Преобразователь напряжение-частота на основе электрического домена Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ТЭТТЭР Александр Юрьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры теоретической электротехники Омского государственного университета путей сообщения. Адрес для переписки: te@omgups.ru ТЭТТЭР Владимир Юрьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), начальник научно-исследо-

вательского отдела ООО «НПК «Энергосервис-Резерв», г. Омск.

Адрес для переписки: tetterv@mail.ru

Статья поступила в редакцию 07.12.2016 г. © А. Ю. Тэттэр, В. Ю. Тэттэр

УДК 621.317.39

Л. И. ЧЕРЕДОВ Л. В. ЩЕЛКЛНОВ

Омский государственный технический университет, г. Омск

ПРЕОБРЛЗОВЛТЕЛЬ НЛПРЯЖЕНИЕ—ЧЛСТОТЛ НЛ ОСНОВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДОМЕНЛ_

Показана возможность построения преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) н а основе электрического домена. Приводятся результаты экспериментальных исследований ПНЧ. Чувствительный элемент ПНЧ н а основе электрического домена выполнялся из арсенида галлия (GaAs). Диапазон преобразования составлял единицы вольт и лежал в пределах от (7—8) до 10 вольт. Чувствительность ПНЧ в этом диапазоне достигала (7-10) МГц/В.

Ключевые слова: измерительный преобразователь, эффект Г анна, частотный выходной сигнал, чувствительность, полупроводник.

С каждым годом возрастают требования к средствам измерения и контроля и их функциональным узлам по быстродействию, чувствительности, погрешности. В настоящее время удовлетворить эти требования на основе известных принципов и применяемой элементной базе в ряде случаев затруднительно. Одним из возможных путей улучшения характеристик средств измерений является применение для их построения новых физических принципов и эффектов. Неотъемлемым узлом измерительного прибора какой-либо физической величины является первичный измерительный преобразователь (ИП), который преобразует непосредственно воздействующую на него измеряемую физическую величину в другую величину или измерительный сигнал. Следует отметить, что весьма перспективным представляется создание ИП, выходным сигналом которых является изменение частоты электрических колебаний. Подобные преобразователи обладают рядом достоинств, к которым можно отнести: 1) частотный сигнал наиболее просто может быть представлен в виде цифрового кода; 2) высокую помехозащищенность сигнала, что обусловливает малые потери информации при передаче по различным линиям связи; 3) высокую точность измерения частоты и др.

В связи с этим большой практический интерес представляют ИП, в которых осуществляется прямое преобразование аналоговой входной величины в частоту переменного электрического сигнала (напряжения или тока).

Исследования различных неустойчивостей в твердых телах, в частности неустойчивостей в электронно-дырочной плазме полупроводников [1], показывали, что при возникновении некоторых типов неустойчивости в полупроводниковых образцах в них самопроизвольно возбуждаются колебания электрического тока. Примером такой неустойчивости является осциллисторный эффект [2], заключающийся в возникновении колебаний тока в полупроводниковом образце, помещенном в продольные электрическое и магнитное поля, напряженности которых превышают некоторые пороговые значения. Частота этих колебаний зависит от многих факторов, что позволяет построить измерительные преобразователи, в которых осуществляется непосредственное преобразование измеряемой величины в частоту колебаний напряжения или тока [3].

В 1963 году Дж. Ганн обнаружил явление возникновения колебаний тока в полупроводниках группы АШ-БУ при приложении к ним постоянного напряжения [4], которое позднее получило название «эффект Ганна». Данный эффект наблюдается в различных полупроводниковых соединениях, таких как ар-сенид галлия СаАз, фосфид индия 1пР, твердых растворах СаАз—СаР, СаАз—А1А8 и др. Позднее, с помощью экспериментов, в которых зондом измерялось распределение электрического потенциала по образцу во время когерентных колебаний, было показано, что эти колебания связаны с периодическим образованием и распространением по образцу узкой области очень сильного электрического поля — элек-

трического домена [5]. Образование домена начинается у катода и продолжается в течение некоторого времени при движении его по образцу. Полностью сформировавшись, домен продолжает двигаться по образцу до тех пор, пока, достигнув анода, не исчезает. В это время на катоде начинает образовываться другой домен, и процесс повторяется. Свойства домена существенно отличаются от свойств остальной части образца. Механизм образования домена обусловлен наличием дрейфовой нелинейности подвижности носителей заряда |1=|т (Е), приводящей к наличию отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) пространственно-однородной системы [6]. Домен возникает при приложении к однородному полупроводниковому образцу такого электрического напряжения, при котором средняя напряженность поля соответствует падающей части вольт-амперной характеристики (ВАХ) и превышает некоторое пороговое значение (например, для СаЛБ область ОДП начинается с полей порядка 300 кВ/м). Во время формирования домена ток в образце падает и остается неизменным после формирования домена и во время его движения по образцу. При исчезновении домена на аноде плотность тока в образце увеличивается. Процесс формирования и исчезновения домена повторяется, и, таким образом, повторяющийся процесс формирования и исчезновения домена обусловливает возникновение колебаний протекающего по образцу тока. Исходя из ВАХ, можно получить приближенное выражение для пороговой напряженности электрического поля, которое имеет вид:

Еп

кТ

дгрт ,

(1)

где д — заряд электрона; к — постоянная Больцмана; е — диэлектрическая проницаемость; т — подвижность; р — удельное сопротивление образца в слабом поле.

Из выражения (1) видно, что значение порогового поля зависит от параметров образца, в частности от удельного сопротивления р.

Частота колебаний определяется скоростью движения домена и длиной образца:

/ @ V.,

Ь

(2)

Ур = т |1 - т

1+ ю

ю„_

(3)

где т0 — подвижность в точке нулевого наклона ВАХ; т — параметр, вычисляемый по отношению омического тока к фактическому току в точке нулевого

наклона ВАХ; юс=ст0/(ее0) — частота диэлектрической релаксации; ст0 — проводимость образца в слабом поле; юёа=(|тЕ)2/Б — диффузионная частота; Б — коэффициент диффузии.

Выражение (3) справедливо для случая, когда Е = Е0, где Е0 — электрическое поле в точке нулевого наклона ВАХ; Е — текущее поле.

В более общем случае выражение для фазовой скорости может быть представлено в виде:

= т0 Х0(т-1) х

Р т - 1 + Х т

тХ 0т - 2 т - 1 + Хт

4юс

Хх

0 ёа

(4)

Следует отметить, что в высокоомных образцах юс/юёа << 1 и выражение (4) для фазовой скорости может быть аппроксимировано соотношением:

Е

уР =т 0 —К0, (5)

Е 0

где К0=Е(Е0) — параметр, зависящий от поля.

Из волновой теории известно, что частота ю, фазовая скорость Ур волны и ее волновой вектор К, совпадающий с направлением распространения волны, связаны соотношением:

ю=КУ.

р

(6)

Используя модель малосигнальной теории, было получено, что характер изменения частоты от напряженности электрического поля зависит от удельного сопротивления образца. В низкоомных образцах частота сначала несколько возрастает при увеличении напряженности электрического поля, а затем, проходя через максимум, монотонно уменьшается. В высокоомных образцах частота монотонно уменьшается с увеличением напряженности электрического поля.

Для низкоомных образцов выражение для частоты может быть представлено в виде:

f = 1

= тЕ0 (т - 1Х

I \т - 1 + Х0т

где Ь — длина образца; Уё — дрейфовая скорость домена (например, дрейфовая скорость домена в СаЛ8» 105 м/с), совпадающая с дрейфовой скоростью электронов вне домена.

Дрейфовая скорость электронов в области ОДП убывает с ростом напряженности электрического поля и, соответственно, приложенного к образцу напряжения. Поэтому частота колебаний тока должна уменьшаться с ростом приложенного к образу напряжения.

Используя простую модель малосигнальной теории, предложенной Энгельманом и Куэйгом [7], можно получить выражение для фазовой скорости Ур нарастающей волны, которое может быть представлено в виде:

1-

тХ 0

т - 1 + Х0т

Юё,

4юг

(7)

В случае высокоомного образца, учитывая соотношение, связывающее частоту, фазовую скорость и волновой вектор, совпадающий с направлением распространения волны, а дрейфовая скорость равна:

Уё=тЕ

(8)

выражение для зависимости частоты генерации от напряженности электрического поля может быть представлено в виде:

[ X0 [(т -1) + Х0т ]-',

(9)

где Х0 = Е/Е0 — нормализованная напряженность электрического поля; Е0 — напряженность поля в точке нулевого наклона ВАХ; Е — текущее поле.

Так как электрическое поле в образце создается приложенным к нему напряжением, то частота колебаний тока будет зависеть от напряжения. Это свойство эффекта Ганна указывает на возможность

ю

с

х

ю

ёа

х

1/ 2

+

х

Х02Юёа

Рис. 1. Зависимость частоты генерации от напряжения

его использования для построения ПНЧ. На рис. 1 приведены экспериментальные зависимости частоты от приложенного напряжения для нескольких образцов из GaAs.

Приведенные результаты исследований показывают возможность создания преобразователей напряжение—частота (ПНЧ) на основе электрического домена.

Экспериментальные исследования ПНЧ на основе электрического домена (эффекта Ганна) показали, что чувствительность ПНЧ достигает 7 МГц/Б. Диапазон преобразования составляет несколько вольт. (В исследованных ПНЧ — от одного до трех вольт). Начальное значение частоты определяется размерами чувствительного элемента ПНЧ и может составлять единицы — десятки гигагерц. Низкое значение входного сопротивления ПНЧ на эффекте Ганна обусловливает необходимость его включения в измерительную цепь с большим входным сопротивлением.

Библиографический список

1. Ancker-Johnson, Betsy. Some Plasma Effects in Semiconductors. Nuclear Science. 1967. Vol. 14. P. 27 — 39.

2. Larrabee R. D., Steel M. C. Oscillistor — New Type Semiconductor Oscillator. // J. Appl. Phys. 1960. Vol. 31. № 9. P. 1519 — 1523.

3. Чередов А. И., Щелканов А. В. Частотные преобразователи на основе осциллистора // Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2014: тр. XII Междунар. науч.-техн. конф. Новосибирск: НГТУ, 2014. Т. 4. С. 133—135.

4. Gunn J. B. Microwave Oscillation of Current in III-V Semiconductors // Solid State Commun. 1963. Vol. 1. № 4. P. 88-91.

5. Gunn J. B. Instabilities of current in III-V Semiconductors // IBM Jorn. Res. Dev. 1964. Vol. 8. № 2. P. 141-159.

6. Redley B. K., Watkins T. V. The possibility of negative resistance // Proc. Phys. Soc. 1961. Vol. 78. № 8. P. 293-304.

7. Engelmann R. W. H., Quate C. F. Linear, or «Small-signal», theory for the Gunn effect // Electron Devices. ED-13. 1966. P. 44-52.

ЧЕРЕДОВ Александр Иванович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры радиотехнических устройств и систем диагностики. ЩЕЛКАНОВ Андрей Владимирович, доцент кафедры радиотехнических устройств и систем диагностики.

Адрес для переписки: andvsh@gmail.com

Статья поступила в редакцию 23.12.2016 г. © А. И. Чередов, А. В. Щелканов