Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Очевидно,Т/Т0→2 при U0→U0п. Таким образом, при U0≈U0п частота генератора может изменятьсянастройкой резонатора в пределах от пролетной частоты fпр =1/Т0 до вдвое меньшейвеличины fпр >f>fпр/2. Если U0>U0п, диапазон перестройки уменьшается.Уточним условия существования режима с задержкой образования домена. Кромеусловия Т0<Т необходимо, чтобы амплитуда переменного напряжения не была настольковелика, что во время пролета домена напряжение упадет ниже значения напряженияисчезновения U0и.
В случае U0=U0и необходимо, чтобы U1 <(U0п–U0и).В энергетическом отношении режим с задержкой образования домена более выгоден,чем пролетный режим. Длительность импульса тока Ти = T— Т0 может превышать суммувремени нарастания и рассасывания домена, которая определяет длительность импульса впролетном режиме. КПД возрастает с увеличением длительности импульса Ти и достигаетмаксимального значения примерно при Ти =T/2= Т0, т. е. на рабочей частоте, вдвоеменьшей пролетной.В режиме с задержкой образования домена КПД теоретически достигает 25%, аэкспериментально получено 20% при отдаваемой импульсной мощности 100 Вт.Режим с подавлением домена.
В этом режиме домен исчезает (подавляется) раньше,чем он дойдет до анода, т. е. в момент времени, когда напряжение на образце становитсяменьше U0и. На рис. 11.13 этот момент смещен относительно момента возникновениядомена на время Т′0, которое можно было бы назвать временем жизни домена иливременем его существования, в отличие от времени пролета Т0 в пролетном режиме, когдаон проходит через весь образец (Т0=L/vд, Т′0= L'/ vд , L'<L).
Следующий домен возникаетлишь спустя время Т0— Т′0, когда напряжение достигнет порогового значения. Пользуясь158вольт-амперной характеристикой, нетрудно определить изменение тока во времени. Винтервале времени tи = Т0— Т′0 образец ведет себя как омическое сопротивление.Время жизни домена в режиме с подавлением домена меньше периода колебанийгенератора (Т′0<Т0.) Частоту колебаний удобно сравнивать с возможной пролетнойчастотой, которая определяется временем пролета Т0 через образец. В нашем случае,очевидно, Т′0< Т0 (домен гибнет, не доходя до конца образца).
Само же время пролетаРис. 11.13может быть и больше периода колебаний, так как оно никак далее не влияет на процессы вобразце. Таким образом, возможны два случая:(11.51)(11.52)Неравенству (11.51) соответствует частота генерируемых колебаний меньше пролетнойчастоты образца, при U0=U0п она составляет примерно 0,75 fпр. Неравенство (11.52)означает возможность получения частоты больше пролетной. Ограничение по частотесверху реально связано с тем, что период колебания не может быть меньше суммывремени формирования и исчезновения домена. Верхняя частота может в несколько разпревышать fпр. Следовательно, диапазон механической перестройки частоты в режиме сподавлением домена оказывается достаточно широким.При заданном напряжении питания U0 постоянная составляющая тока I0 , амплитудапервой гармоники I1; выходная мощность Р0 , электронный КПД η и сопротивлениенагрузки Rн зависят от амплитуды напряжения U1 .
При определенных значениях U1 ,соответствующих согласованной нагрузке генератора, КПД будет максимальным.Достоинством режима работы с подавлением домена, как показывает анализ, является то,что в широком диапазоне рабочих частот мощность в нагрузке и КПД генератора принеизменных напряжении питания и величине нагрузки остаются постоянными.159§ 11.3.
Режим ограниченного накопления объемного заряда и гибридные режимыРежим ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ). Название режимасвязано с тем, что в нем домены не успевают сформироваться и объемный заряд в каждойнеустойчивости оказывается ограниченным, т. е. меньшим заряда в полностьюсформированном домене. Для получения такого режима период колебаний должен бытьмного меньше времени формирования домена (T<<tф).Рис.
11.14Предположим, что к образцу приложено постоянное напряжение U0, большепорогового значения (U0>U0п), и переменное напряжение с амплитудой U1>(U0— U0п), какпоказано на рис. 11.14. Когда результирующее напряжение превысит U0п, начинаетобразовываться домен. Если в ту часть периода, пока U0>U0п домен не успеваетсформироваться (условие режима ОНОЗ), то зависимость тока от поля не совпадает свольт-амперной характеристикой прибора с доменной неустойчивостью, как в прежнихрежимах, а повторяет вольт-амперную характеристику образца без домена, т. е.зависимость дрейфовой скорости от поля.
При этом ток сначала уменьшается, а затемрастет до значения Iмакс при U0=U0п. В эту часть периода t΄ образец ведет себя какотрицательное сопротивление и происходит передача мощности в СВЧ-цепь. Воставшуюся часть периода t˝=T—t/ U<U0п по определению режима объемный заряддолжен рассасываться. Если он не успевает исчезнуть, то за несколько периодовнакопится такой заряд, что прибор выйдет из режима ОНОЗ.
В интервале t″ прибор ведетсебя как положительное сопротивление (поглощение мощности), а ток изменяется всоответствии с начальной ветвью вольт-амперной характеристики. Таким образом,изменение тока имеет сложный вид, определяемый характеристикой v(Е).Нарастание объемного заряда в активную часть периода t’ определяетсядифференциальным максвелловским временем (11.19), соответствующим падающемуучастку кривой v(Е):где µ—средняя по времени отрицательная дифференциальная подвижность:160Рассасываниезарядаопределяетсямаксвелловскимполупроводника в слабом поле по формуле (11.22):временемрелаксацииЧтобы накопленный за время t′ заряд рассасывался за время t"=T—t'=tp, необходимоили(11.53)Это условие ограничивает минимальное значение tp/T, а, следовательно, иминимальную амплитуду напряжения U1 при заданном постоянном напряжении U0 (чемменьше U1, тем меньше tp). Максимальное значение tp определяется мощностью потерь.СВЧ-мощность, создаваемая в единице объема при амплитудах первой гармоникойтока I1 и напряжения U1=E1 (E1 – амплитуда напряженности поля), равна P=U1I1/2.Отрицательное дифференциальное сопротивление образца(11.54)Используя формулу (11.54), получаем(11.55)т.
е. в режиме ОНОЗ произведение мощности на сопротивление не зависит от частоты иопределяется амплитудой переменной составляющей поля в домене Е1 и длиной образцаL. Величина Е1 ограничена условием (11.53) на время рассасывания. Связь Е1 и tpопределяется очевидным соотношением (см. рис. 11.14)Режим ОНОЗ особенно эффективен на высоких частотах (f/10 ГГц), так как в нем, вотличие от других режимов, нет ограничения на время пролета и время формированиядомена.
Однако имеется принципиальное ограничение для частоты, связанное с тем, что,как уже отмечалось, на частотах более 20 ГГц зависимость дрейфовой скорости от полязаметно отличается от статической зависимости. Расчеты показывают, что максимальнаячастота генерации не может превысить 200 ГГц. Наибольшая достигнутая частота врежиме ОНОЗ составляет 160 ГГц.
Отмеченное принципиальное ограничение приводит кпадению КПД с ростом частоты. Максимальное значение КПД на частоте около 20 ГГцсоставляет 20—25%. Значение КПД можно несколько увеличить (до 30%), еслиобеспечить получение несинусоидальной формы напряжения на приборе. Подобноевлияние гармоник на КПД проявляется и в других приборах.
Для созданиянесинусоидальной формы напряжения необходимо, чтобы резонатор возбуждалсяколебаниями тока как на рабочей частоте, так и на ее гармониках.Режим ОНОЗ характеризуется большой амплитудой колебаний. Однако ввод в этотрежим представляет значительные трудности.В режиме ОНОЗ частота колебаний определяется внешней цепью (резонатором), приэтом применяют как механическую, так и электрическую перестройку последнего спомощью варакторного диода.Гибридный режим.
Этот режим является промежуточным между режимами ОНОЗ и сподавлением домена. Отличие от режима ОНОЗ состоит в том, что время формированиядомена составляет большую часть периода, а от режима подавления—в том, что доменрассасывается, не успев полностью сформироваться.При понижении рабочей частоты наблюдается плавный переход из режима ОНОЗ вгибридный режим, а далее из гибридного режима—в режим с подавлением домена. Такимобразом, возможно изменение частоты в очень широком диапазоне, перекрывающемдиапазоны отдельных режимов работы.161§ 11.4. Особенности устройства и применения диодов ГаннаДиоды Ганна изготавливают на основе монокристаллов или эпитаксиальных пленокарсенида галлия.
В зависимости от выбираемого режима работы и параметров длинаобразцов составляет от 5 мкм до 1 мм, а площадь сечения 2,5.10-5—10-2 см2. Необходимхороший омический контакт, обладающий линейной вольт-амперной характеристикой ималым сопротивлением по сравнению с сопротивлением объема образца.Рост температуры образца влияет на концентрацию и подвижность электронов.Увеличение концентрации может привести к уменьшению ширины вольт-ампернойхарактеристики, особенно длинных образцов. Для изготовления промышленных диодовобычно используют эпитаксиальный материал с концентрацией электронов, не зависящейот температуры.Однако изменение температуры влияет на подвижность электронов и,Рис.
11.15Рис. 11.16следовательно, на дрейфовую скорость. Уменьшение подвижности с ростом температурыприводит к изменению зависимости скорости от поля v(Е) и уменьшению выходноймощности и КПД. Экспериментально установлено, что диоды Ганна достаточноэффективно работают при температурах до 200—250°С. Перегрев диодов ограничиваетмаксимальную мощность генераторов в непрерывном режиме и максимальнуюдлительность импульсов в импульсном режиме. Другой причиной, которая также можетограничивать выходную мощность в пролетных режимах работы, является ударнаяионизация.Для работы в непрерывном режиме на более низких частотах используют планарнуюконструкцию диода Ганна (рис. 11.15), в которой теплоотвод от образца к металлупроисходит через полуизолирующую подложку i. Наибольшая мощность в непрерывномрежиме 0,6 Вт в трехсантиметровом диапазоне получена при использовании подложки изалмаза.Частотный диапазон, перекрываемый генераторами Ганна, очень широк и составляет100 МГц—150 ГГц.
На частотах от 1 до 150 ГГц диоды Ганна используют, в основном,для создания СВЧ-генераторов.Диоды Ганна включают в линии передачи и резонаторы, перестраиваемые по частоте.Коаксиалыю-волноводная секция с диодом Ганна, включаемая в волноводпый тракт,показана на рис. 11.16. Короткозамыкающие поршни необходимы для перестройкигенератора по частоте и согласования диода с нагрузкой.Для сравнения различных полупроводниковых приборов используется произведениемощности на квадрат частоты (Рf2) [см., например, формулу (10.61) для ЛПД].Увеличение рабочей частоты f требует уменьшения длины образца L, а, следовательно,и напряжения питания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
