Устройство для измерения параметров диода ганна

 

Изобретение относится к испытаниям полупроводниковых приборов и может быть использовано при исследованиях и разработке диодов Ганна. Техническим результатом является устранение возможности взаимодействия измеряемого диода с измерительной схемой. Устройство содержит стабилизирующие элементы, входные и выходные зажимы. Выходные зажимы подключены параллельно измерительному сопротивлению. Источник импульсного питания подключен к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко входу фильтра нижних частот. Выход фильтра нижних частот подключен к последовательной цепи, состоящей из диода Ганна и измерительного сопротивления. 2 ил.

Изобретение относится к измерению параметров диодов Ганна и может быть использовано при исследованиях и разработке диодов Ганна.

Применение в качестве генераторов СВЧ-диапазона новых полупроводниковых приборов - диодов Ганна - позволяет обойти некоторые ограничения, присущие полупроводниковым приборам других типов: расширить диапазон генерируемых частот, увеличить выходную мощность и т.д. С другой стороны, диодам Ганна присущи качества, характерные для всего класса полупроводниковых приборов: малые габариты и вес, низкая потребляемая мощность, высокая надежность и т.д. Поэтому диоды Ганна очень перспективны для использования в технике СВЧ.

В настоящее время установлено, что при включении диода Ганна во внешнюю схему возможна работа их в нескольких режимах (см., например, J.E.Carroll. The Radio and Electronic End., V.34, N1, July 1967, p.17-21). Оказалось, что режим работы диода определяется не только его электрофизическими и геометрическими параметрами, но и параметрами схемы, в которую включается диод. При этом схема в процессе взаимодействия с диодом воздействует на последний, заставляя его работать в том или ином режиме. Причем один и тот же диод при включении его в схемы с разными параметрами может работать в разных режимах, которым соответствуют разные частоты, разные уровни выходной мощности и т.д. Поэтому, чтобы характеризовать качество диода, производить расчет его выходных характеристик в режиме генерации и гарантировать его надежную работу в схеме, необходимо иметь устройство, которое позволяло бы измерять параметры диода, не влияя на них. Таких параметров у диода Ганна три:

1) сопротивление диода постоянному току при напряженности электрического поля между его электродами значительно меньше критического R₀,

2) время пролета доменов электрического поля между электродами диода Т_пр (или пролетная частота

3) пороговое напряжение Е_пор.

В литературе (см., например, G.S.Hobson, JEEE Transactions, v. ED-14, N9, 1967, p.529) описано устройство, с помощью которого могут быть измерены указанные параметры диодов Ганна. Однако из приведенного рисунка и описания видно, что способ, которым вносится затухание, необходимое для подавления возникающих в схеме мощных колебаний и исключения влияния схемы на диод, эффективно действует только на достаточно высоких частотах в диапазоне СВЧ. В области обычных радиочастот к электродам прибора подключается сопротивление, модуль которого может оказаться достаточно большим. Поэтому в такой схеме возможно возникновение достаточно больших переменных напряжений и, как следствие, измерительная схема может воздействовать на диод. Особенно сильно это явление проявляется при малых модулях отрицательного сопротивления диода. В этом случае достоверное и стабильное измерение параметров диода окажется невозможным.

Целью настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, т.е. устранение возможности взаимодействия измеряемого диода с измерительной схемой и измерение параметров диодов Ганна, которые не зависят от внешней схемы.

Поставленная цель достигается тем, что между входными клеммами устройства и электродами диода Ганна включается П-образный фильтр нижних частот, а импульсное напряжение на схему подается через трансформатор.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для измерения параметров диодов Ганна; на фиг.2 дано схематическое изображение конструкции устройства для измерения параметров диодов Ганна.

На фиг.1 сделаны следующие обозначения:

1 - диод Ганна; 2 - измерительное сопротивление, с помощью которого измеряется величина и анализируется форма тока через диод; 3 - индуктивность фильтра; 4 - емкости фильтра; 5 - первичная обмотка импульсного трансформатора; 6 - вторичная обмотка импульсного трансформатора; аа - входные клеммы устройства.

На фиг.2 показано следующее: 1 - диод Ганна; 2 - измерительное сопротивление; 3 - отрезок полосковой линии с большим волновым сопротивлением, образующий индуктивность фильтра; 4 - отрезки полосковой линии с низким волновым сопротивлением, образующие емкости фильтра; 5 - первичная обмотка импульсного трансформатора; 6 - вторичная обмотка импульсного трансформатора; аа - входные клеммы устройства; бб и вв - входные клеммы устройства (бб к каналу А осциллографа, вв - к каналу В осциллографа)

Для обеспечения между электродами диода режима, близкого к режиму короткого замыкания, волновое сопротивление и частота среза фильтра выбираются из условий

f_среза<f_{пролет.}, (II)

где ρ_Ф - волновое сопротивление фильтра,

L _Ф - индуктивность фильтра,

С_Ф - емкость фильтра,

|Rg-| - модуль отрицательного сопротивления измеряемого диода Ганна,

f_среза - частота среза фильтра, т.е. частота, выше которой его коэффициент передачи равен нулю,

f_пролет - пролетная частота диода Ганна.

При выполнении условий I и II на частотах выше f_среза между электродами диода будет осуществлен режим, близкий к режиму короткого замыкания. Однако в связи с тем, что диод Ганна обладает отрицательным сопротивлением вплоть до нулевых частот (см., например, А.Н.Jonson. Electronic Eng., April 1968, p.191) необходимо, чтобы и на частотах, меньших f_пролет, между его зажимами осуществлялся режим, близкий к режиму короткого замыкания. Этому условию можно удовлетворить в том случае, если индуктивность вторичной обмотки трансформатора выбрана из соотношения

2πf_среза·L_втор<|Rg-|, (III)

где L_втор - индуктивность вторичной обмотки трансформатора,

f_среза - частота среза фильтра нижних частот,

|Rg-| - модуль отрицательного сопротивления измеряемого диода Ганна.

Конструктивно устройство выполняется в виде единого блока. Для уменьшения паразитных параметров и исключения нежелательных резонансов в широком диапазоне частот используются методы, принятые при конструировании СВЧ-узлов. Входные и выходные клеммы аа, бб и вв (см. фиг.2) устройства выполнены в виде коаксиальных разъемов. Фильтр нижних частот 3, 4 (см. фиг.1, 2) изготавливается печатным способом на фольгированном диэлектрике. Измерительное сопротивление 2 (см. фиг.1, 2) для уменьшения его индуктивности набирается из нескольких включенных параллельно сопротивлений типа УНУШ. Для упрощения процесса измерений величина этого сопротивления выбирается достаточно малой. Например, при измерении диодов с сопротивлением 10-15 Ом измерительное сопротивление берется величиной 0,1-0,15 Ом. При этом падением напряжения на нем можно пренебречь. Измерение параметров диодов Ганна производится в импульсном режиме. Импульс от импульсного генератора подается на первичную обмотку 5 (см. фиг.1) импульсного трансформатора.

Измерение R ₀ производится следующим образом. Измеряется напряжение на клеммах - бб (см. фиг.2), которое приложено между электродами диода, и напряжение на клеммах - вв (см. фиг.2), пропорциональное току через диод.

Зная величину тока и напряжения вычисляется R₀. Измерение можно производить автоматически, если использовать двухкоординатный самописец, на Х-вход которого подавать напряжение с клемм - бб (см. фиг.2), а на У-вход напряжение с клемм - вв (см. фиг.2)

Пролетная частота измеряется при напряжении питания, превышающем критическое, с помощью наблюдения формы напряжения на клеммах вв (см. фиг.2) скоростным осциллографом (например, CI-39, CI-45, Tectronics 587, Hewlett-Packard 140-A и т.д.). Можно также напряжение с клемм - вв (см. фиг.2) подать на анализатор спектра (например, С4-5) и измерить частоту первой гармоники последовательности импульсов тока, возникающих в диоде. Частота первой гармоники равна пролетной частоте.

Пороговое напряжение определяется по точке перегиба V-А характеристики диода Ганна, снятой по точкам либо с помощью двухкоординатного самописца. Его можно также определить, измеряя напряжение, при котором возникает генерация импульсов тока через диод.

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров диода Ганна, содержащее стабилизирующие элементы, входные и выходные зажимы, отличающееся тем, что, с целью исключения взаимодействия диода Ганна с измерительной схемой и повышения стабильности измерений, источник импульсного питания подключен к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка упомянутого трансформатора подключена на вход ФНЧ, а выход указанного фильтра подключен к последовательно цепи; состоящей из диода Ганна и измерительного сопротивления, причем выходные зажимы подключены параллельно измерительному сопротивлению.

РИСУНКИ