № 3, с. 527 – 531.

5. Боцула О. В., Прохоров Е. Д. Спільна робота 2-х рівневого РТД і діода Ганна / / Радіофізика та електроніка, Харків, ІРЕ НАНУ, 2003, т. 8, № 1, с. 152 – 157.

6. Боцула О. В., Прохоров Е. Д. Спільна робота діода Ганна і тунельного діода / / Вісник Харківського Національного університету ім. В. Н. Каразіна, Радіофізика і електроніка, 2004, № 622, вип. 1, с. 50 -54.

7. Боцула О. В., Прохоров Е. Д. Імпедансний характеристики спільно працюючих діодів з ОДП / / Радіофізика та електроніка, Харків, ІРЕ НАНУ, 2004, т. 9, № 1, с. 51 -58.

8. Дядченко А. В., Мішньов А. А., Прохоров Е. Д., Полянський Н. Е. Широкосмугові генератори мм-діапазону на діодах Ганна / / 1-й Міжнародний радіоелектронний Форум «Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку », (МРФ’2002), Харків, 8-10 жовтня 2002 р. / / Збірник наукових праць, ч. 2, секція 6« Електронна техніка та технології », с. 426 – 429.

9. Дядченко А. В., Мішньов А. А., Прохоров Е. Д., Полянський Н. Е. Генератори мм-діапазону на GaAs-діодех Ганна / / 13-а Міжнародна конференція «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології». – Севастополь, 8 –

11 вересня 2003 – Матеріали конференції, с. 164-166.

10. Dyadchenko А. В., 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).

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»