ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΜΙΚΡΟΚΥΜAΤΩΝ ΜΕ ΔΙΟΔΟ GUNN

Transcript

1 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΜΙΚΡΟΚΥΜAΤΩΝ ΜΕ ΔΙΟΔΟ GUNN Το φαινόμενο Gunn, ή το φαινόμενο των μεταφερόμενων ηλεκτρονίων, που ανακαλύφθηκε από τον Gunn το 1963 δηλώνει ότι όταν μια μικρή τάση DC εφαρμόζεται κατά μήκος του τμήματος ενός υλικού ημιαγωγού όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, αυτό εμφανίζει αρνητική αντίσταση κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Ο Gunn χρησιμοποίησε σε αυτή την περίπτωση αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) και φωσφορούχο ίνδιο (InP). Σχήμα 1 Από τη στιγμή που θα αναπτυχθεί αρνητική αντίσταση, μπορούν πολύ εύκολα να παραχθούν ταλαντώσεις συνδέοντας το στοιχείο αρνητικής αντίστασης σε ένα συντονισμένο κύκλωμα. Μια από τις απαιτήσεις στο να διατηρηθεί η κατάσταση της αρνητικής αντίστασης στα υλικά των ημιαγωγών είναι να κρατηθεί η τάση κατά μήκος του υλικού πάνω από τα 3000 V/cm. Το πιο κατάλληλο κύκλωμα συντονισμού που μπορεί να συνδεθεί στους ημιαγωγούς για μικροκυματικές συχνότητες είναι μια συντονισμένη κοιλότητα. Το φαινόμενο Gunn, το οποίο συμβαίνει μόνο σε υλικά ημιαγωγών τύπου n, είναι ένα αποτέλεσμα των ιδιοτήτων του ίδιου του ημιαγωγού. Έχει βρεθεί ότι οποιεσδήποτε παράμετροι που έχουν σχέση με την ένωση ή την επαφή όπως και με την τάση ή το ρεύμα δεν επηρεάζουν το φαινόμενο Gunn. Μόνο το ηλεκτρικό πεδίο απαιτείται να είναι πάνω από το κατώφλι για να διατηρείται η ταλάντωση. Η δίοδος Gunn δεν επηρεάζεται από το μαγνητικό πεδίο και επομένως δεν ανταποκρίνεται σε οποιεσδήποτε μαγνητικές μεταβολές. Η συχνότητα της ταλάντωσης καθορίζεται κυρίως από το χρόνο που τα ηλεκτρόνια, που έχουν την μορφή δέσμης, χρειάζονται για να διανύσουν το δοσμένο τμήμα του υλικού. 1

2 Αρνητική αντίσταση και φαινόμενο των μεταφερόμενων ηλεκτρονίων Οι ζώνες και τα επίπεδα ενέργειας του GaAS φαίνονται στο Σχήμα 2. Σημειώστε ότι αυτό το υλικό κατέχει μια κενή ζώνη ενέργειας στην κορυφή του ενεργειακού επιπέδου. Η μερικώς γεμάτη ενεργειακή ζώνη είναι κάτω από την κενή ζώνη. Όταν το υλικό έχει προσμίξεις υλικού τύπου n, υπάρχει ένα πλεόνασμα ηλεκτρονίων στο υλικό έτοιμο να κινηθεί όταν εφαρμοστεί τάση κατά μήκος της διόδου. Σχήμα 2 Το ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο είναι ανάλογο της τάσης και κατευθύνεται προς το θετικό άκρο του GaAS. Όσο υψηλότερη είναι η τάση, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα πράγμα που ισοδυναμεί σε θετική αντίσταση. Παρόλα αυτά όταν το επίπεδο της εφαρμοζόμενης τάσης φτάσει μια επαρκώς υψηλή τιμή, τα ηλεκτρόνια αντί να προσπαθήσουν να κινούνται ακόμη ταχύτερα, μεταφέρονται στην υψηλότερη ζώνη ενέργειας που είναι κενή και λιγότερο ευκίνητη. Ως αποτέλεσμα, η ροή του ρεύματος μειώνεται και εμφανίζεται η αρνητική αντίσταση. Η μεταφορά ηλεκτρονίων από ένα επίπεδο χαμηλής ενέργειας σε ένα υψηλότερο ονομάζεται φαινόμενο μεταφοράς ηλεκτρονίων. Εάν το επίπεδο της τάσης αυξηθεί ακόμη περισσότερο, η ευκινησία των ηλεκτρονίων στην ζώνη υψηλότερης ενέργειας αρχίζει να βελτιώνεται, καταλήγοντας σε ένα αυξημένο ρεύμα. Το φαινόμενο Gunn Η συχνότητα των ταλαντώσεων στο GaAS έχει να κάνει με τον σχημετισμό και τον μεταβατικό χρόνο που χρειάζονται τα ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν τις ηλεκτρονικές δέσμες. Το φαινόμενο της αρνητικής αντίστασης είναι ένας σημαντικός παράγοντας στην κατανόηση του ταλαντωτή Gunn, παρόλα αυτά μόνο του το φαινόμενο της αρνητικής αντίστασης δεν εξηγεί όλα όσα συμβαίνουν μέσα στον ταλαντωτή. Το άλλο σημαντικό στοιχείο είναι ο σχηματισμός των περιοχών Gunn. Το σύνολο των διαθέσιμων ελεύθερων ηλεκτρονίων που βρίσκονται στο GaAs εξαρτάται από την πυκνότητα της πρόσμιξής του. Καθώς η πυκνότητα της πρόσμιξης δεν είναι απαραίτητα 2

3 ομοιόμορφη, κατά μήκος του GaAS, υπάρχουν λιγότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκεί όπου η πυκνότητα πρόσμιξης είναι χαμηλή. Λιγότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια σημαίνουν μικρότερη αγωγιμότητα και επομένως, η διαφορά δυναμικού σε μια τέτοια περιοχή γίνεται μεγαλύτερη από ότι στην περιοχή όπου υπάρχουν περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Επομένως, καθώς η εφαρμοζόμενη τάση αυξάνεται τελικά το φαινόμενο της μεταφοράς ηλεκτρονίων συμβαίνει σε αυτή την περιοχή πρώτον εξαιτίας μιας επαρκούς τάσης που απολήγει σε μια κατάσταση αρνητικής αντίστασης. Το φαινόμενο που περιγράφεται παραπάνω θεωρείται ασταθές. Αυτό που συμβαίνει σε αυτή την περίπτωση είναι ότι καθώς τα ηλεκτρόνια αφαιρούνται από την κυκλοφορία με ένα πολύ γρήγορο ρυθμό, τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται μπροστά μετακινούνται γρήγορα προς τα εμπρός ενώ τα ευρισκόμενα πίσω σχηματίζουν δέσμες. Με αυτό τον τρόπο, όλο αυτό το φαινόμενο μετακινείται κατά μήκος της περιοχής και προς τη θετική άκρη με μια μέση ταχύτητα περίπου 107cm/sec. Καθώς το φαινόμενο της μεταφοράς των ηλεκτρονίων συμβαίνει με ένα τέτοιο τρόπο με την μετακίνηση των ηλεκτρονίων σε λιγότερο αγώγιμη υψηλότερη ενεργειακή ζώνη, λιγότερα ηλεκτρόνια μένουν πίσω στην ζώνη αγωγιμότητας, κάνοντας αυτή την περιοχή λιγότερο αγώγιμη. Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, αυτό προκαλεί την αύξηση της διαφοράς δυναμικού, προκαλώντας μετακίνηση του όλου φαινομένου. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται και το φαινόμενο λέγεται να είναι «αυτοεπαναλαμβανόμενο». Όταν το φαινόμενο αυτό φτάσει στην άνοδο της διόδου, εφαρμόζεται ένας παλμός στο σχετικό κύκλωμα συντονισμού, και έτσι καταλήγουμε στη δημιουργία ταλαντώσεων. Στην πραγματικότητα, οι ταλαντώσεις της διόδου Gunn προκαλούνται περισσότερο από τον παλμό που φτάνει στην άνοδο παρά από τις ιδιότητες αρνητικής αντίστασης της διόδου. Ο ταλαντωτής Gunn Ο ταλαντωτής Gunn που χρησιμοποιείται στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση φαίνεται στο Σχήμα 3: Σχήμα 3 3

4 Δίοδος PIN Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4(α), η δίοδος PIN αποτελείται από ένα λεπτό στρώμα μονωτικού υλικού που βρίσκεται ανάμεσα στα υλικά P και N, όπου οφείλεται και το όνομα δίοδος PIN. Η πυκνότητα των P και N είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή του μονωτικού. Σε περίπτωση αναστροφής πόλωσης η δίοδος PIN είναι μια διάταξη υψηλής αντίστασης και χωρητικότητας στις μικροκυματικές συχνότητες. Είναι μια διάταξη φαινομένου χιονοστιβάδας: κάτω από συνθήκη ορθής πόλωσης λαμβάνει χώρο το φαινόμενο χιονοστιβάδας στο μονωτικό υλικό, επιτρέποντας τη ροή των οπών από το υλικό P και των ηλεκτρονίων από το υλικό N. Με τον τρόπο αυτό το μονωτικό γίνεται αγώγιμο. Ένα ισοδύναμο κύκλωμα της διόδου PIN φαίνεται στο Σχήμα 4(β). Στα Σχήματα 4(γ) και 4(δ) το ισοδύναμο κύκλωμα είναι τροποποιημένο για να δείξει τα αποτελέσματα της πόλωσης. Σχήμα 4 Ο διαμορφωτής διόδου PIN έχει μια δίοδο συνδεδεμένη κατά μήκος ενός κυματοδηγού. Η δίοδος λειτουργεί ως διαμορφωτής όταν μεταβάλλονται οι συνθήκες πόλωσης εξαιτίας ενός σχετικά μεγάλου τετραγωνικού σήματος (χαμηλής συχνότητας) που εφαρμόζεται κατά μήκος της υπό την παρουσία ενός μικροκυματικού σήματος μέσα στον κυματοδηγό. Όταν η δίοδος είναι πολωμένη ανάστροφα δεν επηρεάζει τη ροή της ενέργειας. Πλήρης ή μερική αφαίρεση της ανάστροφης πόλωσης επιτρέπει στη δίοδο να ελέγχει την ροή ενέργειας. Αυτός ο τύπος του διαμορφωτή που χρησιμοποιεί το μονωτικό υλικό ανάμεσα στο P και το N προσφέρει εξαίρετα χαρακτηριστικά διαμόρφωσης εξαιτίας των ελαχιστοποιημένων 4

5 δραστηριοτήτων ανόρθωσης και δημιουργίας αρμονικών κατά τη διάρκεια της διαμόρφωσης. Φωρατής κρυστάλλου Ο φωρατής κρυστάλλου είναι μια διάταξη φώρασης μικροκυματικών σημάτων, βασισμένη στα χαρακτηριστικά του «τετραγωνικού νόμου». Οι δίοδοι κρυστάλλου επαφής σημείου γερμανίου ή πυριτίου είναι ο πιο γνωστός τύπος φωρατών κρυστάλλου. Μερικές φορές για την μικροκυματική φώραση χρησιμοποιείται και ένα bolometer παρόλο που αυτή η συσκευή χρησιμοποιείται κυρίως για μετρήσεις μικροκυματικής ισχύος. Ένα τυπικό κύκλωμα φωρατή κρυστάλλου και οι σχετικές χαρακτηριστικές καμπύλες παρουσιάζονται στα Σχήματα 5, 6(α) και 6(β). Στο Σχήμα 5, τα δύο φίλτρα (είσοδος υψιπερατό και έξοδος χαμηλοπερατό) είναι για να διαχωρίζουν τις μικροκυματικές συχνότητες από την έξοδο DC. Σχήμα 5 Σχήμα 6 5

6 Στο Σχήμα 6 ενδιαφερόμαστε για την εύρεση της σχέσης μεταξύ του ρεύματος και της τάσης της διόδου. Εν γένει οι καμπύλες όπως αυτές του σχήματος 2-3 μπορούν να προσεγγιστούν από τη σειρά Taylor εκφρασμένη σε όρους των δυνάμεων της τάσης. (1) Συνήθως οι τρεις πρώτοι όροι είναι επαρκείς για την προσέγγιση της όλης συνάρτησης. Εάν τη τάση εκφράζεται ως: V=Acosωt, όπου Α είναι το πλάτος και το ω είναι ίσο με 2πf, αντικαιιστώντας το V στην (1) προκύπτει: (2) Χρησιμοποιώντας: και (3) (4) τα χαρακτηριστικά του τετραγωνικού νόμου φαίνονται ξεκάθαρα. Στην εξίσωση (4) η συνιστώσα DC περιλαμβάνεται στον όρο Οι δεύτερες αρμονικές εκφράζονται ως Επομένως μπορούμε να πούμε ότι το ρεύμα στο φωρατή είναι ανάλογο προς το τετράγωνο του πλάτους Α της μικροκυματικής τάσης. Η αρχή αυτή ισχύει μόνο μέχρι ένα συγκεκριμένο επίπεδο σήματος. Σε υψηλότερα επίπεδα σήματος μπορεί να χρειαστούν περισσότεροι όροι στην (4) και η δίοδος δεν θεωρείται πλέον ως διάταξη τετραγωνικού νόμου. Επιπρόσθετα στο κύκλωμα του φωρατή του Σχήματος 5, η ίδια δίοδος μπορεί να εκφραστεί σε όρους ενός ισοδύναμου κυκλώματος. Εργαστηριακή Εκτέλεση Να μετρηθεί η ισχύς εξόδου της διόδου Gunn για διάφορες τάσεις πόλωσης (χαρακτηριστική τάσης πόλωσης-ισχύος εξόδου) με και χωρίς τη χρήση διόδου ΡΙΝ. 6