14.1. Основные классы и области применения полупроводниковых диодных генераторов
Бурное развитие физики полупроводников и совершенствование технологических процессов микроэлектроники привели примерно полвека тому назад к созданию нескольких классов активных приборов СВЧ-диапазона, объединяемых общим названием генераторные диоды. Они стали преемниками и продолжили направление, начало которому положило открытие О.В. Лосевым в 20-х годах прошлого века явления генерации колебаний в некоторых кристаллах, помещенных в радиотехническую схему.
Наиболее известный пример генераторного диода (ГД) — это туннельный диод (ТД), открытый японским ученым Л. Есаки (L. Esaki) в 1958 г. Туннельный диод представляет собою р—п—диод на основе вырожденного1 полупроводника, в котором туннельный эффект обеспечивает появление участка с отрицательной дифференциальной проводимостью на ВАХ диода. Наличие этого участка обеспечивает возможность компенсации потерь в подключенной к ТД колебательной системе. При частичной компенсации потерь имеет место регенеративное усиление подведенного извне радиосигнала, при полной — режим автоколебаний.
К сожалению, ТД — это принципиально микромощный прибор, отдающий на СВЧ в полезную нагрузку не более 1 мВт. Обычно же требуется не менее 10 мВт. Соответственно приходится прибегать к сложению мощностей многих приборов, что сложно в реализации, поэтому ТД достаточно редко применяются в современной аппаратуре.
Основное внимание в данной главе будет уделено автогенераторам на лавинно-пролетных диодах (ЛПД) и диодах Ганна (ДГ), поскольку именно на этих двух классах активных элементов выполняется в наши дни значительная часть источников колебаний малой мощности в миллиметровом диапазоне и в коротковолновой части
______________
1 Вырождение полупроводника возникает при высокой концентрации легирующих примесей в кристалле, когда уровень Ферми находится в зоне проводимости и-области и в валентной зоне р-области.
Рис. 14.1. Типичные уровни выходной мощности генераторов на ДГ (о) и ЛПД (Д) в непрерывном режиме
сантиметрового диапазона радиоволн. Генераторы на ЛПД (ГЛПД) и генераторы на ДГ (ГДГ) широко используются в качестве гетеродинов, свип-генераторов, генераторов накачки, радиолокационных передатчиков ближнего действия, а также в радиомаяках, приемоответчи-ках, линиях радиосвязи и передачи данных, датчиках скорости, системах охранной сигнализации. Генераторы на ЛПД в 2.. .3 раза превосходят ГДГ по уровню мощности в нагрузке Рн и КПД, но одновременно существенно (на 10...30 дБ) уступают последним по уровню шумов. Типичный уровень их выходной мощности иллюстрирует рис. 14.1.
14.2. Принцип действия и характеристики лавинно-пролетного диода
14.2.1. Общие сведения
Работа ЛПД основана на явлениях лавинного пробоя обратносме-щенного р—и-перехода и последующего «пролета» (а точнее, дрейфа) носителей тока в полупроводнике. Принцип действия ЛПД сформулирован в 1958 г. американским физиком Ридом (W.T Read), предложившим с этой целью специальную полупроводниковую структуру со сложным профилем легирования — диод Рида, который удалось реализовать лишь в 1965 г. Однако уже в 1959 г. в СССР научным коллективом во главе с А.С. Тагером
была обнаружена генерация СВЧ-колебаний в схеме с обычным варактором. Так появился первый в мире ГЛПД.
Практика показывает, что в качестве ЛПД могут работать фактически любые р—n-переходы хорошего качества, включая силовые вентили и коллекторные переходы биполярных транзисторов. Сказанное подчеркивает универсальность физических процессов в ЛПД, но, конечно, не отменяет необходимости специально разрабатывать ЛПД с учетом требований по диапазону частот, выходной мощности, КПД и др.
В настоящее время ЛПД — наиболее мощные полупроводниковые ТД. В непрерывном режиме они обеспечивают мощность от одного прибора 10... 15 Вт при КПД 17...20 % на частоте 10 ГГц, 1 Вт с КПД 10 % на 60 ГГц, 100 мВт с КПД 3...4 % на 150 ГГц, 20...30 мВт при КПД около 1 % на 300 ГГц.