Усиление мощности в режиме синхронизации.

Схема включения ЛПД, в этом режиме усиления не отличается от приведенной на рисунке 6.49 схемы регенеративного усилителя, но ток питания больше порогового. Поэтому без входного сигнала возникают свободные автоколебания на собственной частоте резонансной системы ₀. Если на вход подаются колебания сигнала частоты _с, достаточно близкой к ₀, то при определенной амплитуде этих колебаний происходит захват частоты генерации, которая становится равной частоте сигнала _с. Это явление называется синхронизацией. При изменении _с синхронизация сохраняется в полосе частот _синх, называемой полосой синхронизации, которая тем шире, чем больше амплитуда входного сигнала. В режиме синхронизации выходная мощность почти не зависит от входной. Это ограничивает его использование только усилением мощности частотно- или фазово-модулированных колебаний.

Преимуществами режима синхронизации по сравнению с режимом регенеративного усиление являются более высокий коэффициент усиления мощности (15…20 дБ) и несколько лучшие энергетические показатели, недостатком – узость полосы синхронизации (около 1 ).

Умножители частоты на лпд.

Устройство умножителя частоты на ЛПД показано на рисунке 6.50. Диод помещен в резонатор, настроенный одновременно на две частоты: входную _с и выходную N_с (N – кратность умножения). В умножителях частоты используются ЛПД, длина области дрейфа которых близка к оптимальной для колебаний выходной частоты N_с. Для колебаний входной частоты _с эта длина в N раз меньше оптимальной, поэтому их регенерация практически отсутствует. Благодаря малости угла пролета электронов на входной частоте длительность импульсов наведенного тока мала по сравнению с периодом входного колебания. Это означает, что гармоники импульсов наведенного тока велики, что позволяет реализовать высокую кратность умножения частоты (N=15…20) в одном каскаде при значительно меньших потерях преобразования, чем в других типах СВЧ – умножителей частоты. Отрицательная проводимость умножительного ЛПД на частоте выходных колебаний велика, так как для них угол пролета в области дрейфа близок к оптимальному. Это используется для их регенеративного усиления, что способствует увеличению выходной мощности и снижению потерь преобразования.

Рисунок 6.50 - Конструкция умножителя частоты на ЛПД

Высокочастотность ЛПД позволяет применять их для умножения частоты в миллиметровом диапазоне волн. Так, при входной частоте f=5 ГГц (=6 см) и входной мощности около 0,5 Вт можно получить при N=20 выходную мощность около 10 мВт на частоте 100 ГГц (=3 мм). Использование ЛПД в последнем каскаде умножительных цепочек позволило существенно упростить их и получить высокостабильные колебания даже в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн.

6.10. Инжекционно-пролетные диоды

Инжекционно-пролетный диод (ИПД) принадлежит к семейству про­летных СВЧ-диодов, В основе его работы лежат два меха­низма: термоэмиссия (инжекция) и диффузия неосновных носи­телей через прямосмещенный барьер и пролет носителей через область дрейфа (что приводит к запаздыванию фазы на угол пролета 3/2). Обычно ИПД маломощны и имеют низкий КПД, однако отношение сигнал/шум лучше, чем у других диодов. ИПД используются чаще всего в качестве гетеродинов в СВЧ-приемниках.

Инжекционно-пролетный диод представляет собой два выпрям­ляющих контакта с общей базой, которая в рабочих условиях пол­ностью обеднена носителями [11].

Сначала рассмотрим протекание электрического тока в симметричной структуре металл – полупроводник – металл (МПМ) с однородно легированным слоем полупроводника n-типа (рисунок 6.51, а). На рисунках 6.51, б, в приведены распределения объемного заряда и электрического поля смещенного диода (соответственно меньшее положительное напряжение приложено к контакту 1, причем контакт смещен в прямом направлении, а контакт 2 – в обратном).

Ширина обедненных областей определяется следующим равенствами:

и ,

где W₁ и W₂ – толщины обедненных областей прямо- и обратносмещенных барьеров соответственно, N_D – концентрация ионизованной примеси и V₀ – контактная разность потенциалов. В этих условиях полный ток равен сумме обратного тока насыщения диода Шоттки с высотой барьера _Bn , генерационного тока и тока поверхностных утечек.

Контакт Контакт

1 2

а)

Полупроводник

qN_D

б)

W

W x



в)

x

W₁ W₂

Рисунок 6.51 – Структура металл – полупроводник – металл (МПМ-структура):

а – МПМ-структура с однородно легированным полупроводником n-типа; б – распределение пространственного заряда при малых смещениях диода; в – распределение поля

По мере увеличения напряжения в конце концов произойдет смыкание обедненной области контакта, смещенного в обратном направлении, с обедненной областью прямосмещенного контакта (рисунок 6.52, а). Соответствующее напряжение называется напряже­нием смыкания (или напряжением прокола) V_см . Это напряже­ние можно найти, приравняв W₁ + W₂ = W (где W – ширина n-области):

(6.12)

При дальнейшем увеличении напряжения энергетические зоны на контакте 1 становятся плоскими. В этом случае электрическое поле при х = 0 равно нулю, а падение напряжения на первом кон­такте V₁= V₀ (рисунок 6.52, б). Соответствующее напряжение назы­вается напряжением плоских зон V_пл :

(6.13)

Зависимость напряжения плоских зон от концентрации примеси в кремниевых диодах с различной шириной базы приведена на рисунке 6.53. Для заданной ширины базы максимальная величина V_пл ограничена напряжением лавинного пробоя.

Величина постоянного смещения ИПД в условиях генерации СВЧ-мощности обычно лежит между V_см и V_пл . Для определения вида ВАХ в этом диапазоне смещений (V_см < V < V_пл) найдем значение прямосмещенного барьера из (6.12), учитывая, что

,

. (6.14)

Из этого выражения следует

. (6.15)

Рисунок 6.52 - Распределение электрического поля и энергетическая диаграмма МПМ-структуры при проколе (а) и в условиях плоских зон (б)

После смыкания обедненных областей ток термически эмиттированных через барьер _Bp дырок становится доминирующим:

, (6.16)

где – эффективная постоянная Ричардсона (4.1).

Из равенства (6.15) для получаем

.

Таким образом, после смыкания обедненных носителями областей зависимость тока от напряжения будет экспоненциальной.

Рисунок 6.53 - Зависимость напряжения плоских зон от концентрации примеси в кремниевых диодах с различной шириной базы

Если ток настолько велик, что концентрация инжектирован­ных носителей сравнивается с концентрацией ионизованной при­меси, объемный заряд подвижных носителей определяет распределение электрического поля в области дрейфа. Этот ток называется током, ограниченным пространственным зарядом. Если дырки пересекают n-область со скоростью насыщения v_s , а ток , то уравнение Пуассона принимает вид

.

Дважды проинтегрировав это уравнение с граничными условиями  = 0, V = 0 при х = 0, получим

. (6.18)

Изложенные выше соображения можно применить для других структур, таких, как p⁺-n-p⁺- и p⁺-i-n--p⁺-диоды (рисунок 6.54). Выражения для смыкания и плоских зон в p⁺-n-p⁺-диоде имеют такой же вид, как и для МПМ-структуры.

Протекание тока через p⁺-n-p⁺-диод, в котором произошел прокол, определяется теми же механизмами, что и в МПМ – структуре. Единственным отличием является отсутствие в равенствах (6.16) и (6.17) множителя exp(–q_Bp/kT) в случае инжекции носителей через смещенный в прямом направлении p⁺-n-переход, т.е.

. (6.19)

При комнатной температуре составляет ~ 10⁷ А/см². Поэтому в обычных рабочих условиях эффект ограничения объемным зарядом становится существенным при токах, значительно меньших J_пл .

Рисунок 6.54 - Распределение электрического поля при малых смещениях и проколе

и энергетические диаграммы при проколе для p⁺-n- p⁺-структуры

Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого p⁺-n-p⁺-диода с концентрацией примеси 5∙10¹⁴ см^–3 и шириной базы 8,5 мкм приведена на рисунке 6.55. Напряжение плоских зон равно 29 В, а напряжение смыкания составляет ~21 В. Отметим, что сначала ток возрастает экспоненциально, а затем линейно с на­пряжением.

Д ля эффективной работы ИПД необходимо контролировать величину инжектированного заряда. Поэтому ток должен резко возрастать с увеличением напряжения. Линейная вольт-ампер­ная зависимость, связанная с током, ограниченным простран-ственным зарядом, будет ухудшать характеристики прибора. Обычно опти­мальная плотность тока значительно меньше J = q_s∙N_D .

О

Рисунок 6.55 - Вольт-амперная характеристика кремниевого p⁺-n-p⁺ диода в условиях работы со смыканием - - - теоретическая;

-  -  - экспериментальная

писанный выше диод со смыканием обедненных областей (ко­торый также называют диодом со смыканием) используется в качестве быстродействующего малошумящего стабили-трона, поскольку ток в таком диоде резко возрастает, как только напряжение пре­высит напряжение смыкания. Эффект накопления заряда практи­чески отсутствует; кроме того, диод обладает хорошей температур­ной стабильностью. Были созданы диоды со смыканием с рабочим напряжением от 1,5 до 35 В, причем характеристики были сравнимы и даже лучше, чем характеристики стабилитрона, в котором используются явления лавинного пробоя или туннелирования.

В динамическом режиме вследствие запаздывания инжектированного тока при пролете дрейфовой области на определенных частотах, как и в случае ЛДП, реализуется динамическое отрицательное дифференциальное сопротивление. Условием появления отрицательного сопро-тивления в ИПД является требование, чтобы угол пролета _d был больше , но меньше 2:

  _d < 2, (6.20)

где ;

v_s – дрейфовая скорость насыщения.

Так как токовый пакет в области барьера (х < x_R) и дрейфовой области с малой напряженностью поля имеет существенно больший разброс по скоростям, по сравнению с диодом Рида, в котором в дрейфовой области реализованы условия постоянной скорости , то КПД инжекционно-пролетных диодов значительно ниже, чем у лавинно-пролетных (ЛПД) и составляет (2 – 5)% в частотном диапазоне до 20 ГГц.

С

Рисунок 6.56 - Характеристики ЛПД и ИПД. Рядом с экспериментальными точками указаны

значения КПД в процентах;

SD – одна область дрейфа; DD – две области дрейфа

ущественным преимуществом ИПД перед ЛПД является значительно более низкий уровень шумов, так как в первом отсутствует ударная ионизация, которая приводит к увеличению дробовых шумов в М раз, где М – коэффициент лавинного размножения  310². Это обстоятельство предопределило использование ИПД в качестве предусилителей и гетеродинов в СВЧ – приемниках.

Сравнительные характеристики ЛПД и ИПД приведены на рисунке 6.56.