Справочник по радиолокации (ред. Сколник М. И.) т. 4 - 1978 г. (1151803), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Генераторы нв основе объемного эффекта обладают падающей характеристикой и поэтому могут работать и как усилители, и квк генераторы с свмовозбуждением. Выходная мощность таких устройств в режиме усиления обычно меньше, чем в режиме самовозбуждения. Поэтому в дальнейшем будут описаны только генераторы с самовазбуждением такого типа. Генераторы Ганна. В 1963 г. Ганн (фирма !ВМ) при исследовании шумов в полупроводниках наблюдал на некоторых образцах из арсенида галлия и фосфида индия когерентные СВЧ колебания при приложении электрического поля порядка нескольких сот вольт иа сантиметр [3). В результате во всем мире начались исследования физических параметров таких устройств и возможностей их использования.
Механизм этого процесса, как потом оказалось, описали Ридли и Уотиинс (4] и Хилсом (5) еше до открытия Ганна. Их модели известны под названием двухдолинных моделей. Электроны зоны проводимости в некоторых материалах, как, например, в Пайз, формируются двумя долинами заполнения Нижняя долина содержит быстрые «легкие» электроны, а верхняя медленные «тяжелые» электроны При достаточно интеисивнык полях происходит перенос злектронов из нижней долины в верхнюю.
В процессе переноса средняя скорость электронов уменьшается, что соответствует отрицательной дифференциальной подвижности. Результатом является отрицательное сопрогивление, которое может быть использовано как для усиления, так и для генерирования. !73 Гл. б. Радиолокационные станции на твердотельных лраборак Образец прибора Ганна изготавливается в видо маленького кубика иэ Оадз л-типа с омическима контактами по обеим сторонам. Когда электрическое поле в приборе начинает превышать 3000 В/см, со стороны катода возникает домен сильного поля (слой накопления заряда), который проходит через прибор со скоростью порядка 1О' см/с (дрейфовой скоростью электронов при насыщении) и исчезает на аноде. Немедленно (приблнзительно через 10 †" с) у катала образуется новый ломен, и весь процесс повторяется.
Во внешней цепи появляются периодические импульсы тока, благодаря чему воз ннкает высокочастотная мощность. Частота определяется временем переноса домена [6, 7] через прибор. Были получены частоты от нескольких мегагерц до 40 ГГц при импульсной выходной мощности в несколько сот ватт нэ частоте 1 ГГц (при очень большой скважности средняя мощность была менее ! Вт). Генераторы в режиме ограниченного накопления объемного заряда. Лля генерирования высокочастотной мощности может быть использован другой тип колебаний в арсениде галлия, открытый Копеландом (21. В этом типе колебаний процессы, связанные с переносом илн с формированием домена„ не используются.
Однако, как и в случае нормального эффекта Ганна, необходим материал с двумя состоянинми подвижности. Режиму ограниченного накопления объемного заряда свойственны следующие особенности: 1) значение рабочей частоты выше величины, обратной времени переноса носителей; 2) частота колебаний точно определяется частотой контура; 3) произведение мощности на сопротивление при этом типе колебаний может быть значительно больше, чем в режиме нормальных ганновских колебании; 4) выходная мощность и к. п. д. имеют такие же или более высокие зна чения, чем в режиме гвнновских колебаний.
Качественный анализ работы в режиме ограниченного накопления объемного заряда достаточно прост. На прибор подается смещение, соответствующее области отрицательного сопротивления вольт-амперной характеристики. Частота колебательного контура должна быть выше величины, обратной времени переноса. Контур не должен сильно нагружать диод чтобы выброс переменного напряжения был дос~аточно большим и напряжение иа диоде при отрицательном полупериоде напряжения было ниже порога, при котором могут возникнуть нормальные ганновские колебания.
Легнрование должно быть таким, чтобы в течение положительного полупериода домены не успели сформироваться и переместиться через диод. Таким образом, в течение положительного полупериода объемный заряд накапливается только около контакта, к которому подключен источник питания, в то время, как вся остальная часть обьема прибора находится в условиях отрицательного сопротивления.
Таким образом волна, проходящая через прибор, усиливается вдоль всей длины устройства. Чем длиннее устройство, тем больше его энергетические возможности. Этому режиму работы соответствует высокий к. п. д., так как весь прибор находится в состоянии отрицательного сопротивления. В течение большей части периода высокой частоты область дрейфа последсвательного сопротивлении, вносящая потери, отсутствует. Произведение мощности на сопротивление в этом устройстве больше, чем в более коротком устройстве, работающем в режиме нормальных ганновских иолебаний. Поскольку зто устройство работает как усилитель сигнала значительной величины, а не как пролетный прибор, в выходном сигнале содержится меньше гармоник, чем в режиме нормальных гаиновских колебаний.
К. п. д. также несколько увеличивается благодаря тому, что энергия не затрачивается на нежелательные типы колебаний более высокого порядка. 174 б.й Генерирование СВЧ полупроводниковыми приборами Лавинные генераторы. В полупроводниковых приборах, смещенных да.леко в область режима обратного пробоя, существуют также другие типы колебаний. Такие приборы получили название лавннных генераторов.
В отличие от диодов Ганна и диодов с ограниченным накоплением объ.емного заряда, в которых применяются специальные материалы, обладающие явлением «переноса электронов», лавипные диоды изготавливаются из любого обычного полупроводникового материала (кремния, германия, арсенида галлия). Генераторы на лавинных диодах могут работать в нескольких существенно различных режимах. Один из этих режимов, лавинопролетный, был шириоко исследован и использован в СВЧ генераторах.
а) Рис. Е. Структуры генератора Рида (о) и лавинного генератора (6). На рис. 4 показана структура четырехслойного диода Рида и типового трехслойного лавинного диода. Основной механизм, обусловливающий отрицательное сопротивление (в рассматриваемом режиме), является одинаковым для обеих структур и был исследован Ридом (6) в 1957 г.
Чисто отрицательное сопротивление в лавинопролетном режиме работы обязано наличию двух механизмов, Одним из них является лавинное умножсние носителей, а другим — задержка времени переноса носителей. Получающиеся при этом два сдвига фазы суммируются н дают полный фазовый сдвиг, создающий чисто отрицательное сопротивление. Нарастание тока через область лавинного пробоя отстает от напряжения в пределах этой области, в результате чего получается такой же фазовый сдвиг, как в индуктивностн. Кроме того, носители, генерированные в результате лавинного процесса, перемещаются через остальную часгь а-области на предельной скорости.
Время переноса через область дрейфа вызывает появление второго фазового сдвига. При смещении диода Рида в область лавинного пробоя носители зарядов (дырки и электроны) генерируются путем размножения носителей в тонкой области около р — а-перехода; образование носителей отстает от переетенного электрического паля приблизительно на п)2 рад, Затем носители (дырки или электроны в зависимости от типа устройства) пересекают область дрейфа, фазовый угол пробега которой т=п, и внешний ток отстает ат образования носителей иа и/2 рад. Таним образом, полный фазовый сдвиг между импульсным переменным напряжением н импульсным током составляет и рад, в результате чего возникает отрицательное сопротивление.
Лавинный процесс в трехслойном р+ — а — а+-диоде захватывает почти всю область дрейфа; дырочные лавинные токи текут в одном направлении, а электронные в другом. Все же основными параметрами, определяющими работу диода, являются запаздывание, обусловленное временем переноса, и запаздывание процесса образования лавины. Тем не менее как в этом диоде, так и в диоде Рида нельзя не учитывать фазовый сдвиг в области лавинного пробоя. В лавинопролетнам режиме работы мощность вепрерывных колебаний для обеих структур составляет несколько ватт при к.
п. д. порядка 1Ое)е. Лавинный пробой сопровождается относительно большим шумом, поэтому при. 17$ Гл б Радиолокационные станции на твердотельных приборах менение таких диодов в известной мере ограничено. Произведение мощности на сопротивление [6~ для лавинного диода довольно велико, причем можно полагать, что оно изменяется пропорционально цз. Используется еще один режим работы. Была предсказана возможность получения отрицательного сопротивления прн небольших фазовых углах пробега области дрейфа, когда плотность тока велика. Структура диода аналогична изображенной на рис. 4, а однако рабочая частота лежит в диапазоне дециметровых волн, а не в диапазоне Х. Лавинный процесс возбуждается во всей л-области. Этот режим подробно исследован Хоуффлингером [71. Он предсказал появление отрицательного сопротивления на низких частотах, обусловленное искажением электрического поля объемным зарядом в области дрейфа лавины, Затем колебании такого типа были обнаружены самим Хоуффлннгером и другими исследователями.
В экспериментальных работах в режиме малого фазового угла пробега в дециметровом диапазоне была получена импульсная мощность порядка нескольких ниловатт при высоком к и. д. Основные ограниченна по мощности. Для каждого типа генератора СВЧ существует ряд ограничений по энергетическим возможностям, из которых основными являются два наименьшие допустимые входное и выходное сопротивления, которые могут быть еще использованы в схеме, н нагрев, обусловленный мощностью, рассеиваемой в самом приборе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
