Лекции / Старосельский.2005 / ЭКТ4 / 11 / 7

175

7. Лавинно-пролетные диоды (ЛПД)

7.1. Устройство и принцип действия

В диапазоне СВЧ наиболее эффективными оказываются негатроны, имеющие ОДС только в узком диапазоне частот. К таким приборам относятся ЛПД (изобретен в России — 1959 г., А.С.Таггер).

Принцип действия: носители лавинно размножаются на участке сильного поля, а затем (почти с постоянной скоростью) пролетают участок дрейфа. Запаздывание на участке дрейфа приводит к фазовому сдвигу между током и напряжением. На некоторой частоте сдвиг составляет , что соответствует положительной обратной связи.

Одна из простейших структур — диод Рида (на Si).

Допущения:

;

[см^-1] —

коэффициент ударной ионизации;

;

10⁷ см/с —

предельная скорость дрейфа.

Далее определим полный импеданс ЛПД.

7.2. Область лавинного умножения

У

Токи текут против оси х. Не учтена генерация-рекомбинация.

Умножим эти уравнения на е и сложим. Учитывая, что

равнения непрерывности с учетом размножения:

;

.

, , , получим:

. Интегрируем по х от 0 до х_А :

, где .

С левой стороны области лавинного умножения (х =0) количество электронов еще не увеличилось за счет лавинного размножения, поэтому их ток равен обратному тепловому току:

; ; .

С правой стороны области лавинного умножения (х = х_А) количество дырок еще не увеличилось за счет лавинного размножения, поэтому их ток равен обратному тепловому току:

; ; .

Таким образом:

; (7.2.1)

Представим ток, поле и напряжение в виде суммы постояных и малых переменных составляющих:

Пусть , , .

Тогда , ,

где . Подставляя это в (1), при получим: , где .

Собственная емкость области лавинного умножения: .

Т.о. эквивалентная схема области лавинного умножения — параллельный LC-контур:

Резонансная частота и импеданс контура:

; (7.2.2)

. (7.2.3)

Обозначим: . (7.2.4)

При : . Это означает, что токи и противофазны!

7.3. Область дрейфа (длиной w)

Здесь , поэтому малая переменная составляющая тока:

.

Полный ток включает ток смещения: .

Отсюда: . Интегрируя по х от 0 до w, получим:

, где

— время дрейфа, — емкость области дрейфа.

При : (7.3.1)

, и импеданс области дрейфа составляет:

. (7.3.2)

7.4. Полный импеданс ЛПД

С учетом сопротивления контактных областей R_c:

.

Подставляя сюда (7.2.3) и (7.3.2) с учетом (7.2.4) получим:

(7.4.1.а) . (7.4.1б)

Если , то при  !

Реально . При этом в диапазоне частот ,

где ,

— удельное сопротивление контактов (на единицу площади).

Уравнения (7.4.1а,б) получены при условии (7.3.1) . На более высоких частотах при достаточно малом значении также может быть ОДС.

7.5. Применение ЛПД

Резонансную частоту можно регулировать током I₀ или напряжением V₀ (т.е. значением ).

Устойчивость электрической цепи с отрицательным дифференциальным сопротивлением ( — импеданс нагрузки):

;

При , если .

Цепь неустойчива, если это уравнение имеет корни (нули) в нижней полуплоскости комплексной частоты. При этом возникнет генерация на частоте .

ЛПД обеспечивает самые большие мощности на СВЧ

f, ГГц	P, Вт	к.п.д., %
1	100	30
10	1	18
100	0,3	13
400	0,02	~1

На последовательно включенных ЛПД — до 2 кВт (импульсный режим).