Диод Ганна-принцип работы, генератор СВЧ на диодах Ганна

diod-ganna

В большинстве случаев диод Ганна рассматривается именно как разновидность диода, хотя в отличие от каноничной конструкции, p-n — переход у него по сути отсутствует. Другое название диода Ганна — прибор с объёмной неустойчивостью.

Ввиду обладания отрицательным дифференциальным сопротивлением, диоды данного типа зачастую используют как маломощный генератор, продуцирующий микроволны.

Диод Ганна структурирован так, что центральная (активная) часть состоит из слоя низколегитированного арсенида галия. По обе стороны от центрального компонента происходит наращение эпитаксиальных слоёв с высоколегитированным арсенидом галия. По толщине они составляют 8-10 мкм. Ещё в качестве материала для изготовления N-полупроводника может быть использован Индиевый Фосфид, а также соединения элементов 3–5 групп периодической таблицы.

diod-ganna

Рис 1 Структура диода Ганна

Центральная область зажимается между двух зон с омническими контактами. Эта мера направлена на обеспечение теплоотвода, помогает предотвратить перегрев и способствует большей долговечности диода.

Если вы задаётесь вопросом «Как проверить диод Ганна?», то нельзя забывать, что проверка элементов данного типа при помощи мультиметра невозможна. Диод Ганна проверяется с помощью стендов СВЧ.

Есть два типа диодов Ганна в смысле конструкции:

[google_font font=»Open Sans» size=»25″ weight=»400″ italic=»0″ letter_spacing=»» color=»#626262″ subset=»»]

  • Корпусный;
  • Бескорпусный.[/google_font]

Стандартный корпусный вариант характеризуется наличием металлокерамического диодного корпуса, обеспечивающего защиту от влияния внешних воздействий. В ситуациях, когда рабочая частота диода превышает 30 гигагерц, вместо керамического корпуса используется кварцевый и как можно более малогабаритный.

Немного об эффекте Ганна

Вышеназванное явление впервые обнаружил Джон Ганн в 60-е гг XX века. При проведении исследований, связанных с арсенидом галия, выявилось, что каждый опыт с данным материалом сопровождается характерными помехами.

diod-ganna

Рис 2 Движение электронов в диоде

Выявленный эффект было решено применить для создания сверхвысокочастотных электрических колебаний, превышающих пороговое значение, в условиях устойчивого электрического поля. При эффекте Ганна возникают сверхвысокие частоты (до нескольких гигагерц), это происходит, если уровень прилагаемого к конструкции напряжения выше находящегося в критической точке порогового значения.

Вольт-амперные характеристики диода Ганна

Есть несколько основных показателей, которыми обладает диод Ганна. ВАХ диода данного типа, в зоне с отрицательным сопротивлением, весьма напоминает ВАХ свойственные туннельному диоду. Таким образом, при первоначальном увеличении напряжения, сила тока также возрастает, но как только уровень напряжения придёт к пороговому значению происходит обратное. Область падения силы тока именуется областью с отрицательным сопротивлением.

diod-ganna

Основные характеристики диода Ганна

  1. КПД.

Уровень наибольшего значения по данному показателю не превышает 20-ти процентов. Увеличить его возможно применяя усложнённые колебательные системы. Во время беспрерывной работы КПД диода может снизится, если плохо налажен теплоотвод.

  1. Pвых (мощность выходная).

Ограничивается условиями электрических процессов. Как следствие, максимальная мощность прямо пропорциональна частоте. Если мощность достаточно велика, то размер амплитуды колебаний может быть сопоставлен с показателем постоянного диодного напряжения. При сравнительно низкой частоте максимальная выходная мощность находится в корреляции с тепловыми эффектами.

Устройство СВЧ генератора с диодом Ганна

Генератор с диодом Ганна способен продуцировать микроволны частотностью от десятков гигагерц до терагерц. Данный прибор с дифференциальным сопротивлением отрицательного характера носит название прибора электронного переноса и представляет собой вариант колебательного контура, сформированный диодом Ганна и подаваемым на него постоянным напряжением смещения (в зоне с отрицательным сопротивлением).

diod-ganna

Рис 3 Генератор СВЧ на диодах Ганна

В результате значение по общему уровню дифференциального сопротивления цепи достигает нулевой категории, поскольку сопротивление цепи положительного характера снижает уровень отрицательного диодного сопротивления и становится причиной образования колебаний.

Принцип работы диода Ганна

Трудно не отметить насколько специфичен диод Ганна. Принцип работы этого элемента следующий: условно в диоде Ганна имеется три энерго-области, причём 3-я область изначально пустует. Электроны, расположенные в области проводимости и обладающие крайне малым удельным электрическим сопротивлением, смещаются к третьей области ввиду того, что от напряжения, прилагаемого к диоду они начинают рассеиваться. Уровень подвижности в третьей области гораздо ниже, чем в зоне проводимости.

[idea]Если прямое напряжение возрастает, то степень напряжённости поля также растёт, а значит происходит снижение скорости и увеличение эффективной массы электронов, что влечёт за собой уменьшение силы тока. Как следствие, при увеличении напряжённости поля, происходит снижение скорости дрейфа.[/idea]

В катодном отделе формируется домен сильного поля, движущийся в сторону анодного отдела. Когда домен проникает в анод, происходит его разрушение, а сила тока снова увеличивается. Если постоянное значение напряжения будет поддерживаться и дальше, цикл формирования домена на катоде и его последующего разрушения будет неоднократно повторяться. Частотность циклов при этом определяется по толщине полупроводникового слоя, увеличение толщины ведёт к уменьшению частоты повторений.

При формировании резонансной системы с использованием диодов Ганна может применяться линия передач следующих типов:

  • Коаксиальная.

Простая с максимальным простором для перестроек механического и электрического направления. Подходит для частотных модуляций.

  • Волноводная.

Может использоваться как при сантиметровой, так и при миллиметровой амплитуде волны. При этом второй вариант даже более предпочтителен.

  • Микрополосковая.

Наибольшую перспективу представляют при использовании в бортовых приборах, поскольку они имеют меньшую стоимость и вес, а также демонстрируют высокую степень надёжности в сравнении с конструкциями с объёмными резонаторами. Хотя показания по мощности и КПД немного уступают.

Сферы использования

Применение диода Ганна особенно актуально в конструкции:

  • Генератора Ганна, создающего в результате частоты 5-35 гигагерц. Это необходимо для средств обеспечивающих радиосвязь, а также установок радиолокации военного и коммерческого назначения.
  • Датчика, используемого жд-сфере и созданного, чтобы выявлять нарушителей. Это необходимо для обеспечения безопасности и минимизации риска крушения железнодорожного транспорта.
  • Генератора СВЧ формирующего частоты на уровне в несколько сотен гигаГерц.
  • Детектора, обеспечивающего фиксацию вибрационного уровня на расстоянии, а также вращательной скорости тахометра.
  • Генератора сверхвысокочастотного тока импульсного типа.
  • СВЧ-передатчика, маломощного, формирующего СВЧ-радиоволны.
  • Датчиков, самого разнообразного назначения: открытие дверей; охранные приборы, располагаемые вдоль периметра; приборы, обеспечивающие безопасность пешеходного движения; уровневые датчики; фиксаторы уровня влажности. Полупроводниковый диод Ганна пригоден для создания приборов с самыми разнообразными функциями.

 

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

Электронщик. Ярчайший ресурс в Рунете связанный с автоматикой и электротехникой

Использование материалов сайта возможно при наличии активной ссылки на первоисточник. Связь с редакцией сайта:e-mail: bylira3@gmail.com |