Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
18
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
5.12 Mб
Скачать

70 -

ная картина поля в диоде,соответствующая некоторому мо­ менту времени после начала движения области лавинного умножения.На рисунке выделены следующие участки:

Х3 ^

X éX y

“ область лавинного умножения.Здесь

напряженность электрического поля

Е > В Пр обеспечива­

ет поддержание процесса лавинного умножения;

Х2 <

X 4:

- - участок редкого

падения напряжен­

ности поля под действием пространственного заряда носи­ телей, генерируемых в области лавинного умножения.Вели­

чина

поля

 

4 ВПрдостаточна для'обеспечения носи­

телям

заряда

насыщения скорости - 2/^ас

*

О^Х 4

X,

~ участок,заполненный

электронно-ды­

рочной плазмой.находящейся в чрезвычайно слабом поле £„•

Движение носителей происходит со скоростями 2£ =/J/£^

<< Vmct определяеыьшй их подвижностью.

Справа от области лавинного умножения на участке

Xtf^X&L подвижные носители заряда отсутствуют, та к

как скорость движения области лавинного умножения 1%

значительно превосходит насыщенную скорость носителей

1Хае в стой области и здесь имеет место только ток сме­

щения.ОЛУ быстро проходит через диод и исчезает у пере-

хода р - р , оставляя диод заполненным плазмой,захва­ ченной в слабом поле EQ .Таким образом,к концу первой

части периода через диод протекает большой ток прово­ димости при очень низком напряжении-на диоде.

В т о р а я ч а с т ь -

экстракция плазмы и вос-

. становление

сопротивления даода.

о'

 

 

В начальной стадии этой чети периода обедненная

область р

диода' заполнена

электрически нейтральной

 

71 -

 

электронно-дырочной плазмой;

при этом'

 

а л

Ч - А

где

>Лй- плотности дырок и электронов в плазме;

, '

Л^у-.концентрация

акцепторов в р -области.

Предположим, что ток во внешней цепи в течение восста-. новотельной части периода остается постоянным,как было .

показано на рис.45,а ,тогда ток в плазме, может быть определен из выражения

З-Восст ~ 4P*- (Ро * ,

где p j - подвижность носителей,одинаковая для ды­ рок и электронов;

Ео<<Етс.

Так как носители зарядов в диоде не генерируются,то

вследствие движения дарок вправо, а электронов влево

О

у • П+- р -перехода увеличивается пространственный заряд

электронов, а у р - р * - перехода -пространственный за­

ряд дырок. Поэтому напряженномг> электрического поля в* этих местах возрастает { си.ряс.ч-8).

Рис.4Pаспэедедение поля в ЛИД,заполненном электроннодырочной плазмой.

'• .. 7 Ѵ - ' У 2 . -7 уJ.--*- ■:■.уггѵ

На этой рисунке ток в области, плазмы (участок A B j-явіія-

* • .

*

і; ;

ется током, проводимости,тогда как на

 

концевых участках

A h ' и б ^ .г д е доле воэрасгает,протёкаюі и токи перено­

са, а токи смещения."

-

с;

Минимальное время для восстановления диода опреде­

ляется интервалом, пока поле; у левого края достигнет

значения £ п р ; в-этот же момент последние подвижные но­

сители покидают диод.

7 ■

Скорость, с которой растут обедаенные участки,равна

скорости электронов и дырок

в плазме 2дА .Минимальное

время восстановления можно разделить на две частйівре-

*»мя , в

течение которого обедненные.участки растут со ско­

ростью

ТГЯ А ■, пока они не сомкцутея в 6ередине,-и время,

за которое оставшиеся носители покидает диод со скоро- .

с®ью Ѵ м а с \

J.

і у У

V I ' ;

 

-

^

Ц~ fa* ?

]

.

В работе [8] показано,что величина тока для обеепе-

. чения минимального времени восстановлений'должна нахо^'

даться в пределах

... .

/

.•

-•

.

.. г д а : CL-> емкоотъ. абедеешрго

слояѵдаада.у-у

'

Как только плавма ;Подаость]о‘устршяЕТся- Из обедаенноГо ;.:

слоя,диод переходит'- в . состояние -с высокимнапряжением:'

и очень малым..токрм' Прово'дамости {.обратный-тон-;насуде- л

НИЯ ) .

?.;3 'S ■■®Т- Ь я . ч а . е т *ву'г*^статическое состояние ' °

■ даода с высокимнапряжением нулевымдтокЬм .проводимо­ сти, в котором диод находится .до появления следующего

- 73 -

импульса тока во внешней цепи (моментг^на рис.45 ) .

Частота колебаний,генерируемых в TRAPATi-

режиме

Упрощенная модель TRAPATT —колебаний,рассмотрен­ ная выше, не учитывает взаимодействия диода с внешней резонансной цепью и не позволяет определить частоту этих колебаний, так как неизвестно, от чего зависит длительность третьей части периода.Для выяснения-рас­ смотрим распространенную., схему TRAPATT -генератора, изображенную на рис. 49 . Внешняя резонансная цепь

-Ucm

Рис.49. Схема генератора ддя работы ЛІ1Д

вГЕРАТУ-режиме.

генератора состоит из коаксиальной линии с зоз,душным заполнением. На одном конце линии размещены диод и воз­ ле него металлический диск,образующий некоторую сосредо­ точенную' емкость С' -На расстоянии / о т диода распола­ гается несколько настроечных диэлектрических шайб.Две первые образу’ют низкочастотный фильтр, входная проводи­ мость которого в плоскости ДА равна нулю для всех гар­ моник TRAPATT -колебаний, кроме основной.Последующие шайбы-образуют трансформатор полных.сопротивлений,обес­

74 -

печивающий согласование нагрузки с диодом” для получения максимальной мощности на основной частоте T R A PATT -ко­ лебаний. 7.

Для выяснения роли высших гармоник T R/\PA J J -коле­

баний рассмотрим упрощенную эквивалентную схему генера­ тора (рис.50j, в которой низкочастотный фильтр заменен коротким;замыканием в плоскости АА ,что совершенно спра­

ведливо для высших гармоник.Последовательная индуктив­ ность L k и параллельная емкость ^.представляют индук­

тивность Зыводов и суммарную емкость обедненного слоя

L

А

А

Рис.50. Упрощенная эквивалентная схема генератора.

диода и сосредоточенную емкость в- месте его установки. Зависимость напряженности поля в диоде от.времени

покаэанана рис.51 •- Момент - времени ^ ^ соответствует возникновению в диоде состояния захваченной плазмы, . сопровождающемуся ( в течение/0К1«с]резким падением напря­

женности>алектрического поля до .значения, блиэкого к нулю.’ Импульс отрицательного•:падения, напряжения^ с очень., крутым фронтом распространяется^вдоль линии к -короткозамкнутому концу-со скоростью света Так как :линия короткозамкнута. то коэффициент отражения по напряжению в плоскости ДД / Ъ - і г В..результате чего к .диоду будет распространять-

-т 75 -

ся положительный импульс напряжения с амплитудой При достижении импульсом диода напряжение на нем дости­

гает значения,, примерно равного

удвоенному напряжению

А

А

Рис.51. Ток через диод и. напряженность поля в диоде, соответствующие T R A P P T - колебаниям. ,

пробоя, в результате снова возникает движущаяся область лавинного-умножения и состояние захваченной плазмы. , Таким образом, период- TRAPATT ~ колебаний будет определяться длиной линии ' { , величина которой должна

равняться половине длины'волны - TRAPKTT -колебаний:

• /

1

А

 

2 ,

 

' где С - скорость света.

• .

 

Двухпролетные

ТМРАТТ -диоды

Двухпролетные ( ДП) ТМРАТТ- диоды - этоновый тип ЛПД с двумяпролетными" пространствами,в одном из кото­ рых носителями заряда являются дырки, а в другом-злек-

ТрОНЫ— '

...

76 -

ДП-диоды имеют струтуру типа р +- р - п - п { см.рис.36, а]. Наличие двух пролетных пространств увеличивает ширину области объемного заряда, следовательно, уменьшает ем­ кость, приходящуюся на единицу площади перехода.Таким образом, при одинаковой емкости площадь перехода у ДПДиода будет примерно в два раза больше.чем у обычных ЛПД. сто означает, что при одинаковых рабочих частотах ДП-диод имеет больший рабочий объем и способен отда­ вать большую мощность по сравнению с однопролетным ЛПД.

На рис.52 приведено схематическое изображение рас­ пределения примесей в двухпролетном диоде,предназначен­ ном для работы на частоте 50 ГГц. Как видно из рисунка, структура диода симметрична.

Рис.52. Распределение концентрации при­ меси в дзухпоолетном .диоде.

д Для симметрично го дБ-диоца величины рабочего на­ пряжения и тока могут быть приближенно в два, а выход­

ная мощность - в четыре раза больше, чем у-обычного ЛПД на эту же частоту..Кроме того, доля рабочего напря­ жения, приходящаяся на слой умножения в 'П-диодах, з ;о-

чителько меньше, что обусловливает увеличение,- к.п.д, этих диодов примерно в 1,3 раза по сравнение с одкопролеткыми ЛПД.

. Более строгий анализ [Q] показывает, что выходная

модность и к.п .д. ДЛ-диодов

только в 2,7 и 1,25.раза

соответственно превышает выходную мощность и к.п.д.

ооычных диодов.

,

 

 

Таким обрЕзом, введение

двойного

поолеткого пс-ост-

 

 

і

 

 

ранетза позволяет резко улучшить характеристики ЛПД,

особенно

в области миллиметровых волн:

( на f

=50 ГГц

получена

в нгпоеоывном режиме выходная мощность 1 Вт

 

-

!

 

 

при к.п.д.свыше'14-5 ) .•

|

• ■

■ „

 

 

I

Діі-

дкоды успешно работает.в сантиметровом диапазоне

('4 и б

ГГц^ как генераторы JRAPATT

-колебаний'в ке-

псепыБНОм режиме. В этом

случае одна частьдиода ( напшя-

 

 

 

I

 

 

мер, праваяJ оптимизируется для ІМРАТТ- колебаний.ко­

торые являются одной из гармоник,

а другая-для основ­

ной частоты ГЯДРДТТ-колебаний.

*

4. КО: ЕРЕНТНЭЕ . ЫО ЭНЗЕ ГОДНОСТИ'НЕСКОЛЬКИХ

Г2Н2РАТОРОВ НА

ЛПД

Увеличение выходной мощности генераторов-одна из важнейших практических задач твердотельной 'электроники. Решение этой задачи может быть получено двумя путями: улучшением характеристик ЛПД с целью повышения выход­

ной мощности и сложением мощности нескольких отдельных

I

диодоз з общей нагру-зке. достигнутые в настоящее время величины выходной мощности одиночных ЛПД близки к теоре­

тическому пределу, поэтому' актуальным становится второе

I

направление. Рассмотрим некоторые основные способы-коге­ рентного сложения мощностей.

Увеличение вылодаой мощности генератора на Л1Д путем включения нескольких диодов в общий СВЧ-

резонатор

'

.

В этом случае мощность, отдаваемая

всеми ЛПД, сум­

мируется внутри резонатора и выводится в общий СВЧ-тракт. На рис.53 изображен эскиз много,диодного генератора,содер­ жащий шесть ЛПД. Однако попытки осуществить такую систему

Рис.53

Эскиз многодиод­

ного

генератора:

1

-

ЛПД;

2

-

резонатор с коле­

3

-

баниями £0і0 ;

окно

связи;

4 -

винт

регулировки

связи.

сложения выходной мощности ЛПД связаны с серьезными за­ труднениями. Известно, что помимо полезного типа колеба­ ний, дшз которого высокочастотные токи Есех диодов нахо­ дятся в фазе, возможны паразитные типы колебаний,соответ­ ствующие другим структурам поля в резонаторе. В случае, когда /V" диодов симметрично связаны с резонатором, сущест­ вует по крайней мере (//- і) пара зитных типов колебаний практически с одинаковой вероятностью возбуждения.' ЛПД имеют отрицательное сопротивление в-широком, диапазоне частот, который часто может превышать октаву, поэтому трудно добиться, чтобы все частоты паразитных типов коле-

79 -

бвний оказались вне частотного диапазона ЛПД. Помимо этого, малые-изменения режимов по постоянному току или условий согласования с нагрузкой и даже простое измене­ ние окружающей температуры могут приводить к "перескоку"

на другой тип колебаний, вызывая тем самым недопустимые нестабильности как частоты, так и выходной мощности.

Обойти эти трудности можно, обеспечив каждый диод соот­

ветствующей. цепью, однако в этом случае,кроме общего

резонатора, необходимо дополнительно такое количество резонаторов, сколько диодов в системе.

Один и тот же резонатор может быть использован как.

.для стабилизации, так и для

сложения мощности [lO j .

На рис.54 изображена схема,

в которой успешно было осу-

t

 

ществлеко сложение мощности 12 ЛПД, что позволило полу­ чить выходную мощность 10,5 Вт в непрерывнсм режиме на

3 5

\ \Вьа СВЯ

7^77^7т ^77777^7т 777?>

АЩ

Рис.,54

Схема .сложения мощности 12 ЛПД.

 

1-ЛПД1; '2 -согласующий трансформатор; .

 

3-резонатор.H,oè ; 4-согласованный

 

поглотитель; 5 -элемент свя-зи. .

частоте 3,1 ГГц. Система проста в настройке. Выходной " сигнал имеет чистый спектр. При правильном подборе поло-

I

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ