7.3.4 Генератор на диоде ганна. Режимы работы

7.3.4.1 Вольт-амперная характеристика образца с доменом

Таким образом, при выполнении условия (7.40) и приложении к диоду внешнего электрического поля через диод протекает пульсирующий ток с частотой пульсаций (пролетной частотой) . Поставив в цепи тока диода нагрузку, можно использовать выделяемую на ней мощность колебаний. Длина диодов обычно составляет мкм, чему соответствуют пороговые напряжения В и частоты, лежащие в СВЧ диапазоне Гц. На этих частотах нагрузкой диода обычно является резонатор. От частоты настройки резонатора и амплитуды СВЧ колебаний зависит характер работы диода. При анализе режимов работы генератора Ганна воспользуемся вольт-амперной характеристикой образца с доменом. Ее вид представлен на рис. 7.47, Очевидно, что при напряжениях на диоде , которым соответствуют напряженности электрического поля в диоде , вольт-амперная характеристика по виду совпадает с зависимостью (рис. 7.42). Ток через образец в этом случае определяется (7.26) (участок ОА на рис. 7.47):

.

При в образце образуется домен и ток диода через время формирования домена падает до величины, определяемой (7.30):

,

где - напряженность поля вне домена. При увеличении напряжения питания растет падение напряжения на домене, а напряжение на остальной части образца остается почти постоянным. Поэтому ток через образец с доменом (участок BC, рис. 7.47) практически не меняется. При уменьшении напряжения питания домен не исчезает при , а сохраняется до напряжения на образце, равного напряжению гашения домена (участок СД). Подобный гистерезис объясняется тем, что для образования домена необходимо приложить к диоду такое напряжение , при котором поле во всем образце было бы близко к пороговому (рис. 7.48, а). Максимальное поле в домене во много раз превосходит поле вне его. Для того чтобы разрушить домен, необходимо снизить напряжение питания настолько, чтобы . Очевидно, это напряжение , равное площади под кривой (рис. 7.48, б), меньше напряжения , равного площади под кривой (рис. 7.48, а). Обычно можно считать, что .

Увеличение напряжения питания ограничено напряжением , соответствующим максимальному полю в домене кВ/см, при котором в полупроводнике развивается лавинный пробой (участок CE, рис. 7.47). Рассмотрим основные режимы работы генератора на диоде Ганна. Для простоты будем полагать, что временем формирования и исчезновения домена можно пренебречь по сравнению с периодом колебаний.

Рис. 7.47

а) б)

Рис. 7.48

7.3.4.2 Пролетный режим

Эквивалентную схему генератора на высокой частоте представим в виде диода, работающего в параллельном колебательном контуре (рис. 7.49), где - проводимость нагрузки.

Рис. 7.49

Пульсации тока диода (рис. 7.45) создают падение напряжения на контуре и приводят к появлению переменного напряжения на диоде . Для простоты будем считать, что благодаря фильтрующему действию контура напряжение на диоде чисто гармоническое , хотя спектр колебаний тока может быть очень широк. Пролетным называется режим работы генератора Ганна, в котором амплитуда переменного напряжения на диоде мала по сравнению с постоянный напряжением питания и не оказывает влияния на процессы в диоде. Это достигается при низкой добротности колебательной системы. Такой автогенератор может рассматриваться как колебательный контур под воздействием вынуждающей силы, параметры ее определяются только диодом Ганна, который и является источником вынуждающей силы. Частота колебаний равна пролетной частоте и не зависит от настройки контура. КПД и выходная мощность генератора в этом режиме очень низки , поэтому практически он не находит применения.