Приборы и устройства СВЧ, КВЧ и ГВЧ диапазонов

241

представляет эквивалентную индуктивность лавинной области. Полный ток в слое умножения равен сумме тока смещения и

тока конвекционного (лавинного)

IП = Iл + Iсм,

где СЛ и ωЛ — емкость области умножения и лавинная частота, которые определяются выражениями

Конвекционный ток в пространстве дрейфа, где движение носителей происходит с постоянной скоростью, отстает на угол

ωx от тока в слое умножения, в комплексной форме записывает- vн

242

представлена на рис. 9.25, а, причем в точках а-а следует подключить вместо rn и Хn схему рис. 9.25, б. На схеме: Cк, Lк — статические параметры корпуса диода; rs — статическое сопротивление потерь; СЛ и LЛ определяются формулами (9.27) и (9.29); rn и Хn — активное и реактивное сопротивления полупроводниковой структуры (рис. 9.25, б), без учета потерь в контактах и в p+- и n+-областях.

Рис. 9.25 — Эквивалентная схема ЛПД (а) и пролетного пространства (б)

243

Эквивалентные активное rдр и реактивное сопротивления диода для области дрейфа jХдр определяются углом пролета пространства дрейфа θдр и рабочей частотой. График зависимостей

rдр( θдр ) и Хдр(ω) на рисунке 9.26.

Рис. 9.26 — Зависимость активных и реактивных составляющих сопротивления ЛПД в пролетном режиме от угла пролета

в области дрейфа (а) и частоты (б)

При ω > ωЛ (рис. 9.26,а,б) сопротивление rn = rдр будет отрицательным и максимальной величины при θдр ≈ 2, 4 рад (или

0,77π), а реактивное сопротивление диода носит емкостной характер (рис. 9.26, б). Область отрицательных сопротивлений наблюдается в широком диапазоне частот.

При ω < ωЛ активное сопротивление диода положительное,

а реактивное — имеет индуктивный характер (рис. 9.26, б). Пусковой ток определяется из условия rдр ≥ Rпот, т.е. когда

отрицательное сопротивление диода будет несколько больше или равно сопротивлению потерь в диоде, нагрузке и контуре — Rn.

В случае rдр < Rп, (но │rдр│ > Rпот,) наступает устойчивая генерация. Из (9.35) после подстановки ωЛ (9.30) и некоторых

преобразований получим выражение пускового тока

244

жение смещения. Пусковой ток увеличивается с ростом рабочей частоты ω, обычно он составляет десятки и сотни миллиампер.

Выходную мощность и электронный КПД генераторов на ЛПД можно оценить, если наведенный ток прямоугольной формы с длительностью θдр (рис. 9.23, г) разложить в гармонический ряд Фурье. Выражение для постоянной составляющей и первой гармоники тока с частотой ω получается в виде [1]

Откуда для оптимального режима, когда θдр = π, получаем

Величина Imax — допустимый ток при допустимом максимальном Um.

Выходная мощность и КПД определяются соотношениями

Поэтому КПДmах ≈ 30 %.

В генераторах на ЛПД выходная мощность ограничена тепловыми и электрическими эффектами. Увеличение напряжения U0 ограничено допустимой мощностью рассеяния, а малый объем

245

и малая площадь поперечного сечения плохо отводят выделяемое тепло.

Предельная выходная максимальная мощность с учетом тепловых ограничений определяется соотношением [1]

диодного генератора. Величина произведения (∆Т·λТП) максимальная у диодов из Si и GaAs.

Найдем предельные ограничения по электрическому режиму. Запишем выходную мощность ГЛПД в виде

Сравнивая (9.43) и (9.41), видим, что ограничение по электрическому режиму вызывает более резкое падение Рвых с ростом частоты. На частотах до 30—50 ГГц рассеяние больших тепловых мощностей является основной трудностью, на частотах более 50 ГГц малые размеры структуры не позволяют повышать рабочие напряжения.

Конструкция автогенераторов на ЛПД с широким диапа-

зоном рабочих частот (приложение Ж) может быть коаксиальноволноводной с механической настройкой (рис. 9.27), при фиксированной рабочей частоте можно использовать полосковую конструкцию электродинамической системы генератора (рис. 9.28) или резонаторную систему с перестройкой частоты варисторами.

246

В коаксиально-волноводной конструкции генератора (рис. 9.27) диод (1) включен в разрыв центрального проводника (3) коаксиальной линии (2), проходящей через волновод шириной а. На

грузки ZН и проходного ре-

зонатора 7 трансформировать в коаксиальную линию. На резонансной частоте сопротивление параллельного контура велико и СВЧ-мощность в поглощающей нагрузке Zn не рассеивается. На других частотах нагрузка подавляет самовозбуждение генератора. Резистор 5 в цепи подачи

247

постоянному току; настройка генератора на рабочую частоту осуществляется изменением расстояния от неоднородности 2 до диода 1.

Основные характеристики генераторов на ЛПД зависят от параметров колебательной системы, температуры, которая сказывается на зависимости среднего тока в режиме генерации диода при изменении величины напряжения смещения U0. На рис. 9.29 изображена перевернутая вольтамперная характеристика ЛПД. Автоколебательный режим реализуется при значениях

тока, лежащих в пределах i0 min ≤ i0 ≤ i0 max (i0 min — пусковой ток). На ВАХ пунктиром нанесены изотермические зависимости, соответствующие различным температурам p-n-перехода. Увеличение постоянного напряжения смещения на диоде сопровождается ростом лавинного тока, что, в свою очередь, ведет к повышению температуры p-n-перехода и увеличению напряжения ионизации Ui. В результате, реальная зависимость i0(U0) в области i0 > i0min оказывается более пологой, чем изотермические. Кроме того, рост температуры p-n-перехода диода с увеличением среднего тока i0 ограничивает максимум допустимого рабочего тока ГЛПД и максимальную колебательную мощность.

Зависимость колебательной мощности от среднего тока (рис. 9.30) имеет насыщение, которое может быть связано с температурным изменением временного сдвига между переменным током и колебательным напряжением на резонаторе. На появле-

248

ние такого сдвига указывает зависимость частоты колебаний от величины среднего тока при I0 > I0 (рис. 9.30).

Напомним, что частота колебаний определяется временем

пролета носителей в рабочей области и равна: fпp vH , поэтому

2lк

в первом приближении частота колебаний ГЛПД в линейном режиме не должна зависеть от тока. Однако с ростом тока i0 растет температура в слое лавинного умножения и растет Ui, уменьшается временной сдвиг между максимумами переменного напряжения и лавинного тока p-n-перехода (нелинейный режим), а это сопровождается возрастанием частоты колебаний (изменение реактивной и активной величины электронной проводимости) и насыщением величины колебательной мощности. Максимальный КПД в пролетном режиме обычно реализуется при умеренных значениях среднего тока. Характеристики ГЛПД (рис. 9.30) можно строить в зависимости от напряжения смещения U0, т. к., согласно (рис. 9.29), ток диода изменяется при изменении напряжения.

9.2.3 Диоды Ганна

Диоды Ганна в режиме генерации работают в диапазоне частот от 4 до 200 ГГц. В непрерывном режиме диапазона СМВ от одного диода можно получить мощность 1 – 2 Вт при КПД до 14%; на частотах 60 – 100 ГГц

– до 100мВт при КПД единицы процентов. Генераторы на диодах Ганна (ГДГ) применяются в модулях устройств ММВ. КПД генераторов в среднем составляет 1—5 %.

Изготавливаются диоды Ганна из арсенида галлия(Ga As) или фосфида индия (InP).

249

легированного арсенида галлия электронной проводимости с

концентрацию легирующих донорных примесей n = 2·1014 —

2·1016 см−3 . Слои ∆х, с концентрацией примесей n+ = 1018 ÷ 1019 см−3 , являются омическими контактами.

Отрицательные дифференциальные подвижность и про-

водимость диода Ганна. Если подать на диод постоянное напряжение U0, то через него будет протекать ток переноса с плотностью

dv = d (μE) < 0 , т.е. когда дрейфовая скорость будет уменьшаться с

dE dE

ростом напряжения. При этом предполагается, что подвижность зависит от поля

Рассмотрим особенности арсенида галлия, для которого впервые была обоснована возможность получения отрицательной дифференциальной проводимости. На рис. 9.32 показана связь энергии электронов в валентной зоне (в.з.) и в зоне проводимости (з.п.) GaAs с волновым числом k (з.з. — запрещенная зона). Зави-

250

симость энергии ε от k в зоне проводимости имеет два минимума, которые называли долинами: — нижняя (или центральная) и верхняя (или боковая). Энергия и эффективная масса в верхней долине (2) больше, чем в нижней (1): mэф2 = 1,2m, а mэф1 = 0,07m, m — масса свободного электрона.

Подвижность «тяжелых» носителей в верхней долине μ2

много меньше подвижности «легких» носителей в нижней долине: μ1 = 5000 ; μ2 = 100 см2/(В·с). Интервалы энергий между до-

линами ε = 0,36эВ и между зонами В.З. и З.П. Δε0 = 1, 4 эВ.

Рис. 9.32 — Зависимость энергии ε от волнового числа k в зонах

Вероятность перехода электронов из нижней в верхнюю долину при заданной температуре Т определяется величиной exp(−Δε /(kT )) . Поэтому соотношение концентрации электронов в долинах равно

где N1 и N2 — плотности энергетических состояний в долинах, связанные с эффективными массами соотношением

В отсутствии поля все электроны находятся в нижней долине n1>>n2. Однако соотношение n1 и n2 резко изменится, если в полупроводнике создано сильное электрическое поле. При напряженности в полупроводнике более некоторой пороговой величины (Е > Еп) основная часть электронов переходит из нижней долины в верхнюю, становится n2>>n1. Этот переход сопровождается