Файл: Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет.pdf

Из условий (8.48), (8.49) вытекает критерий существования режима ОНОЗ, который для диода из GaAs при комнатной температуре записывается в виде

т д 1 « Г < ( 2 - 3 ) т д 2 ,

где п— концентрация электронов, см"3 ; / — частота, Гц. Поскольку частота колебаний в рассматриваемом режиме не зависит от толщины пластины полупроводника, послед­

нюю можно существенно увеличивать по сравнению с разме­ рами, определяемыми пролетным временем. Увеличение размеров диода позволяет подводить к диоду большую мощ­ ность и, следовательно, получать в нагрузке большую мощ­ ность, чем при использовании приборов, основанных на пролетных эффектах. Режим ОНОЗ энергетически наиболее выгоден и позволяет получать большие мощности в импульс­ ном режиме при высоких значениях к. п. д.

Частотный диапазон режима ОНОЗ оказывается более широким, чем во всех других режимах. Например, частот­ ный предел диодов Ганна, работающих во всех режимах, кроме ОНОЗ, ограничен частотами 40—50 ГГц. Ограниче­ ние связано с уменьшением длины кристалла: для частот 40—50 ГГц требуются длины кристаллов порядка 2 мкм. Работа диодов Ганна на таких частотах невыгодна из-за слишком малой выходной мощности. Рабочие частоты суще­ ствующих генераторов в режиме ОНОЗ составляют 10— 150 ГГц [30].

8.2.5. Гибридный режим

Гибридный режим является промежуточным между ре­ жимом с подавлением домена и ОНОЗ. Он характерен тем, что в большей части высокочастотного периода в диоде су­ ществует несформировавшийся нарастающий домен силь­ ного поля [31]. При этом время формирования домена может быть сравнимо со временем пролета домена от контакта к контакту или может составлять большую часть высоко частотного периода и в то же время быть меньше времени пролета.

Для работы диода Ганна в гибридном режиме необходимо следующее: амплитуда переменной составляющей напря­ жения на диоде Еу должна быть больше Е0 — £ ' (рис. 8.19), где £ „ ' — напряженность, при которой подав-

Рис. 8.19. Временная зависимость напряженности электрического поля вне домена в гибридном режиме.

ляется домен; время формирования домена должно быть сравнимо с периодом высокочастотного напряжения на Диоде.

Домен сильного поля начинает формироваться в момент времени, когда результирующая напряженность электри­ ческого поля становится выше пороговой £ п (рис. 8.19).

Поскольку время формирования домена велико, потенциал домена не успевает следовать за внешнеприложенным на­ пряжением. Поэтому напряженность электрического поля вне домена Ев(1) оказывается всегда меньше приложенной к диоду напряженности электрического поля. В то же время EB(t) в течение значительной части высокочастотного перио да будет больше Еп (на рис. 8.19 в течение времени 0 — / 3 ) . В течение этого времени ток проводимости через диод сле­ дует зависимости v(E). К моменту /4 EB(t) < ED, т. е. домен сформировался. Подавление домена произойдет после того,

v(E) до Еп.

Режим работы диода Ганна можно перевести в гибридный либо увеличением питающего напряжения при неизменной частоте, либо при неизменном напряжении питания увели­ чением рабочей частоты.

При увеличении питающего напряжения изменяются параметры домена: увеличиваются ширина и потенциал до­ мена , соответствующие стационарному насыщенному домену. Естественно, что с увеличением потенциала домена растет и время его формирования. Это значит, что при определен­ ных для каждого диода перенапряжениях время формиро­ вания домена в диоде может стать сравнимым с периодом высокочастотного поля, и режим работы диода перейдет в гибридный. Напряжения, которые необходимы для этого, зависят от параметров материала полупроводника и харак­ теристик диода— концентрации электронов п0, подвижности носителей Uj, длины L . При увеличении рабочей частоты ре­ жим работы диода Ганна будет переходить в гибридный тогда, когда длительность высокочастотного периода начнет приближаться ко времени формирования домена сильного электрического поля.

Гибридный режим может осуществляться в зависимости от параметров диода в широком интервале частот и напря­ жений.

8.2.6. Параметрический режим [30]

Домен сильного электрического поля в диодах Ганна обнаруживает реактивные свойства. Наряду с активной со­ ставляющей проводимости домен обладает реактивной, ко-

торую можно представить в виде емкости, включенной па­ раллельно активной составляющей, или отрицательной ин­ дуктивности, включенной последовательно. Представление в виде емкости более наглядно. Это следует из того, что ток в области домена — в основном ток смещения. Изме­ нение напряжения на диоде Ганна меняет параметры до­ мена сильного поля и эквивалентную емкость домена. В про­ стейшем случае емкость сформировавшегося домена можно оценить через длину домена /д ((7) по известной формуле С д = = є5/4я/д((7), где 5 — площадь. Эта формула справедлива для треугольной модели домена. Если рассматривается мо­

от Cj до Сд . Поскольку емкость домена нелинейно зависит от напряжения (как при формировании домена, так и при изменении напряжения на диоде), она может обусловливать параметрические эффекты. Экспериментально установлено, что при определенных условиях во внешней цепи при работе генератора на основной частоте диода (/ = v/la) существен­ ное значение имеет изменение емкости домена с частотой, равной двойной пролетной [32]. Если переменное поле, устанавливающееся в резонаторе, содержит вторую гармо­ нику, ее мощность не потребляется нагрузкой и соблю­ дается определенное фазовое соотношение между колеба­ ниями первой и второй гармоник, то на основной частоте возможно увеличение мощности и к. п. д. вследствие пара­ метрической самонакачки на второй гармонике. Энергия, запасенная на второй гармонике, перекачивается в энергию первой гармоники. За счет параметрической самонакачки на второй гармонике мощность и к. п. д. генератора на ос­ новной частоте могут быть увеличены примерно на 20%.

8.2.7. Режим усиления

Для диодов Ганна возможны следующие разновидности режима усиления: а) когда п0Ь < 2,5 • 1011 с м - 2 и в диоде возможно распространение нарастающей волны простран­ ственного заряда; б) когда для усиления используется ОДП,

няется домен сильного поля; г) когда работающие в различ»

ных режимах генераторы Ганна синхронизируются усили­

мым импедансом. Такое устройство анализируется в прибли­ жении малого сигнала [33]. Из анализа следует, что в оп­ ределенных условиях образец обладает отрицательной диф­ ференциальной проводимостью, которая может быть ис­ пользована для усиления. Он обладает отрицательной диф­ ференциальной проводимостью тогда, когда в рабочей точке зависимость v(E) имеет отрицательный наклон (для GaAs при напряжениях питания, превышающих пороговое).

диффузии электронов над дрейфом, что приводит к уменьше­ нию отрицательной дифференциальной проводимости.

Основными характеристиками таких усилителей явля­

ются стабильными усилителями. Такие усилители не могут развивать большой выходной мощности. Стабильное уси­ ление возможно и при n0L > 2,5 • 1011 см"2 . В этом случае формирование доменов сильного поля предотвращают ис­

стороны внешней цепи представляет собой отрицательную дифференциальную проводимость (т. е. вольтамперная ха­ рактеристика диода с доменом — падающая). Такая отри­ цательная проводимость частотно независима в отличие от отрицательной проводимости при предыдущем виде усиле­ ния. Это справедливо, если длина домена значительно мень­ ше длины диода. Если длина домена стремится к длине дио­ да, появляется частотная зависимость отрицательной про­ водимости, которая в пределе, т. е. при / д > L, переходит в зависимость ОДП от частоты для предыдущего вида уси­ ления. Такие усилители называются нестабильными. Они