Генерація та помноження частоти напівпровідниковими діодами з тунельними межами Виконала Ольга Олександрівна Клименко

Рис.1 Планарная структура диода с боковой p+-n+ ТГ на эпитаксиальной пленке n-GaAs, выращенной на полуизолирующей подложке

Рис.2 Структура типа «сендвич» на сильнолегированной подложке n+- GaAs при прямом включении ТГ.

Общий ток через диод I 0 (U) в одномерном приближении состоит из тока через туннельную I ТГ (U) границу и тока через промежуток анод-катод I А-К (U): (1) (2) Ток представляет собой туннельный ток n+-p+ перехода, который может быть записан в виде: (3) Ток может быть записан и в виде аппроксимации: (4)

Рис. 3 Эквивалентная схема диода с боковой p+- n+ ТГ.

Вольтамперная характеристика диода (ВАХ) на постоянном токе и напряжении следует из эквивалентной схемы: (5) (6) (7) (8) КПД генерации определяется в виде: (9)

Рис.4. Вольтамперные характеристики при прямом включении диода с ТГ при R 1 =10 Ом и различных R 2 : 1 – 0,01 Ом, 2 – 0,5 Ом, 3 – 0,9 Ом.

Рис.5 Эффективность генерации при прямом включении диода с ТГ при R 1 =10 Ом и различных R 2 : 1 – 0,01 Ом, 2 – 0,5 Ом, 3 – 0,9 Ом.

Рис.6 Вольтамперные характеристики при прямом включении диода с ТГ при R 2 =0,5 Ом и различных R 1 : 1 – 5 Ом, 2 – 10 Ом, 3 – 20 Ом.

Рис.7 Эффективность генерации при прямом включении диода с ТГ при R 2 =0,5 Ом и различных R 1 : 1 – 5 Ом, 2 – 10 Ом, 3 – 20 Ом.

С увеличением частоты ток, протекающий через сопротивление, определяется из трансцендентного уравнения: (10) Уравнение для ВАХ диода с ТГ запишется в виде: (11)

Рис.8 Зависимости тока через диод с ТГ от напряжения на диоде на различных частотах: 1 – 2 ГГц, 2 – 40 ГГц, 3 – 120 ГГц.

Рис. 9 Зависимость эффективности генерации от частоты при емкостях: 1 – 0,1 пФ, 2 – 1 пФ.

Любую гармонику можно выделить, поместив диод с ТГ в сложный резонатор, состоящий из резонатора настроенного на первую гармонику и резонатора на n-ю гармонику. В этом случае на диоде с ТГ действует напряжение: (12) Постоянная составляющая и амплитуда n-ой гармоники тока определяются по формулам: (13) (14) Эффективность генерации на первой и n -ой гармониках: (15)

Рис.10 Эффективность генерации на первой и второй гармониках при R 2 = 0,5 Ом: 1 - первая гармоника R 1 = 20 Ом, 2 – первая гармоника R 1 = 10 Ом, 3 – вторая гармоника R 1 = 20 Ом, 4 - – вторая гармоника R 1 = 10 Ом

В режиме умножения на диод подается сигнал с определенной частотой и амплитудой: Коэффициент преобразования частоты КПЧ или коэффициент полезного действия определяется в виде: (16) (17)

Рис.11 Зависимость КПЧ на второй и третьей гармониках от амплитуды на первой гармонике при U 2 =0,3 U1 и U 0 =0,05 при R 2 = 0,1 Ом и R 1 = 20 Ом: 1 - вторая гармоника, 2 – третья гармоника.

Спасибо за внимание!