книги из ГПНТБ / Дьяченко Б.М. Генераторы частотно-модулированных колебаний на полупроводниковых приборах с отрицательным сопротивлением [монография]

противление диода периодически на короткий отрезок време­ ни принимает положительное значение. Таким образом, ча­ стота остается под контролем времени прохождения.

3.Несинусондальные колебания. В этом случае рассеяние

врезонаторе, т. е. расстройка от частот, кратных частоте, со­ ответствующей времени прохождения, достаточно велико, так

интервалов времени процесса зарождения — гашения доме­ на и, следовательно, рабочая частота будут определяться ре­ зонансными свойствами цепи, нагруженной полной проводи­ мостью диода.

Можно различить два вида резонансных колебаний: га­ шение домена, вызываемое уменьшением напряжения, и га­ шение, вызываемое увеличением напряжения.

1. Подпороговые резонансные колебания. Когда с\мма по­ стоянного напряжения (питания) и высокочастотного (ВЧ) напряжения па резонаторе такова, что из-за изменения ВЧ напряжения U то превышает и п01), то падает ниже U,, (преж­ де чем образовавшийся домен достигает анода), время жиз­ ни домена и форма модулированного тока определяются про­ сто формой колебании напряжения (рпс. I, б, где т'—время прохождения домена от катода к аноду, Т — период ВЧ ко­ лебаний). В этом случае частота колебаний определяется ре­ зонансом внешней цепи, нагруженной полным сопротивлени­ ем диода, и может быть больше или меньше частоты, соот­ ветствующей времени прохождения. Условие, что домен гас­ нет раньше, чем доходит до анода, означает, что время про­ хождения не может быть намного меньше полупериода на­ пряжения в резонаторе. Этим устанавливается нижний пре­ дел рабочей частоты, равный примерно половине частоты, соответствующей времени прохождения. Если не ечнтать'данпого ограничения, то это время прохождения совершенно не определяет рабочую частоту, а длина полупроводника важна только в том отношении, что влияет на его полную проводи­ мость. Движение домена, если он не достигает анода, не ока­ зывает никакого влияния на работу цепи, а достигать анода

10

домен не может. Таким образом, диод ведет себя по отноше­ нию к внешней цепи как элемент с отрицательным сопротив­ лением, а его свойства как автономного генератора тока со­ вершенно не используются.

В рассматриваемом режиме работы диод остается в низко­ омном состоянии в течение заметного периода времени от момента падения U ниже U,, до того момента, когда U снова возрастает выше Ullop. Таким образом, в данном случае фор­ ма импульса тока более похожа на прямоугольную, чем в слу­ чае режимов, определяющихся временем пролета, п к.п.д. должен быть несколько выше. Однако с ростом частоты к.п.д. резко падает, потому что в этом режиме домены исчезают, не доходя до анода, и ближайшая к нему часть длины диода, где домен не движется, является балластом, на котором про­ исходит бесполезная потеря мощности. Поскольку частота определяется внешней цепыо, диапазон перестройки получа­ ется широким.

2. Надпороговые резонансные колебания. В другом режи­ ме работы домен тоже гасится раньше, чем достигает анода, но не потому, что напряжение слишком мало, а потому, что оно слишком велико для стационарного движения домена. Возможность такого режима вытекает из существования пре­ дельного значения U на домене [4], выше которого последний

лавинная ионизация [5]. Когда возрастающий ток достигает пороговой величины 1Пор, на катоде возникает новый домен. Такое состояние, когда в одном образце имеются два домена, следующие одни за другим, оказывается неустойчивым при уменьшении напряжения, поскольку отрицательные сопротив­ ления доменов зависят от напряжения, и один из доменов гас­ нет. Хотя подробности такого процесса еще не совсем ясны, эк­ спериментально установлено, что при этом остается именно но­ вый домен. Таким образом, при наличии ВЧ составляющей боль­ шое среднее напряжение на диоде может привести к повто­ ряющемуся процессу, период которого снова будет опреде­ ляться резонансом внешней цепи. В этом случае процесс га­ шения связан с «конкурентной борьбой» доменов за имею-

11

nneU i< U|10p,ro новый домен может образоваться только в мо­ мент t3, когда напряжение па диоде станет равным U,l0[).

К.п.д. максимален при Т — 2т', так как в данном случае, вопервых, импульс тока через образец находится в противофа­ зе с переменным напряжением на диоде, а во-вторых, длн-

т

тельиость импульса тока максимальна и равна — •

При соотношениях между Unop, Ц, (Un01)= Uu) н ампли­ тудой переменного напряжения, отличных от тех, которые со­ ответствуют рис. 2, а, период колебании в режиме с задерж­ кой образования доменов может быть больше, чем 2т', одна­

ко при этом резко упадет к. п. д.

Р е ж и м с о г р а и и ч е н и е м н а к о п л е н и я о б ъ е м ­ н о г о з а р я д а ( О Н 0 3). При соответствующих парамет­ рах диода и резонаторного контура можно осуществить такой режим работы генератора, при котором образование доменов не успевает произойти, и поэтому по всей длине диода поле распределено равномерно и диод рабтает как элемент с отри­ цательным дифференциальным сопротивлением, соответст­

12

вующим падающему участку вольтамперной характеристики

(рис. 2, б).

В этом режиме частота определяется параметрами конту­ ра и, следовательно, длина диода не ограничивается требо­ ваниями, связанными с частотой генерируемых колебаний. Диод в волноводе обычно располагается так, что направле­ ние тока в нем перпендикулярно направлению распростране­ ния электромагнитных волн.

Ограничения, накладываемые на размеры диода специфи­ кой распределения поля в резонаторе, длины диода не касают­ ся. Поэтому ее можно выбрать настолько большой, насколь­ ко позволяют размеры резонатораТак как в процессе коле­

напряженность поля в образце Е0 в несколько раз превысит пороговую напряженность поля Епор, то в этом случае ам­ плитуда переменного напряжения, возникающего на конту­ ре, U] может быть столь велика, что U0 — U i< U nop, тогда зна­ чение напряженности электрического поля в домене в период времени между ti и 1а соответствует участку характеристики с

в начале процесса состоит из слоя накопления электронов. Ес­ ли t-> < то заметное формирование слоев объемного заряда за это время ие успевает произойти. В период t| < t< E рассасы­ вается тот небольшой заряд, который в предыдущую часть

1.4. Эквивалентная схема генератора

Эквивалентная схема активной части прибора, работаю­ щего в доменном режиме, может быть представлена последо­ вательным соединением двух элементов, один из которых

13

описывает виедомениую область, другой — сам домен. Экви­

ной схемы после некоторых преобразований получим выраже­

Для определения частоты генерируемых колебаний необ­ ходимо, чтобы реактивные проводимости сопротивления Zi _ и кристалла диода находились в следующем соотношении: 1

14

Из этого условия мы можем определить частоту генериру­ емых колебании

( 1.1)

В резонансных режимах частота колебании в основном определяется параметрами, колебательной системы. Но тем не менее емкость домена, входящая в колебательную систему из-за присущей ей нелинейности, вызывает изменения генери­ руемой частоты при изменении напряжения питания.

Дифференциальная емкость домена имеет вид Пэ|:

( 1.2)

где S — площадь диода Ганна, е — заряд электрона,

г— диэлектрическая проницаемость, N — концентрация примесей,

Е„— поле в кристалле вне домена, I — толщина кристалла.

В режиме с подавлением доменов или в режиме с задерж­ кой образования доменов домен существует только часть пе­ риода. На резонансную частоту колебаний системы в первом приближении оказывает влияние лишь усредненная за пери­ од высокой частоты емкость домена. При ее определении до­ пускаем, что:

—домен существует часть периода колебаний, когда напряжение на диоде выше U,10p, и его емкость в этом

случае определяется выражением (1.2);

—когда напряжение на диоде меньше Unop> Домен отсут­ ствует и емкость равна бесконечности [7];

—напряжение на диоде близко к гармоническому;

—Е0 постоянно.

Входное сопротивление колебательной системы Z„bx на заданной частоте получим из равенства реактивной составля-

15

ющнй выражения (1.0) и сопротивления дифференциальной емкости домена Сд

Длина колебательной системы, подключенной к контактам

при изменениях напряжения питания, на частоту оказывают влияние также высшие гармоники тока, задержка образова­ ния домена и время его рассасывания. Влияние высших гар­ моник тока на частоту в основном зависит от нагрузки и ре­ жима работы генератора.

1.5. Осуществление частотной модуляции за счет

емкости домена

Частотную модуляцию можно осуществить, подав на диод низкочастотное модулированное напряжение Us cos St. Одна­ ко при этом проявляются нелинейные эффекты, обусловлен­ ные нелинейностью функции «(Us) . Рассмотрение нелиней­ ных эффектов при частотной модуляции генератора с помо­ щью емкости домена будем связывать с тремя задачами: оп­ ределение и оптимизация девиации частоты, определение и минимизация коэффициентов нелинейных искажений, опреде­ ление и минимизация нестабильности средней частоты генера­ торов.

Надо заметить, что характер и количественное выражение искомых величии во многом зависят от разновидностей воз­

ном. Это позволит оценить удельный вес компонент суммар­ ных нелинейных продуктов, сделать определенные выводы и

16

ной модуляции емкость домена зависит ис только от ампли­ туд гармоник модулирующего колебания, по и амплитуд гар­ моник высокочастотного напряжения и времени существова­ ния домена.

Рассмотрим теперь зависимость «>(СД). Для этого в фор­

1-1 - I

В данном выражении Ь<1, а^1 (под а подразумеваются значения, не превышающие 1,1). При этом условии второй член в скобках будет меньше единицы и корень можно раз­ ложить в ряд. После простых, но громоздких преобразований получим

ft.'.H.Hfi"_ v'i 18 ЯАМОЛ-VU;'.

I ЩООШ

шх , Sill шт:

Из (1.10) видно, что средняя частота за период модулиру­ ющих колебаний

(О

(1.11)

Из формул (1.10) и (1.11) следует, что при частотной мо­ дуляции генератора на диоде Ганна среднее за период моду­

Та

а3!}-1 г

(U 3 )