27. Функціональна схема та принцип дії генератора на підсилювача на лавинно-пролітному діоді

ЛПД звичайно працює в режимі "розвинутого" пробою, коли різко зростає

робочий струм. На рис. 6.6 показана статична вольт-амперна характеристика

ЛПД. Залежність у робочій області струмів дуже крута і струм ЛПД

необхідно обмежувати зовнішнім колом, в іншому випадку лавинний пробій

перейде в тепловий і діод вийде з ладу. Якщо ж діод підключений до

резонансної системи LC (рис. 6.7) і до діода, крім постійної напруги,

прикладена змінна, то в моменти негативних напівперіодів струм у діоді буде

різко зростати, а в моменти позитивних напівперіодів – припинятися (рис. 6.8).

Таким чином, у діоді під дією змінної напруги утворяться імпульси

струму.

У пролітній області потік носіїв заряду взаємодіє з полем НВЧ протягом часу ,

обумовленого товщиною пролітної області W і швидкістю руху носіїв .

Вибираючи товщину W, встановлюють таке значення , при якому

фазове зрушення між струмом першої гармоніки і напругою близьке до π. При

цьому наростання напруги весь час буде супроводжуватися зменшенням

струму, а зменшення напруги, навпаки – ростом струму (рис. 6.9).

Це свідчить про те, що для даної частоти змінної напруги протягом усього

періоду коливань виконується умова негативного диференційного опору, тобто

. Отже, завдяки інерційності лавинного, процесу й наявності

пролітного проміжку виконується умова фазування , а енергія

потоку носіїв заряду передається полю, що обумовлює генерацію коливань

НВЧ. Необхідна умова існування коливань:

де – період коливань генератора;

– час запізнювання струму щодо напруги на діоді.

Ця умова визначає діапазонність генератора на ЛПД. Оскільки при перебудові зовнішнього резонатора зсув фаз між напругою і струмом першої гармоніки уже не дорівнює π, то генеруюча потужність зменшується. При підвищенні частоти генеруючих коливань потрібно зменшувати довжину пролітного простору і, отже, товщину шару лавинного множення. При постійній напруженості E це викликає необхідність зменшувати робочу напругу, що у свою чергу призводить до зниження генеруючої потужності.

Даний режим роботи ЛПД називають пролітним (IMPATT). у цьому режимі генерують коливання в діапазоні 1...340 ГГц. Режим характеризується ККД, приблизно рівним 30 %.

У ЛПД, крім пролітного режиму, можливий також аномальний режим, чи режим із захопленою плазмою (TRAPATT), що базується на двох фізичних явищах: існуванні захопленої плазми й періодичному переміщенні області лавинного пробою вздовж пролітної ділянки.

Для реалізації аномального режиму потрібна спеціальна коливальна система та діод зі структурою p+-n-n+-типу (рис. 6.10).

До діода повинен бути прикладений імпульс з амплітудою, що перевищує значення пробивної напруги приблизно у два рази. На відміну від пролітного режиму, у якому область лавинного множення зосереджена на p+-n- границі переходу, в аномальному режимі область лавинного множення охоплює всю n-область. Унаслідок високої провідності плазми напруга на діоді різко падає, а струм залишається великим, що забезпечує негативний динамічний опір приладу. Зниження напруженості електричного полю приводить до зменшення швидкості дрейфу електронів і дірок (згустків плазми), тому час розсмоктування плазми значно більший за час прольоту електронами області

дрейфу ЛПД у пролітному режимі. Таким чином, при одній і тій же ширині n-області частота коливань в аномальному режимі в кілька разів менша, ніж у пролітному.

Аномальний режим використовують у сантиметровому діапазоні хвиль, причому внаслідок того, що необхідно працювати з великими струмами й важко розсіювати велику потужність, у ЛПД використовують імпульсний режим із тривалістю імпульсу ~1 мкс. Діапазоні частот 1...4 ГГц. Від одного діода може бути отримана потужність більша 100 Вт, при ККД до 25...40%, на частотах ~10 ГГц імпульсна потужність досягає 30 Вт.

Конструкції ЛПД постійно удосконалюються. Поряд з германієвими та кремнієвими діодами використовуються діоди на арсеніді галію, у тому числі з бар'єром Шотки. Крім діодів з одним пролітним простором (однопрогонових), використовуються діоди з двома пролітними просторами. Удосконалюються способи відводу тепла від переходів, у результаті чого з'являється можливість збільшити вихідну потужність ЛПД.