Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Это приводит к расширению лавинного импульса, изменениюформы наведенного тока и уменьшению полезной мощности и КПД.Шумы. Уровень шумов в ЛПД в основном определяется флуктуациями лавинноготока, выходящего из слоя умножения. Эти флуктуации объясняются, во-первых,статистическим разбросом моментов поступления носителей вслой умножения, а во-вторых, флуктуацией числа частиц влавинах, образованных каждым пришедшим носителем заряда.Флуктуации, связанные с первой причиной, подобны дробовомушуму, растут с увеличением тока.Рассмотрим подробнее вторую причину. Каждый пришедшийв слой умножения носитель дает начало лавине с полным числомчастиц, равным коэффициенту умножения М.
Частицы лавинывылетают из слоя умножения в различные моменты времени.Последние появляющиеся в лавине частицы выйдут из слояумножения через среднее время Mτл, если считать, что за времяпролета в слое умножения τл каждый носитель заряда в лавинесоздает одну электронно-дырочную пару [последнее являетсяусловием лавинного пробоя, см. формулу (10.12)]. В ЛПДзначение М может составлять 103—105. Расчет показал, чтоспектральная плотность флуктуации тока, связанная сфлуктуациями момента вылета носителей из слоя умножения,значительно больше дробовых флуктуации исходного тока ирастет с увеличением среднего числа носителей в лавине.Рис. 10.13На рис. 10.13 приведены расчетные зависимости шумовогонапряжения усилителя на основе кремниевого ЛПД приразличной плотности тока.
Шум имеет максимальное значение на лавинной частоте fл и140очень сильно уменьшается при f>fл. Зависимость шума от плотности тока различна длянизких и высоких частот: шум уменьшается при f<fл с ростом тока, а при f>fл — спонижением тока. Таким образом, для получения меньшего шума следовало бы работатьна частотах значительно выше лавинной и при малом токе. Однако это противоречитусловиям получения максимальной мощности и КПД.Расчетно и экспериментально найдено, что в пролетном режиме работы минимальныешумы у ЛПД из арсенида галлия, а максимальные—у ЛПД из кремния.
Меньший уровеньшума в случае арсенида галлия объясняют равенством коэффициентов ионизацииэлектронов и дырок (αn=αp). Уровень шума ЛПД по сравнению с другимиполупроводниковыми и электровакуумными приборами высок, что являетсясущественным недостатком. Минимальный коэффициент шума УЛПД составляет около20 дБ.141§ 10.5. Особенности устройства и применения ЛПДДля изготовления ЛПД используют кремний, германий и арсенид галлия требуемуюструктуру получают методами эпитаксиального наращивания, диффузии и ионноголегирования.
На рис. 10.14 показано несколько структур ЛПД и распределениенапряженности поля в них (ОК — омический контакт)Для создания ЛПД миллиметрового диапазона применяют метод ионноголегирования—получение необходимого закона распределения примесей бомбардировкойполупроводника ионами, ускоренными до высокой энергии (десятки—сотникилоэлектронвольт). Этот метод позволяет легко контролировать закон распределения иконцентрацию примеси и создавать очень узкие переходы (десятые доли микрометра).Рис. 10.14При этом появляется возможность получения при очень узких переходах так называемыхдвухпролетных ЛПД миллиметрового диапазона (рис. 10.14,г).
Одновременноеиспользование эффекта пролета электронов и дырок, возникающих в общем слоеумножения, приводит к росту выходной мощности и КПД примерно в два раза.Мощность и КПД генераторов на ЛПД сравнительно невелики, зависят от рабочейчастоты и от теплоотвода. Для улучшения теплоотвода в мощных ЛПД в качествеподложки используют алмаз. Мощность в пролетном режиме на частотах 4—12 ГГцпорядка 5 Вт в непрерывном режиме (табл. 8).
В непрерывном режиме на частоте 50 ГГцна однопролетных ЛПД получена мощность 0,5 Вт при КПД -10%, а на двухпролетных –1 Вт при КПД ~14%. В двухпролетных ЛПД на частоте 92 ГГц достигнута мощность 0,18Вт при КПД~77%.ЛПД работающие в пролетном режиме, используют также для усиления колебаний,однако из-за большого коэффициента шума (20—40 дБ) они не пригодны для входныхустройств. Коэффициент усиления при каскадном включении достаточно велик (до 30 дБи более).Схема для получения режима работы ЛПД с захваченной плазмой сложнее, чем впролетном режиме, так как необходимо обеспечить условия запуска: усложняетсяколебательная система, требуется большая плотность тока.
Сведения о мощности и КПД вэтом режиме приведены в табл. 8. Как уже отмечалось ранее, преимущества режима сзахваченной плазмой проявляются на более низких частотах. Наилучший результат по142мощности—1,2 кВт в импульсном режиме получен на пяти последовательно соединенныхЛПД на частоте 1,1 ГГц при КПД 25%.В пролетном режиме работы ЛПД отрицательное сопротивление существует в широкойполосе рабочих частот. Следовательно, можно изменять частоту генерации в большихпределах (более октавы) механической перестройкой колебательной системы.
Широкоприменяют также электрическиеспособы перестройки частоты.Один из способовсостоит в изменении собственной частоты колебательной системы (резонатора) спомощью варакторного СВЧ-диода. Диапазон перестройки в зависимости от схемывключения варакторного диода доходит до 3—5%. Применяют для перестройки такжеферритовые элементы, помещенные в резонатор ГЛПД, при этом диапазон перестройкиТаблица 8Параметры ЛПДможет достигать 10%. Для перестройки частоты в небольших пределах используютзависимость частоты от постоянного тока (электронное смещение частоты). Крутизнаэлектронного смещения частоты в сантиметровом диапазоне—несколько мегагерц намиллиампер, а диапазон перестройки — несколько десятых долей процента.Следует отметить, что важное значение для ГЛПД имеет температурная стабильностьчастоты генерации.
Температурный коэффициент частоты конкретного генераторазависит не только от изменения параметров самого диода, но и от изменения параметровколебательной системы. ТКЧ одноконтурного ГЛПД составляет около ±10-4 град-1, номожет быть уменьшен принятием специальных мер.Как уже отмечалось, ЛПД имеют высокий уровень шумов. Эту особенность ЛПДможно использовать для создания генераторов шума в СВЧ-диапазоне.
Генераторы шумана ЛПД очень просты, имеют большую спектральную плотность мощности шума, низкуюпотребляемую мощность, малую массу и габариты, т. е. выгодно отличаются отэлектровакуумных генераторов шума.143Глава 11 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ С ОБЪЕМНОЙНЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ (ДИОДЫ ГАННА)Полупроводниковые СВЧ-приборы с объемной неустойчивостью—это приборы, вкоторых генерация или усиление колебаний вызваны неустойчивостью объемного зарядав полупроводниковом материале вследствие отрицательной дифференциальнойподвижности носителей. Возможность получения отрицательно дифференциальнойподвижности в полупроводниковом материале предсказывалась почти сразу послепоявления транзистора, а в 1963 г.
была теоретически обоснована такая возможность дляарсенида галлия (GaAs). Теория получила экспериментальное подтверждение в 1964 г. врезультате открытия эффекта Ганна. Поэтому полупроводниковые приборы с объемнойнеустойчивостью называют также диодами Ганна.§ 11.1. Виды неустойчивости объемного зарядаОтрицательная дифференциальная проводимость полупроводников. Общимусловием усиления или генерации колебаний является наличие отрицательногодифференциального сопротивления, или дифференциальной проводимости. Найдемусловие, при котором возможно существование отрицательной дифференциальнойпроводимости в однородных полупроводниках.Плотность тока в полупроводнике с электронной электропроводностью(11.1)где σ—проводимость; µ—подвижность и п—концентрация электронов; v=µE—дрейфоваяскорость электронов в поле напряженностью Е.Дифференциальная проводимость(11.2)Если подвижность не зависит от поля (µ=const), то dv/dE=µ, а σд= σ.
Дифференциальнаяпроводимость станет отрицательной, если в формуле (11.2)(11.3)Это неравенство имеет смысл только в случае, когда подвижность зависит от поля.Тогда условие (11.3) можно переписать в видеили(11.4)По условию (11.3) для получения σд<0 необходимо, чтобы дрейфовая скоростьуменьшалась с ростом поля. Но это произойдет только в том случае, если в выражении(11.4) подвижность уменьшается (dµ<0) при увеличении поля (dЕ>0) и притомуменьшается сильнее, чем растет поле, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
