Gunn二极管(最终)培训讲学.ppt

耿氏二极管 GunnDiode 又称体效应二极管 耿氏器件简介耿氏二极管结构工作原理典型应用 耿氏器件简介 耿氏效应 n型砷化镓两端电极上加以电压 当电压高到某一值时 半导体电流便以很高频率振荡 这个效应称为耿氏效应 耿氏器件 一种负阻半导体器件 可用它构成振荡器和放大器 由于耿氏器件是一块N型砷化镓晶体的半导体材料 其中没有结 故又将耿氏器件称为体效应器件 由于这种器件的工作机理基于转移电子效应 故也将这种器件称为转移电子器件 耿氏二极管结构 具有n n n GaAs结构 砷化镓材料具有多能谷结构 图7 39体效应二极管结构及其等效电路 如下图 R不是结电阻 而是负阻 C不是结电容 而是等效电容 Lp和Cp分别是封装电感和封装电容 Rs是半导体材料电阻和接触电阻 耿氏二极管结构及其等效电路 砷化镓 GaAs 和磷化铟 InP 等材料的薄层具有负阻特性 因而无需P N结就可以产生微波振荡 工作原理与通常由P N结组成的半导体器件不同 它不是利用载流子在P N结中运动的特性 而是利用载流子在半导体的体内运动的特性 是靠砷化镓等材料 体 内的一种物理效应工作的 所以这类器件被称为体效应二极管或耿氏二极管 以发明者Gunn命名 耿氏二极管工作原理 耿氏二极管工作原理 耿氏二极管的外特性是通过实验观察到的 若在一块N型砷化镓单晶的两端加上直流电压 如图3 9所示 当电压逐渐增加时 电流也跟着大 如图3 10中OA线段所示 这是正阻区 但是 当电压升到某一临界值Vm时 电流达到它的最大值Ith 随着电压的进一步增大 电流反而减小 这就是我们常讲的负阻现象 如图3 10中的AB线段所示 当电压增大到Vb以后 如果继续增大电压 电流又开始上升 进入另一正阻区 图中刚开始出现负阻时的电压Vm和电流Ith分别称之为阈值电压和阈值电流 从体效应管的电压 电流特性曲线显然看出 如果适当选择管的直流工作点 就可能利用它的负阻特性来产生高频振荡 耿氏二极管典型应用 微波振荡器 微波负阻振荡器是将直流能量转换成微波能量的一种装置 它是由微波有源器件和谐振腔组成的 上图给出了这种微波负阻振荡器的示意图 图中谐振腔中接有源器件 它的等效非线性阻抗是 为简单起见 将器件负阻 Rd单独提出来 而器件的电抗与外电路合并 假设谐振回路是单回路 并将合并后的电抗原件用LC表示 r为回路损耗电阻 RL为负载电阻 e t 为器件和电路产生的噪声电压 则等效电路可以用右图表示 耿氏二极管典型应用 微波振荡器 若将耿氐二极管装在谐振腔的适当位置上 只要在它的两端加上适当的直流电压 就可以在谐振腔内产生微波振荡 这就构成了微波负阻振荡器 由于谐振腔相当于集总电路的L0 R0 C0并联谐振电路 它与耿氏二极管组合起来就形成了如图3 12 a 的等效电路 其中图3 12 a 的左侧表示Gunn二极管等效电路 Cd和 Rd是有源区参数 Cd是Gunn管电荷区域的电容参数 Rd是在电场超过阈值后所呈现的负阻特性 C L是管壳及引线所呈现的分布参数 图3 12 a 右侧表示谐振腔等效电路 二极管具有负阻 Rd 而负载则是正电阻R0 由于 Rd与R0并联 它的电阻为 耿氏二极管典型应用 微波振荡器 进一步简化后就变成如图3 12 b 所示的等效电路 当直流电源刚接通时 如工作点选择恰当且能满足Rd R0的条件 则为负值 在这种情况下 噪声足以触发振荡 使振幅随时间而增长 但是 管阻 Rd是非线性的 随着振幅的增大的数值逐渐减小 当时 从式 1 不难看出 这就相当并联电阻开路 变成L 与C 所组成的无损耗回路 因此产生等幅振荡 谐振腔的作用是一方面可以调谐振荡波形使其接近正弦 另一方面把高频电磁能量收集在腔内 并通过耦合把高频能量送到负载上 式中为同轴线特性导纳 是短路同轴线长度 为振荡频率相对应的波长 同轴腔振荡器的优点是调谐范围宽 可达一个倍频程 缺点是电路损耗较大 频率高时结构设计较困难 一般只适用于厘米波波段 1 同轴腔振荡器如下图 分析其等效电路知其振荡平衡条件为 波导腔振荡器结构示意图 2 波导腔振荡器由于波导谐振腔比同轴谐振腔品质因数高 耗损也小 则波导腔振荡器具有较高的频率稳定度 且波导腔振荡器具有好的噪声性能 基于这两点 波导腔谐振器获得了广泛应用 它主要用于X波段以上的频段 3 微带振荡器 微带振荡器电路 这种微带振荡器结构简单 制作方便 缺点