книги из ГПНТБ / Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник

ных пучка, которые инжектируются в пространство взаимодействия (см. рис. 8.3, в). Электроны в первом пучке взаимодействуют с СВЧполем и при большом входном сигнале попадают на анод замедляю­ щей системы (режим насыщения). Усиленное поле должно взаимо­ действовать со вторым электронным пучком. При этом происходит уменьшение потенциальной энергии электронов во втором пучке и они также попадают на анод. Поэтому режим насыщения остается, но выходная мощность увеличивается по сравнению с одним катодом. В предельном случае, когда нижний электрод ЛБВМ на всей длине эмиттирующий, т. е. перестает быть холодным катодом, форма элект­ ронного потока будет иметь вид, показанный на рис. 8.3, г. Электрон­ ный поток имеет форму спиц, в каждой из которых непрерывно про­ исходит движение электронов от катода к аноду, как в многорезо­ наторном магнетроне. Свернув в кольцо систему, показанную на рис. 8.3, г, и замкнув в кольцо поток, получим схему амплитрона. Электронный поток возвращается к началу пространства взаимодей­ ствия (куда подводится входной сигнал) сгруппированным, в виде спицы, начинающейся у катода и заканчивающейся на аноде. Все спицы в пространстве взаимодействия одинаковы. Таким образом, амплитрон является усилителем, работающим в режиме насыщения.

Спицы пространственного заряда должны иметь такую же перио­ дичность, как и СВЧ-поле усиливаемого сигнала. Электронный поток устойчив (стационарен) при условии

СВЧ-поля на одну ячейку анодного блока. Условие (8.1) аналогично условию цикличности СВЧ-поля в магнетроне. Амплитрон может

Действительно, в этом случае спица, образующаяся в тормозя­ щем СВЧ-поле, совершив один оборот вокруг катода, снова попадет

вмаксимум тормозящего поля и будет взаимодействовать с ним

ит. д. Если частота не удовлетворяет условию (8.2), то спица после одного оборота не попадет в прежнюю фазу входного сигнала, а будет происходить опережение или отставание по фазе. Если сдвиг по фазе ф окажется больше ± 90°, спицы после одного оборота попа­ дают в ускоряющее поле и будут распадаться. Это рассуждение позволяет приближенно определить полосу пропускания амплит­ рона, пользуясь соотношением

ФN = 2я п ± ф.

Если ф = 0, то наилучшие условия взаимодействия получают при

137

Ф — 13Г. Граничным сдвигам фазы ф = + 90° соответствуют Фмин= 123° и фмакс = 139°, так что допустимы отклонения Дф/ф ж Ä, + 6 % . Если известна дисперсионная характеристика замед­ ляющей системы, то можно определить полосу пропускания. Если связь фазы и частоты была бы линейной, то полоса пропускания амплитрона в нашем примере составляла 12% средней частоты. При реальных дисперсионных характеристиках полоса оказывается еще меньше. Приведенная оценка очень приближенна, так как она сделана для предельного сдвига ф = + 90°. По-видимому, следует допускать меньшие отклонения фазы, что дополнительно уменьшит полосу пропускания. Эксперименты подтверждают вывод, что

вамплитронах полоса пропускания меньше, чем в приборах типа М

синжектированным потоком, и не превышает 10% средней частоты. Таким образом, в амплитронах ограничение полосы пропускания связано с требованием сохранить устойчивым замкнутый электрон­ ный поток и широкополосность замедляющих систем не исполь­

зуется полностью.

§ 8.2. Характеристики и параметры амплитрона

Амплитудная характеристика. Наибольший интерес представ­ ляет амплитудная характеристика амплитрона (рис. 8.4). Экспе­ риментально обнаружено, что амплитрон-устойчиво работает в огра­ ниченной области входных сигналов, причем ширина этой области

усиление. Поясним эту особенность амплитрона.

Амплитрон является системой с об­ ратной связью. Если электроны взаимо­ действуют с обратными пространствен­ ными гармониками, то природа обрат­ ной связи такая же, как в ЛОВМ. Одна­ ко обратная связь в амплитроне воз­ можна и при взаимодействии с прямыми

пространственными гармониками, так как электронный поток замк­ нут, как в магнетроне. Наибольшая опасность самовозбуждения за счет обратной связи при отсутствии входного сигнала или при слабом сигнале. В этом режиме работы выходной сигнал имеет случайный шумовой характер. Предполагают, что обратная связь имеет случайный характер: с изменением электрического режима работы амплитрона и поля шумовой СВЧ-волны непрерывно про­ исходит переход от одних частот колебаний к другим.

138 •

При слабом сигнале не формируются устойчивые спицы прост­ ранственного заряда, необходимые для нормальной работы амплитрона. Но начиная с определенного достаточно мощного входного сигнала, частота которого лежит в области рабочих частот амплитрона, происходит формирование спиц, обеспечивающих усиление входного сигнала.

Таким образом, амплитрон можно рассматривать как автоколе­ бательную систему с принудительной синхронизацией внешним сигналом.

Начиная с порогового входного сигнала выходная мощность растет при увеличении входного сигнала. Вначале существует ли­ нейная связь Рвых и Рвх. Затем наступает «излом» характеристи­ ки, и хотя РВЬІХ растет коэффициент усиления уменьшается —: амплитрон переходит в режим насыщения. Дальнейшее увеличение выходной мощности возможно только при росте числа электронов, т. е. при увеличении тока пучка. Для увеличения Рвых и коэф­ фициента усиления при том же входном сигнале необходимо увели­ чение мощности источника питания Р0. В режиме насыщения Рвых и к. п. д. максимальны, но коэффициент усиления невелик. Поэтому амплитрон оказался удобным прибором для усиления очень боль­ ших входных сигналов и получения больших к. п. д., т. е. для при­ менения в мощных оконечных каскадах усиления.

Амплитудно-частотная характеристика. Уже отмечалось, что полоса рабочих частот амплитрона в основном ограничена замкнутым характером электронного потока. Кроме того, она зависит от режима работы амплитрона и степени согласования в элементах ввода и вывода энергии. В амплитроне полоса сильно зависит от амплитуды входного сигнала, с ростом которого полоса увеличивается. Полоса рабочих частот амплитрона достигает 5—10%.

Нагрузочные характеристики амплитрона. Характерная особен­ ность амплитрона — это слабое влияние нагрузки на выходную мощность. Линии постоянной мощности на нагрузочной диаграмме образуют почти окружности.

Фазо-частотная характеристика и электронное смещение фазы.

Фазо-частотная характеристика, снимаемая при постоянном анод­

жения) приводит к дополнительному небольшому изменению фазы выходного сигнала относительно входного — электронное смещение

фазы (ЭСФ).

Величина ЗСФ обычно не превышает 0,5—0,8° на 1 % изменения анодного тока. Малое ЗСФ является важной особенностью амплитрона.

Выходная мощность и к. п. д. В амплитроне принципиально не существует ограничения на выходную мощность. Однако практиче­

139

ски она определяется эмиссионной способностью катода и допусти­ мой мощностью, рассеиваемой на анод§. В непрерывном режиме мощность достигает 500 кВт, а в импульсном — 10 МВт. Обычно амплитроны имеют к. п. д. не менее 55—60%, а отдельные типы мощ­ ных и сверхмощных приборов 70—85%. В табл. 6 приведены пара­ метры некоторых амплитронов.

Т а б л и ц а 6

Параметры некоторых амплитронов и стабилотронов

§ 8.3. Принцип работы стабилотрона

Стабилотрон — это генератор высокостабильных по частоте колебаний, выполненный на основе платинотрона. Схема устройства стабилотрона показана на рис. 8.5, а внешний вид — на рис. 8.6. На выходе платинотрона расположен отражатель — фазовращатель и нагрузка, ко входу присоединены высокодобротный резонатор и нагрузка.

Если на выходе платинотрона появился шумовой сигнал, то часть его отразится от фазовращателя и начнет двигаться в обратном направлении. Отраженный сигнал практически без затухания про-

ходит через замедляющую систему на вход платинотрона и по­ падает в резонатор. Часть пришедшей энергии отразится от резона­ тора и пойдет к входу платинотрона, усилится в нем и вернется к фазовращателю, опять отразится и т. д. Таким образом, появляется замкнутая цепь обратной связи. Если сдвиг фазы по петле обратной

140

связи кратен 2л, то связь положительная и возможно самовозбуж­ дение колебаний.

Основным элементом, стабилизирующим частоту автоколебаний, является резонатор. Фаза коэффициента отражения в месте распо­ ложения резонатора сильно зависит от частоты, полный фазовый сдвиг вблизи резонансной частоты f0 резонатора имеет резкие скач­ ки. Необходимо выполнить баланс фазы именно на частоте /0. При­ менение высокодобротного резонатора повышает стабильность гене­ рируемой частоты в 100—200 раз. Частота изменяется перестройкой резонатора и одновременной подстройкой фазовращателя. Фазо­ вращатель позволяет обеспечить перестройку частоты в сравнитель­ но широком диапазоне (до 10%).

Рис. 8.6

По сравнению с магнетроном при той же мощности стабилотрон имеет более высокую стабильность частоты при изменении условий работы (нагрузка, анодный ток и пр.). В стабилотроне электронное смещение частоты и затягивание частоты значительно меньше.

Параметры стабилотрона приведены в табл. 6.

ГЛ А В А 9

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ

В последние годы значительно возросла роль полупроводнико­ вых приборов в связи с разработкой СВЧ-транзисторов, диодов, созданием генераторов на лавинно-пролетных диодах и приборов, основанных на использовании объемной неустойчивости в некоторых полупроводниковых материалах (приборы, основанные на эффекте Ганна). Сравнение характеристик различных полупроводниковых СВЧ-приборов произведено на рис.9.1 и в табл. 7.

141

§ 9.1. Движение носителей заряда в сильных электрических полях

Движение носителей заряда в полупроводнике при наличии электрического поля рассматривается как суперпозиция хаотиче­ ского движения со средней скоростью ѵ и энергией W и направлен­ ного движения по полю или против поля (в зависимости от знака

высшая частота акустических фононов порядка 5 • ІО12 Гц, а ча­ стота оптических фононов выше ІО13 Гц.

Хаотический характер движения электронов позволяет рас­ сматривать их как электронный газ с некоторой температурой электронного газа Тд, определяемой из формулы mv2i2 = 3/2 k T д. В состоянии термодинамического равновесия устанавливается сред­ няя тепловая энергия электронов, соответствующая температуре кристаллической решетки (вещества). Однако, прикладывая элект­ рическое поле, можно увеличить скорость носителей между соуда­ рениями, т. е. увеличить среднюю и электронную температуру. Такие электроны называют горячими, их средняя кинетическая энергия больше средней равновесной энергии электронов при от­ сутствии поля. Появление тока при наличии поля должно приводить к разогреву кристаллической решетки, т. е. к повышению темпера­ туры, но это второстепенный процесс. При хорошем теплоотводе температуру решетки можно считать почти постоянной и определяе­ мой только теплоотводом.

142

Рассмотрим влияние электрического поля на дрейфовую ско­

рость носителей (рис. 9.2). Связь ѵ и напряженности поля Е харак­ теризуют подвижностью [х:

При слабых полях направленное по полю приращение скорости ма­ ло по сравнению с тепловой скоростью электронов и поле практи­ чески не влияет на длину свободного пробега и частоту столкнове­

ний, последние определяются только температурой решетки. По­ этому существует линейная

нонами атомов решетки подвижность уменьшается и при неко­ тором значении поля наступает насыщение дрейфовой скорости. Обычно считают, что электроны, получившие большую энергию в сильном поле, при каждом столкновении теряют одинаковую энергию AW. Энергия увеличивается до тех пор, пока потеря энер­ гии при одном столкновении не станет равной прибавке энергии, получаемой на длине одного свободного пробега. При этом дрейфо­ вая скорость достигнет постоянного значения. Замедление роста дрейфовой скорости означает уменьшение в (9.1) подвижности [х.

никает ударная ионизация атомов носителями, движущимися в этом поле. Для характеристики процесса вводятся коэффициенты иони­ зации — число электронно-дырочных пар, создаваемых электро­ ном ап и дыркой ар на единице длины. Коэффициент ионизации очень сильно зависит от напряженности поля (рис. 9.3), например, увеличение поля в два-три раза может привести к росту коэффициен­ та ионизации на пять порядков. Для кремния коэффициенты у элект­ ронов и дырок значительно различаются. В случае р — п-перехода с известной шириной по коэффициенту ионизации можно вычислить коэффициент умножения М, используемый при рассмотрении ла­

143

винного пробоя. Напряжение на переходе, при котором наступает

пробой, соответствует М -> °° .

Зависимость скорости дрейфа от поля в некоторых полупро­ водниках, например в арсениде галлия, отличается от рассмотрен­ ной и имеет вид, показанный на рис. 9.2. Дрейфовая скорость про­ ходит через максимальное значе­

запрещенной зоны определяется как расстояние Ас?0 между нижним минимумом зоны проводимости (ЗП) и максимумом в валентной зоне (В.З). Наличие двух долин означает, что в арсениде галлия могут одновременно существовать две группы (/ и 2) электронов, отлича­ ющихся подвижностью и эффективной массой, а зона проводимости

14 4

на энергетической (зонной) диаграмме (см. рис. 9.4, б) делится на две подзоны (1 я 2).

Напомним, что эффективная масса т* учитывает влияние соб­ ственного периодического электрического поля кристаллической решетки на движение носителей заряда. Эффективная масса элект­

подвижность (р! = 500 см2/(В-с)],

а«тяжелые» электроны в

женности поля Е, поэтому с увеличением поля Е дрейфовая ско­

рость ѵ-у возрастает пропорционально. Однако с ростом поля проис ходит увеличение скорости электронов на длине свободного пробега которое, как уже отмечалось, эквивалентно повышению температу­ ры решетки по сравнению со случаем отсутствия поля. Энергия «горячих» электронов в нижней долине при некотором поле Е может оказаться достаточной для перехода в верхнюю долину 2, где по­

При этом предполагается линейная зависимость дрейфовой скорости

ѵ2от напряженности поля.

Из проведенного рассмотрения можно сделать вывод, что зави­ симость дрейфовой скорости электронов от напряженности поля должна иметь вид, показанный на рис. 9.5. Начальный участок

145

кривой совпадает с прямой ОА и характеризует дрейфовую скорость

электронов в долине 1 (ѵг =- |ij£). При пороговой величине поля £ кривая начинает спадать, отражая переход электронов из долины 1 в долину 2, в которой подвижность и дрейфовая скорость электронов меньше, а связь последней с полем представляется пря­

мой OB (ѵ2 = р 2£). Следовательно, последний участок зависимости должен совпадать с прямой OB.

§ 9.2. Лавинно-пролетные диоды (ЛПД)

структуры перехода и закона распределения примесей. На рис. 9.6

В ЛПД в пределах перехода напряженность поля, необходимая для лавинного умножения, значительно больше величины, при ко­ торой наступает насыщение скорости. Поэтому можно считать, что скорость дрейфа носителей во всех слоях перехода практически одинакова, т. е. время пролета всех носителей также можно принять одинаковым.

Поясним работу ЛПД с помощью пространственно-временной диаграммы (рис. 9.7), на которой изображены зависимость коорди­ наты носителя от времени и вспомогательная кривая, показыва-

* В иностранной литературе называют режимом IMPATT (IMPact Avalanche Transit Time — ударная ионизация и пролетное время).

146