Белов Л.А., Благовещенский М.В., Богачев В.М. и др. Радиопередающие устройства. Под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина (1982) (1095868), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Этот нелинейный эффект объясняется влиянием сильного виутренйего поля домена, которое задерживает электроны в верхних долинах. Разница между сl„, и у„р зависит от Л'о и аг, увеличиваясь вместе с ними. Изменяя сопротивление нагрузки, можно получить три различных доменных режима: аролегпный, с задержкой домена, с гаитением домена. Первый имеет место при малой нагрузке )с„порядка сопротивления )то ДГ в слабом поле, когда амплитуда колебаний напряжения мала ги не оказывает заметного влияния на образование и движение доменов.
Частота пролетных колебаний ),р опрея ляется в основном толщиной активной области кристалла. Если г,р измерена в гигагерцах, а й — в микрометрах, то Л~р 11твр !00!й (19.21) повышением питающего напряжения несколько падает из-за уменьшения : корости движения доменов. Ток через диод (рна, !9.8) оп еделяется током на- $ гк !лес (19.22) у„, ( и =- (Е, — 0 соз в(е) ( у„,р. Поскольку при таких напряжениях )л' - О, образование нового домена будет задержано до тех пор, пока и не сравняется с У„р. Как видно из рис. 19.9, где для наглядности принято, что домен мгновенно образуется и мгновенно же втягивается в анод, присутствие гистерезисной зоны на ВАХ диода вызывает асимметрию импульсов тока и порождает реактивную составляющую 1-й гармоники тока, имеющую емкостный характер.
1и ела Ркс. 19.9. Построение кмпульсов тока в релспме с валержкой домена Р е Ф сыщениЯ 1„„, на который наложены рве. 19 в. Ф рме импульсов узкие всплески, связанные с кратковре- тока в пролетном режиме менным повышением тока при втягивании очередного домена в анод и образованием нового домена. КПД ГДГ а пролетном режиме очень мал.
Поэтому на практике этот режим используется лишь для определения ),р. Режим а задержкой домена реализуется, когда ДГ нагружен на параллельный резонансный контур, входное сопротивление коюрого ~ достаточно велико, чтобы минимальное напряжение на диоде У„,~е '= =- Е, — У, где У вЂ” амплитуда свнусоидальных колебаний, оказалось меньше порогового значения, причем домен достигает анода в такой момент времени 1е (рис. 19.9), когда мгновенное напряжение на диоде лежит между У„, и У„р, т. е. Возможная частота генерации заключена в пргдедах /.р!2 ( ~ С ~яр (19. 23) и определяется настройкой контура.
Максимальный электронный КПД в режиме с задержкой домена равен приблизительно 7% при 7„77„„= 2 и достигается, когда Е, ж 2О„чр, й„l)св ж 10 и Рг,р ж 0,8. При чрезмерном уменьшении Й„режим с задержкой домена сменяется пролетным, а при увеличении 1с„переходит в режим с гашением домена. Режим с гад!гнием домена имеет место, когда в процессе движения доме!)а-к аноду мгновенное напряжение на ДГ становится меньше нзпряже(ния О„, гашения домена. В этом случае домен быстро рассасывается й рабочая точка переходит на восходящую ветвь ВАХ. Далее ток изменяется так же, как и на рис. 19.9. Импульсы тона в данном режиме имеют больший провал, что уменьшаег 1-ю гармонику тока.
Поэтому максимальный электронный КПД в режиме с гашением доменов оказывается приблизительно в 2,5 раза меньше, чем в режиме с задержкой домена, а оптимальное сопротивление нагрузки приблизительно в 4 раза больше. Область рабочих частот отвечает неравенству причем верхняя граница определяется условиями (!9.19), (19.20). Рассмотренные идеализированные случаи 'достаточно точно реалнзу|отся на практике только прн 1 = 1..3 ГГш Лействвтельно, согласно (19.19) время формнровання домена тф = 0,5.!О-'з с прн типовом уровне легнровання Фз = 1 10'з см™ гораздо меньше периода колебаняй прн 1 = 1.,3 ГГп.
Однако т кое тф составляет половину периода прн /=- 10 ГГп Поэтому фактически в ГДГ днапазонов сантиметровым н мнллнметровым воли используются режимы, обсуждаемые далее. Режим ограниченного накопления объемного заряда (07тОЗ) открыт о 1967 г. при моделировании ГДГ на ЭВМ, Здесь, как и в двух предыдущих случаях, ДГ нагружен на параллельный контур, у которого !тп» )тз. Работа ГДГ в режиме ОНОЗ основана на предотвращении формирования домена путем использования инерпионности данного процесса, Длн этого рабочая частота, напряжение питания и амплитуда колебаний выбираются настолько большими.
чтобы напряжение на ДГ пробегало через область ОДП за время, малое по сравнению г тф. При этом заметный пространственный заряд не успевает сформироваться. Соответственно электрическое поле остается однородным и ВАХ совпадает по форме с характеристикой опр (Е) (рис. !9.3). Для реализации режима ОНОЗ требуются специальные ДГ со строго однородным профилем легирования (иначе ускоряется формирование домена).
Нераановесный пространственный заряд в режиме ОНОЗ принимает форму слоя накопления. который зарождается на катоде и успевает пробежать часть активной облзств до того, как напряжение на диоде становится меньше Опор Зз тот интервал времеви, пока и ~ 1)пор, полностью рассасываются сгустки йро- сто»потаенного заряда. Опенки показывают, что'указанные ограничения удовлетворяются при 2.10«С УД) с 2 !0', (19.25) где, как и ранее, Ф» измерено в см-а, 7 — в герпак~ Главное достоинство режима ОНОЗ в том, что частота генерации полностью определяется настройкой колебательной системы и никак не связана с пролетной частотой. Это позволяет увеличивать толгцину активной области ДГ, сохраняя требуемое значение полного сопротивления диода при повышении частоты или увеличении площади поперечного сечения кристалла.
В итоге импульсная мощность, которую может отдавать ДГ в режиме ОНОЗ, оказывается на 2 — 3 порядка больше мощности любых других твердотельных источников колебаний. Теоретический максимум электронного КПД в режиме ОНОЗ приблизительно 17% для 1 !!„с = 2 и достигается при Е,(Ю„в = =4...5 и )7н!)«а=20".30 Под гибридными понимают все режимы. промежуточные между ОНОЗ и «чисто» доменными. От режима ОНОЗ гибридные отличает .существование в течение части периода колебания достаточно большого неравновесного пространственного заряда, обычно имею!цего вид одного или нескольких дипольных доменов. Однако(и в этом отличие от идеализированных доменных режимов) время формирования пространственного заряда здесь настолько велико, что он начинает существенно влиять на протекающий ток уже после того, как растущее мгновенное напряжение, превысив пороговое значение, пройдет основную часть падающего участка зависимости о р (Е).
Сколько-нибудь точный расчет гибридных режимов требует детального задания профиля легнрования н практически выполним лишь с помощью ЭВМ. Для приближенных опенок можно либо воспользоваться ВАХ режима ОНОЗ (т. е. фактически функпией онр (Е)), либо образовать некоторую «гибридную» характеристику, пола~ ая, мапример, что прн оигпг ) 0 движение рабочей точки описывается крив»й онр (Е), а при последующем убывании напряжения на диоде ~ (1) = !нас вплоть до и У ою сменяясь участком рассасывания пространственного заряда при и( 0 р (рнс.
!9.10). Гибридныережимывозникаютв основном при Уа(~) 5 1О' см-' с. Максимум электронного КПД того же порядка, что и в режиме ОНОЗ, и достигается он приблизительно при тех же напряжениях питания и параметрах нагрузки. В 3-см диапазоне при работе в импульсном режиме получены значения г) ю 15%. Важное значение имеет режим отрицательной проводимости. Отличительная особенность этого режима — присутствие статического домена сильного поля, определяюгцего свойства ДГ по отношению к зажимам кристалла.
В зависимости от произведения А(зй различают два случая. Первый имеет место при малых ))(ай (10" см-', не допускающих существования движущихся доменов. При включении во внешнюю цепь такой ДГ образует отрицательную проводимость на пролетной частоте и ее гармониках. Данный эффект можно использовать для построения узкополосных усилителей. Однако они не представляют практического интереса. Рис. 19.10.
Вольт-амперная характеристика диода Ганна в гибридном режиме н соответствующая сй форма импульсов тока Известны два механизма стабилизации распределения поля в ЛГ, устраняющие двн. жущиеся домены, Г)ервый нз них предполагает равномерный профиль легироваиия. Анализ показывает, что последовательный учет диффузии в уравнении полного тока действительно приводит к постоянному во време.
ни распределению поля вдоль кристалла,'принимающему форму статического анодного домена (рис. 19.5, а), если только уровень легирования достаточно высок, Согласно расчег гн диод длиной 10 мкм переходит в режим отрицательной проводимости, если при !) = =200 смчс и Е = 2,00 ор й!~) 1,5Х Х 10ы см-а.
МинимУм Уь снйжаетси пРиблизительно в 2 раза прн удвоении О. Второй подход пведполагает ограничениеие тем или иным способо 1 пнжекции электронов из катода. Наприяер, распределение поля можно стабилпзир, вать при наличии у катода слаболегированиого слоя, сменяющегося линейным нарастанием дгч в сторону анода (рис. 19.11, а). Распределение поля (рис.
19.11, б) получается однородным, что способстнуе! сииысиню уровня собственных шумов. мн Х Я(!дмкм 4) Рис. 1911. Профнчь легирования (а) и устойчивое стационарное распределение электрического поля вдоль кристалла (б) в Режиме отрицательной проводимости Второй случай соответствует «сверхкритическому» легироваиию, когда выполнено неравенство (19.19). ДГ, поставленный в такой режим, проявляет отрицательную проводимость в диапазоне, крайние частоты которого отличаются в 2 ... 4 раза.
На основе таких ДГ созданы широкополосные регенеративные усилители с полосой пропускания порядка октавы, которые при достаточно большом возбуждении отдают в нагрузку такую же мощность, как и в автоколебательном режиме. Коэффипиеит усиления на малом сигнале достигает 10 .„20 дБ. Коэффипиент шума при использовании ДГ из фосфида индия составляет менее 10 дБ. При увеличении )ся усилитель становится автогенератором. Происхождеиие отрипательиой проводимости диода обусловлено ииерпиоииостыо статического домена.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
