SU533893A1

SU533893A1 - Method for measuring the frequency of the flight of electrons in the Gunn diode

Info

Publication number: SU533893A1
Application number: SU2090579A
Authority: SU
Inventors: Виктор Власович Раздобудько; Юрий Иванович Алексеев; Андрей Сергеевич Головкин; Владимир Александрович Малышев
Original assignee: Предприятие П/Я А-3565
Priority date: 1974-12-31
Filing date: 1974-12-31
Publication date: 1976-10-30

Description

1one

Изобретение относитс к полупроводниковой технике СВЧ, и, в частности, к технике, где диоды Ганна используютс в качестве активных элементов. Точное определение частоты пролета /„р в двухдолинпых полупроводниках имеет большое значение, поскольку абсолютно все методы расчета характеристик усилителей и генераторов на диодах Ганна используют /пр в качестве основной величины. Частоту пролета дл диодов с HoL ГШ см--, где По - концентраци электронов, L - длина образца GaAs, т. е. диодов субкритически легированных , определ ют, при известной L, путем измерени скорости дрейфа электронов V. Частота пролета в этом случае f - VThe invention relates to semiconductor microwave technology, and in particular, to a technique where Gunn diodes are used as active elements. Accurate determination of the frequency of flight / „p in two-valley semiconductors is of great importance, since absolutely all methods for calculating the characteristics of amplifiers and generators on Gunn diodes use / pr as the main quantity. The span frequency for diodes with HoL GSH cm--, where P is the electron concentration, L is the length of the GaAs sample, i.e., subcritically doped, the diodes are determined, with a known L, by measuring the electron drift velocity V. f - V

/пр - /etc -

Пзвестиые способы определени скорости дрейфа электронов (а следовательно, и частоты пролета электронов) чрезвычайно сложны, требуют применени специальной аппаратуры и вместе с тем ие обладают даже необходимой дл инженерной практики точностью: значепи , измеренные разнымн исследовател ми, значительно отличаютс друг от друга.The known methods for determining the electron drift velocity (and, therefore, the electron flight frequency) are extremely complicated, require the use of special equipment, and yet have even the accuracy required for engineering practice: the values measured by different researchers differ significantly from each other.

Кроме того, нри таком способе определени частоты пролета, последн не может быть определена в конструктивно оформленных циодах Ганна.In addition, with this method of determining the frequency of the span, the latter cannot be determined in structurally designed Gunn cyodes.

Частота пролета дл диодов с По , т. е. диодов суперкритически легированных , когда в образце GaAs существует домен сильного пол , быть определена вThe span frequency for diodes with Po, i.e., diodes supercritically doped, when a strong field domain exists in a GaAs sample, be determined in

коиструктнвно оформленных диодах Ганна при условии включени их в нерезонансную цепь. В этом случае с подачей на диод напр жени пптани измен етс частота генерации, иоследн приравниваетс к частоте пролета.self-designed Gunn diodes provided they are included in a non-resonant circuit. In this case, the generation frequency changes with the supply of the voltage to the diode and finally equals the frequency of the span.

В нерезонаисной цепи требуетс обеспечить отсутствие резона}1сов не только на частоте пролета, но и на гармонических частотах ввиду того, что спектральные составл ющие импульсов тока домена имеют значительную амплнтуду . Обычно обеспечить отсутствие резопапсных условий в достаточно щирокой полосе частот не удаетс ввиду наличи паразитных элементов корпуса диода. В насто щее в больщннстве случаев частоту нролета дл диодов с VloL 10- см-- определ ют из прибл1 женного соотношени In a non-resonant circuit, there is a need to ensure that there is no resonance not only at the frequency of the span, but also at harmonic frequencies, since the spectral components of the domain current pulses have a significant amplitude. It is usually impossible to ensure the absence of rezapapsny conditions in a sufficiently wide band of frequencies due to the presence of parasitic elements of the diode housing. In the majority of cases, the frequency of a nozzle for diodes with VloL 10-cm is determined from the approximate ratio

д d

/пр/etc

/по -/by -

ijij

где Уд - скорость дрейфа домена принимаетс независимой от пол и разной 10 см/сек дл образцов с подвижностью в слабом поле Д1, 5000-6000 ем2/сек.where Od is the domain drift velocity is assumed to be field independent and different 10 cm / s for samples with mobility in a weak field D1, 5000-6000 em2 / s.

b,L принимаетс равной длине исходного образца GaAs без учета вли ни контактов. Эффективную длину дрейфа доменов из-.ч; вли ни контактов невозможно измерить. Приближенно Lni, оценивают как: ,,95/:. Этот метод дает погрешности в елучае раснространени его иа диоды с (0,5-н 2) 1012 см-2 т. е. когда скорость дрейфа домеиа значительно зависит от ириложенного нол . На практике диоды Ганна изготавливают с По/. (0,) 102 см-2, иоскольку именно е такими значени ми HoL диоды обеспечивают макеимальиый к. и. д. Цель нзобретеии -увеличение точности измерени частоты пролета в конструктивно оформленных диодах Ганиа. Цель достигаетс тем, что диод Ганна номещают в нереетраиваемую по частоте колебательную систему е посто нной холодной добротиостью , подвергают диод Гаина сиихронизации малым сигналом при посто нном коэффициенте усилени в диапазоне частот, измер ют относительную полоеу снихронизацни; нри этом по частоте работы диода, на которой отиосительиа полоса синхроннзации имеет максимальное значение, суд т об измер емой частоте пролета. Вывод о соответствии частоты, на которой получено максимальное значение полосы синхронизации частоте пролета может быть сделан иа основе анализа проводимости диода Ганна. Реактивна проводимость диодов с По/. (0,) имеет емкостной характер во всем диапазоне суи1,ествованн отрицательной проводимости. Динамическа емкость образца GaAs резко измен етс в диапазоне частот и имеет рко выраженный минимум на пролетной частоте. Кроме того, динамическа емкость обычно используемых в днапазоие СВЧ диодов Ганна имеет величину , сравнимую с распределенными реактивност ми резонаторов сантиметрового дианазона. Поэтому в выражении дл нагруженной добротности колебательной снетемы генератора, определ емой как /7 о (Сп + Ср + Сд) (JBH - где GH - проводимость нагрузки, приведенна в зажимах днода; Ср - распределительна емкость резонатора; Сп - паразитна емкость корпуса диода и элементов его креплени , входит претерпевающа сильное изменение в диапазоне частот величина Сд. Ясно, что нри посто нных в дианазоне частот Си, Ср и GH илц, точнее, при посто нной величине холодной добротности . l){Cn+ Сд) -ВН также будет иметь резко выраженный минимум на частоте нролета, а оиредел ема в соОТВе СТ1 111 с (1к)рМу, А/ л - Ози к л относительна ншрина полосы сннхронизацнн - максимальное значенне на тон же частоте, где /о - частота свободных колебаний генератора; Д/ - полоса сннхронизацин; PC - мощность сигнала синхроннзации; Р() - мощность генератора нри отсутствии синхросигнала; - -коэффициент усилени синхроннзируемого генератора. Регистраци максимального значени диапазоне частот позвол ет определ ть частоту пролета /„,. Структуриые ехемы измерительиых установок , позвол юп1,нх регистрировать характеристики синхронизируемого генератора - , а также контролировать посто нство в диапазоне частот нагруженной холодной добротиости системы геиератора MO (Сп -г Cg) VBH - приведены па фиг. I и 2 соответственно, где 1 - генератор стандартных сигналов, используемый в качестве источника сигнала синхронизации , 2 - измеритель мощности, контролирующий мощность генератора 1, 3 - переключатель , 4 - циркул тор, служащий дл разв зкн ценей генератора 1 и генератора на диоде Ганна, 5 - генератор ца диоде Ганна, 6 - источник питани диода Гацна, 7, 8 - наиравленный ответвитель и анализатор спектра, позвол ющий регистрировать процесс синхронизации; 9 - частотомер проходного типа, с помощью которого измер ютс полоса синхронизации н частота генератора Ганна 5; 10 - измеритель мощности, контролирующий мощность генераторов Ганна; 11-измерительна лиии ; 12 - регистрирующий прибор. Холодна добротность колебательной еиетемы генератора может быть измерена но структурной схеме фиг. 2 извеетными методами. Процесс измерени по схеме фиг. I заключаетс в следующем; в зависимости от выходной моп ностн генератора Ганна 5 задаетс такой уровень мощности генератора 1, чтобы р отнощение -- оставалось посто нным и доетаточно малым к - (10-20} dB. При данном -- измер юте полоса синхронизации и частота rc icp;iToj)a i; отсутствие сигнала генератора 1.b, L is assumed to be equal to the length of the initial GaAs sample without taking into account the influence of the contacts. The effective length of the domain drift due to .h; Contact influence cannot be measured. Approximately Lni, is rated as: ,, 95 / :. This method gives an error in the occurrence of the propagation of its diodes with (0.5 ± 2) 1012 cm – 2, i.e., when the house drift velocity significantly depends on the decomposed zero. In practice, Gunn diodes are made with Po /. (0,) 102 cm-2, and since it is precisely such values of HoL, the diodes provide the maximum impedance. And. The purpose of the invention is to increase the accuracy of measuring the frequency of the span in structurally designed Gania diodes. The goal is achieved by placing the Gunn diode into a non-frequency oscillatory system with a constant cold goodness, putting a Gain diode synchronized with a small signal at a constant gain in the frequency range, measuring relative heat loss; In this case, the frequency of the diode, at which the synchronization band has the maximum value, is judged on the measured frequency of the span. The conclusion about the correspondence of the frequency at which the maximum value of the synchronization band is obtained to the frequency of the span can be made based on the analysis of the conductivity of the Gunn diode. Reactive conductivity of diodes with Po /. (0,) has a capacitive character in the entire range of sui1, which is equivalent to negative conductivity. The dynamic capacitance of a GaAs sample varies dramatically in the frequency range and has a pronounced minimum at the transit frequency. In addition, the dynamic capacitance of Gann microwave diodes commonly used in the field of radiation has a value comparable to the distributed reactivity of centimeter-dianzonon resonators. Therefore, in the expression for the loaded quality factor of the oscillatory generator bore, defined as / 7 о (Cp + Cp + Cd) (JBH - where GH is the load conductivity given in the terminals; Cp is the resonator distribution capacitance; Cp is the parasitic capacitance of the diode case and of its fastening elements, the quantity Sd undergoes a strong change in the frequency range. It is clear that Cu, Cp and GH frequencies, which are constant in the frequency range, or, more precisely, at a constant value of cold Q. l) {Cn + Cd) -BH will also have pronounced minimum on the frequency nrol e, and oemit ema in sOTVE ST1 111 with (1k) pMu, A / l - Ozi to l relative to the width of the band, snc, synchronization - the maximum value per tone of the same frequency, where / o is the frequency of free oscillations of the generator; D / - band snnokhronizatsin; PC is the synchronization signal power; Р () is the generator power when there is no clock signal; - - gain factor of synchronized generator. The recording of the maximum value of the frequency range allows the determination of the frequency of the span, ". Structural exams of measuring installations, allowing Jn1, Nx to register the characteristics of a synchronized generator - and also to control the constancy in the frequency range of the loaded cold goodness of the MOE system (Cr – Gg) VBH - are shown in fig. I and 2, respectively, where 1 is a standard signal generator used as a source of synchronization signal, 2 is a power meter that controls generator power 1, 3 is a switch, 4 is a circulator that serves to isolate generator 1 and a generator on a Gunn diode , 5 — generator of the Gunn diode, 6 — power supply of the Garcin diode, 7, 8 — direct coupler and spectrum analyzer, allowing to register the synchronization process; 9 is a pass type frequency meter with which the synchronization band is measured and the frequency of the Gunn oscillator 5; 10 - power meter controlling the power of Gunn generators; 11 measuring lines; 12 - recording device. The cold quality of the oscillatory system of the generator can be measured but the block diagram of FIG. 2 known methods. The measurement process according to the scheme of FIG. I is as follows; depending on the output power of the Gunn generator 5, the power level of the generator 1 is set so that the ratio p remains constant and small enough to - (10-20} dB. At this, the sync band and frequency rc icp are measured; iToj ) ai; no signal generator 1.

Повтор опиеанный процесс измерени дл нескольких точек частотного дианазона, можД/ /f ч но нанти зависимость ф(/оп) где индексRepeat the measurement process for several points of frequency dianazone, you can / / f h but the dependence of f (/ o) where index

/о/about

п - указывает частотные точки работы генератора , на которых производитс измерение. Экстремальное (максимальное) значениеn indicates the frequency points of the generator at which the measurement is made. Extreme (maximum) value

Д/,D /,

- соответствует частоте пролета /ь-р.- corresponds to the frequency of flight / l.

/о/about

Предлагаемый метод измерени частоты пролета электронов в GaAs в отличие от известных позвол ет достаточно просто и с необходимой точностью определить ее непосредственно в резонансной цепи. Предлагаемый метод измерени может быть использован в качестве одного из основных при контроле параметров диода Ганна.The proposed method of measuring the frequency of the passage of electrons in GaAs, in contrast to the known ones, makes it possible to determine it simply and with the necessary accuracy directly in the resonant circuit. The proposed measurement method can be used as one of the main parameters for monitoring Gunn diode parameters.

Синхронизации подвергалс генератор, колеоательна система которого вынолнепа на основе короткозамкнутого отрезка волновода 23X10 ММ- Частотна перестройка в диапазоне 7,5-н11,5 ГГц оеуществл лась передвижным контактным поршнем, согласующие элементы типа niTbipeii, диафрагм - пе примен лись.The generator was synchronized; its wavelength system based on the short-circuited 23X10 MM-waveguide segment. The frequency tuning in the 7.5-n11.5 GHz range was implemented by a mobile contact piston, matching niTbipeii elements, and diaphragms were not used.

Используемые диоды Ганна имели следующие параметры:Used Gunn diodes had the following parameters:

подвижпость в слабом поле i. CMV /в. сек;mobility in a weak field i. CMV / v. sec;

длипа образца GaAs L (10- 11) 10 см;the length of the sample GaAs L (10-11) 10 cm;

произведение YloL (1-н1,5) 10- the product YloL (1-n1, 5) 10-

сопротивление в слабом поле ом;resistance in a weak field;

пороговое папр жеиие ,8 в; пороговый ток ма.threshold threshold, 8 v; threshold current ma.

Известно, что дл диодов используемого типа частота пролета может находитьс в пределах 9,5-10,5 ГГц.It is known that for diodes of the type used, the span frequency can be in the range of 9.5-10.5 GHz.

Все результаты эксперимента по определеПИЮ частоты пролета дл диода с вышеуказанными параметрами приведены в таблице.All the results of the experiment on determining the frequency of the span for the diode with the above parameters are shown in the table.

Общее изменение выходной мощности в диапазоие 2,5 ГГц, ие превышает 4dB. Частота пролета исследуемого диода равна частоте генерации ( ГГц), при которой относительна полоса синхронизации имеет максимальное значение.The overall change in output power in the 2.5 GHz band, does not exceed 4dB. The span frequency of the diode under study is equal to the generation frequency (GHz) at which the relative synchronization band has the maximum value.

Холодна добротность определ етс при вставленном в резонатор диоде без подачи на иего напр жени смещени , т. е. с учетом всех паразитных параметров корпуса диод и элементов его креплени . Холодна добротность претерпевает изменение в диапазоне частот более чем в 2 раза, но это изменение не оказывает существениого вли ни при определении частоты пролета диода.Cold Q is determined when a diode is inserted into the resonator without a bias applied to its voltage, i.e., taking into account all the parasitic parameters of the diode body and its mounting elements. Cold Q has a change in the frequency range of more than 2 times, but this change does not have a significant effect in determining the frequency of the diode span.

Формула и 3 о б р е т е н и Способ измерени частоты пролета электронов в диоде Ганна, основанный на включении диода в электрическую цепь и измерении частоты его генерации, отличающийс тем, что, с целью увеличени точности измерени , диод Ганна помещают в перестраиваемую по частоте колебательную систему с посто нной холодной добротностью, подвергают диод Ганна синхронизации малым сигналом при посто нном коэффициенте усилени в диапазоне частот , измер ют отиосптельную полосу спнхропизации и по частоте работы дпода, на которой отиосптельна полоса спнхронизацип имеет максимальное значенпе, суд т об измер емой частоте.Formula and 3 sets. A method for measuring the frequency of the passage of electrons in a Gunn diode, based on the inclusion of a diode in an electrical circuit and measuring its generation frequency, characterized in that, in order to increase the measurement accuracy, a Gunn diode is placed in a tunable the frequency of the oscillating system with a constant cold Q, subjected to a Gunn diode of synchronization with a small signal at a constant gain in the frequency range, the otooscent band is measured and measured according to the frequency of dp operation, in which Tel'nykh spnhronizatsip strip has a maximum znachenpe, judged on the measured frequency.