18.3. Принцип действия генератора на лпд

Рассмотрим работу генератора колебаний на ЛПД с несиммет­ричным р⁺-n-переходом и однородным легированием обеих обла­стей (процессы в таком диоде при отсутствии колебаний описаны в предыдущем параграфе).

Предположим, что обратное напряжение на диоде кроме посто­янной составляющей содержит переменную (гармоническую)

=+.

Если выше напряжения пробоя , то при =0 через ди­од протекает постоянный лавинный ток, значение которого опре­деляется при данном сопротивлением цепи питания . При 0 коэффициент ударной ионизации, зависящий от напряженности поля в слое умножения, становится периодической функцией времени. Это приводит к появлению переменной со­ставляющей лавинного тока . Несмотря на то что коэффициент ионизации является почти безынерционной функцией поля, в це­лом процесс лавинообразования запаздывает по отношению к полю в слое умножения. Это связано с тем, что электрическое поле в каждый момент времени определяет не мгновенное зна­чение лавинного тока, а лишь скорость ударной генерации элект­ронно-дырочных пар и соответственно скорость изменения ла­винного тока. Поэтому в течение всего положительного полупе­риода¹ СВЧ-поля происходит накопление числа носителей в слое умножения. В результате лавинный ток, обусловленный дрейфом этих носителей, будет возрастать до тех пор, пока поле не уменьшится до своего среднего значения. Соответственно максимальное значение лавинного тока достигается лишь к кон­цу положительного полупериода СВЧ-поля. Таким образом, ток лавины (t) отстает от переменной составляющей поля пример­но на 90°. Это поясняется рис. 18.6,а, на котором показано изме­нение переменной составляющей напряжения на диоде и тока лавины (t). При большом значении ток приобретает вид резких периодических импульсов, что связано с сильной зависимостью коэффициента ионизации от поля (рис. 18.6,б).

Выше отмечалось, что на границе между слоем умножения и слоем дрей­фа ток лавины чисто электронный. Сгу­стки электронного заряда, поступая в область дрейфа, движутся в ней с по­стоянной скоростью, равной дрейфовой скорости насыщения. Важно, что элект­роны начинают движение в области дрейфа как раз в тот момент, когда поле переходит от ускоряющего к тормозя­щему. Если длина слоя дрейфа вы­брана так, чтобы время пролета элект­ронов в нейбыло близко к половине периода колебаний (=T/2), то электронные сгустки на всей дли­не области дрейфа будут тормозиться высокочастотным полем, передавая ему свою энергию. Диаграмма, показывающая движе­ние электронов в области дрейфа, приведена на рис. 18.7. Под­черкнем, что в области дрейфа ЛПД не происходит группировки электронов, импульсы тока (сгустки) образуются уже в слое умно­жения, причем это не связано с модуляцией скорости электронов, как в клистронах: в условиях сильного поля, характерного для ЛПД, их дрейфовая скорость насыщена и не зависит от поля.

Остановимся подробнее на механизме передачи энергии электронов СВЧ-полю в режиме насыщения дрейфовой скоро­сти. Напомним, что скорость насыщения устанавливается при сильных полях (E > 10⁴ В/см) в результате многократных столкно­вений электронов с кристаллической решеткой, сопровождаю­щихся потерей энергии в виде оптических фононов. Однако в промежутках между столкновени­ями электроны могут ускоряться или тормозиться электрическим полем. Именно в этих промежут­ках при движении электронов в тормозящем СВЧ-поле происхо­дит преобразование их кинетиче­ской энергии в энергию СВЧ-поля. При торможении уменьшается ча­стота столкновений электронов с решеткой, т.е. снижается рассея­ние их энергии в кристалле. Ины­ми словами, при движении элект­ронов в тормозящем СВЧ-поле часть энергии, отдаваемой в отсутствие СВЧ-поля решетке, пе­редается теперь СВЧ-полю. При этом скорость дрейфа остается неизменной, равной скорости насыщения.

Итак, мы показали, что при соответствующем выборе длины слоя дрейфа ЛПД электроны передают высокочастотному полю энергию. Но это означает, иными словами, что ЛПД обладает ди­намическим отрицательным сопротивлением и может быть ис­пользован для генерации колебаний. Чтобы добиться этого, дос­таточно подсоединить к контактам диода колебательную цепь (резонатор). Если абсолютная величина отрицательного сопроти­вления диода достаточна для компенсации потерь в контуре, то произойдет самовозбуждение колебаний на частоте, определяе­мой реактивными параметрами резонатора с учетом емкости обедненной области диода. Отрицательное сопротивление ЛПД зависит, как будет показано ниже, от постоянной составляющей тока диода. Значение этого тока, соответствующее началу само­возбуждения, называется пороговым.

То, что импульс лавинного тока запаздывает на четверть пери­ода по отношению к максимуму обратного напряжения на диоде, весьма благоприятно с энергетической точки зрения. В этом случае электроны движутся в области дрейфа только в тормозящем СВЧ-поле. Если бы импульс тока образовывался в момент макси­мума обратного напряжения, то электроны до входа в область дрейфа двигались бы в ускоряющей фазе СВЧ-поля в течение чет­верти периода, отбирая энергию поля.

Структуры ЛПД. Работа генератора на ЛПД рассматривалась выше на примере диода с р⁺-n-переходом и однородным профи­лем легирования рабочей области. Однако в настоящее время применяются и другие структуры. Диоды с р⁺-n-переходом чаще всего изготовляют из кремния. В аналогичных ЛПД из арсенида галлия по ряду соображений, в частности технологических, раци­онально использовать не р⁺-n-переходы, а барьер Шотки (контакт металл-полупроводник).

Недостатком ЛПД с однородным профилем легирования явля­ется сравнительно большая длина слоя умножения, составляющая в сантиметровом диапазоне волн 25.. .30 % от всей длины обеднен­ного слоя, а в миллиметровом – еще больше. Из-за этого заметная часть СВЧ-напряжения падает на слое умножения, в пределах ко­торого нет передачи энергии носителей заряда переменному по­лю. В результате КПД генераторов на ЛПД с однородным профи­лем легирования не превышает 15...20 % в сантиметровом диапа­зоне волн и еще меньше в миллиметровом.

Для преодоления отмеченного недостатка были разработаны ЛПД с неоднородным профилем легирования рабочей области, в ко­торых длина слоя умножения уменьшена до 0,15...0,2 мкм. В генера­торах на таких диодах в сантиметровом диапазоне выходная мощ­ность достигает нескольких ватт при КПД до 35...40 %.

В генераторах миллиметрового диапазона, как правило, приме­няют двухпролетные ЛПД с симметричным резким р-n-переходом. В таких диодах имеются две области дрейфа (n-область для элект­ронов и р-область для дырок) и общий слой умножения. Механизм передачи энергии дырок СВЧ-полю такой же, как и для электронов; различие лишь в том, что этот процесс происходит в р-области. Ис­пользование двух областей дрейфа позволяет увеличить выход­ную мощность, а увеличение общей длины обедненного слоя сни­жает емкость ЛПД. Поэтому двухпролетные ЛПД имеют преимуще­ства по сравнению с однопролетными приборами. Так, однопро­летный ЛПД, работающий на частоте 50 ГГц, имеет выходную мощ­ность 0,5 Вт при КПД 10 %, двухпролетный ЛПД позволяет полу­чить на той же частоте мощность 1 Вт при КПД 14 %.