Генераторы с ограничением накопления объемного заряда

Генератор с ограничением накопления объемного заряда (ОНОЗ) – это генератор Ганна, работающий в режиме неполного формирования домена.

Предположим, что кроме постоянного смещения, большего Е_порl, где E_пор − пороговая напряженность поля, к прибору при­ложено также синусоидальное напряжение достаточно большой амплитуды. В этом случае часть периода напряжение на приборе будет меньше порогового значения Е_порl.

Пока мгновенные значения напряжения в приборе больше, чем пороговое напряжение Е_порl, у катода формируется домен. Однако если прибор поместить в резона­тор, настроенный на достаточно большую частоту, то домен, не успев сформиро­ваться, начнет рассасываться, так как суммарное напряжение смещения и коле­баний резонатора в следующую часть пе­риода будет меньше, чем пороговое на­пряжение Е_порl. Во время формирования домена ток, проходящий через прибор, уменьшается, а во время рассасывания возрастает. Таким образом, возникают периодические колебания тока, но период этих колебаний определяется уже не про­летным временем домена, а частотой ре­зонатора. Такие генераторы называют ге­нераторами с ограничением, накопления объемного заряда (ОНОЗ). Этот режим работы генератора Ганна (в английской транскрипции − LSA − Limited Spacecharge Accumulation) был обнаружен в 1966 г.

Для установления режима ОНОЗ не­обходимо выполнение ряда условий. Прежде всего нужно, чтобы домен не успел сформироваться за то время, пока напряжение на генераторе превышает пороговое значение Е_пopl, период колебаний Т должен быть мень­ше (2…3)τ', где τ' = σ'εε₀ − максвелловское время релаксации для материала в состоянии с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

За то время, пока мгновенные значения напряжения на гене­раторе меньше порогового напряжения Е_порl, возникший у катода домен должен успеть полностью исчезнуть. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы период колебаний был много больше максвелловского времени релаксации τ для материала, находящегося в слабом электрическом поле. Таким образом, для существования режима ОНОЗ необходимо выполнение условий

и

или

.

где μ₁ и μ' − подвижности электронов в слабом поле и при нали­чии отрицательного дифференциального сопротивления.

Одним из преимуществ генераторов с ОНОЗ перед генерато­рами Ганна является независимость частоты генерируемых коле­баний от толщины кристалла. Другое, более важное, их преиму­щество − возможность получения больших мощностей генерации на более высоких частотах. Генераторы с ОНОЗ могут быть изготовлены из относительно толстых пластинок высокоомного арсенида галлия, что позволяет подавать на такие приборы значительные напряжения.

С помощью генераторов с ОНОЗ можно достичь мощности непрерывных колебаний порядка десятых долей ватта в диапазоне 30…300 ГГц с КПД, равным 20%, и сотен ватт в импульсном режиме.