Gunn二極管(最終)培訓講學.ppt

耿氏二極管 GunnDiode 又稱體效應二極管 耿氏器件簡介耿氏二極管結(jié)構(gòu)工作原理典型應用 耿氏器件簡介 耿氏效應 n型砷化鎵兩端電極上加以電壓 當電壓高到某一值時 半導體電流便以很高頻率振蕩 這個效應稱為耿氏效應 耿氏器件 一種負阻半導體器件 可用它構(gòu)成振蕩器和放大器 由于耿氏器件是一塊N型砷化鎵晶體的半導體材料 其中沒有結(jié) 故又將耿氏器件稱為體效應器件 由于這種器件的工作機理基于轉(zhuǎn)移電子效應 故也將這種器件稱為轉(zhuǎn)移電子器件 耿氏二極管結(jié)構(gòu) 具有n n n GaAs結(jié)構(gòu) 砷化鎵材料具有多能谷結(jié)構(gòu) 圖7 39體效應二極管結(jié)構(gòu)及其等效電路 如下圖 R不是結(jié)電阻 而是負阻 C不是結(jié)電容 而是等效電容 Lp和Cp分別是封裝電感和封裝電容 Rs是半導體材料電阻和接觸電阻 耿氏二極管結(jié)構(gòu)及其等效電路 砷化鎵 GaAs 和磷化銦 InP 等材料的薄層具有負阻特性 因而無需P N結(jié)就可以產(chǎn)生微波振蕩 工作原理與通常由P N結(jié)組成的半導體器件不同 它不是利用載流子在P N結(jié)中運動的特性 而是利用載流子在半導體的體內(nèi)運動的特性 是靠砷化鎵等材料 體 內(nèi)的一種物理效應工作的 所以這類器件被稱為體效應二極管或耿氏二極管 以發(fā)明者Gunn命名 耿氏二極管工作原理 耿氏二極管工作原理 耿氏二極管的外特性是通過實驗觀察到的 若在一塊N型砷化鎵單晶的兩端加上直流電壓 如圖3 9所示 當電壓逐漸增加時 電流也跟著大 如圖3 10中OA線段所示 這是正阻區(qū) 但是 當電壓升到某一臨界值Vm時 電流達到它的最大值Ith 隨著電壓的進一步增大 電流反而減小 這就是我們常講的負阻現(xiàn)象 如圖3 10中的AB線段所示 當電壓增大到Vb以后 如果繼續(xù)增大電壓 電流又開始上升 進入另一正阻區(qū) 圖中剛開始出現(xiàn)負阻時的電壓Vm和電流Ith分別稱之為閾值電壓和閾值電流 從體效應管的電壓 電流特性曲線顯然看出 如果適當選擇管的直流工作點 就可能利用它的負阻特性來產(chǎn)生高頻振蕩 耿氏二極管典型應用 微波振蕩器 微波負阻振蕩器是將直流能量轉(zhuǎn)換成微波能量的一種裝置 它是由微波有源器件和諧振腔組成的 上圖給出了這種微波負阻振蕩器的示意圖 圖中諧振腔中接有源器件 它的等效非線性阻抗是 為簡單起見 將器件負阻 Rd單獨提出來 而器件的電抗與外電路合并 假設(shè)諧振回路是單回路 并將合并后的電抗原件用LC表示 r為回路損耗電阻 RL為負載電阻 e t 為器件和電路產(chǎn)生的噪聲電壓 則等效電路可以用右圖表示 耿氏二極管典型應用 微波振蕩器 若將耿氐二極管裝在諧振腔的適當位置上 只要在它的兩端加上適當?shù)闹绷麟妷?就可以在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生微波振蕩 這就構(gòu)成了微波負阻振蕩器 由于諧振腔相當于集總電路的L0 R0 C0并聯(lián)諧振電路 它與耿氏二極管組合起來就形成了如圖3 12 a 的等效電路 其中圖3 12 a 的左側(cè)表示Gunn二極管等效電路 Cd和 Rd是有源區(qū)參數(shù) Cd是Gunn管電荷區(qū)域的電容參數(shù) Rd是在電場超過閾值后所呈現(xiàn)的負阻特性 C L是管殼及引線所呈現(xiàn)的分布參數(shù) 圖3 12 a 右側(cè)表示諧振腔等效電路 二極管具有負阻 Rd 而負載則是正電阻R0 由于 Rd與R0并聯(lián) 它的電阻為 耿氏二極管典型應用 微波振蕩器 進一步簡化后就變成如圖3 12 b 所示的等效電路 當直流電源剛接通時 如工作點選擇恰當且能滿足Rd R0的條件 則為負值 在這種情況下 噪聲足以觸發(fā)振蕩 使振幅隨時間而增長 但是 管阻 Rd是非線性的 隨著振幅的增大的數(shù)值逐漸減小 當時 從式 1 不難看出 這就相當并聯(lián)電阻開路 變成L 與C 所組成的無損耗回路 因此產(chǎn)生等幅振蕩 諧振腔的作用是一方面可以調(diào)諧振蕩波形使其接近正弦 另一方面把高頻電磁能量收集在腔內(nèi) 并通過耦合把高頻能量送到負載上 式中為同軸線特性導納 是短路同軸線長度 為振蕩頻率相對應的波長 同軸腔振蕩器的優(yōu)點是調(diào)諧范圍寬 可達一個倍頻程 缺點是電路損耗較大 頻率高時結(jié)構(gòu)設(shè)計較困難 一般只適用于厘米波波段 1 同軸腔振蕩器如下圖 分析其等效電路知其振蕩平衡條件為 波導腔振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖 2 波導腔振蕩器由于波導諧振腔比同軸諧振腔品質(zhì)因數(shù)高 耗損也小 則波導腔振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定度 且波導腔振蕩器具有好的噪聲性能 基于這兩點 波導腔諧振器獲得了廣泛應用 它主要用于X波段以上的頻段 3 微帶振蕩器 微帶振蕩器電路 這種微帶振蕩器結(jié)構(gòu)簡單 制作方便 缺點