Файл: Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие.pdf

-84 -

оприборах,ре аработа иных з последнее время в США. В

табл. 2 приведены основные параметры диодов,предан зна­

ченных для работы в ЛйВИККО—пролетном реъше(ІМРАТТ - режим)

появились надежные ЛПД миллиметрового д-лспаьона.работаю­ щие на частоте 55 ГГц. ’

Не рис. 57 показано распределение достигнутых зна-

чений выходной мощности по частоте,пост роенное по данным табл. 2 , и проведены линии P f 2 = const .определяющие пре-

- 86

Рис.5?. Распределение достигнутых значений мощ­ ности по частоте ( TMPATJ -колебаний.);

• • • • - ямпульсный резим; оооо-непрерывный режим.

Рис.58. Распределе­ ние достигнутых зна­ чений мощности по

част оте ( т#д р& j j колебаний); •••-им ­ пульсный режим;

о о о -непрерывный ре­ жим.

- 57 -

требуется -значительно большие плотности тока, чем в обычном лавинно-пролетном режиме, поэтому создание ге­ нераторов непрерывных колебаний связано'с большими трудностями.

Распределение достигнутых значений зыходной мощ­ ности, по частоте для диодов, работающих в лавинном ре­ жиме с захватом носителей, представлено на рис.58 .

Высокая эффективное!ь преобразования энергии в лавин­ ном режиме с захватом носителей заряда, получается на субгармониках основной частоты лавинно-.шолетных коле­ баний, то есть на значительно более низких частотах.

Однако pnc.JB наглядно показывает, что в настоящее время генераторы на ЛПД, работающие в режиме с захва­ том носителей заряда, могут быть созданы-на очень высо­ кие частоты вплоть до 13-20 ГГц, Доказательством явля­ ется ЛПД, надежно работающие-на частотах свыше 50 ГГЦ.

- 88

Раздел третий

ПРИБОРЫ С МЕЯДОЛШНШ ЭЛЕКТРОННЫМ ПЕРЕНОСОМ

Введение

Твердотельные СВЧ приборы-с переносом электронов представляют собой обоазцы однородных полупроводников, работающих в сильных электрических полях.Главнейшее достоинство этих .приборов в том, что у них нет ни р - п -

перехо.цов, ни управляющих электродов.-В отличие от СВЧ— транзисторов и диодов в приборах с переносом электронов работает весь объем полупроводника, а не узкие области переходов. Для изготовления используются однородные полупроводники П -типа, обладающие специфической структурой зоны проводимости, в которой возможен "меж­ долинный переход" электронов, обеспечивающий возникно­ вение отрицательной дифференциальной проводимости ( ОДП; в объеме полупроводника при наличии сильных электричес­ ких полей. Наиболее распространенным в настоящее время материалом с такими свойствами является арсенид гал­ лия (Gaßsj п -типа.

Началом чрезвычайно интенсивного исследования и разработки приборов СЗЧ на основе междолинного передода электронов ( МЭП-приборов) послужило открытое экспе­ риментально в 1Э63- г. английским -физиком Дж.Ганном яв­ ление генерирования СЗЧ-колебаний в однородных образ-

* В настоящее время не существует единого термина для: определения приборов с электронным пеоеносом,поэто­

му в тексте наряду с термином: ТіЗП-пр.ибор,'испояьзуется термин ДЭП' ( диод с электронным переносом) .

- 89 -

проявлений более общего явления: возникновения О.ЩІ в однородном полупроводнике при сильных полях, обуслов­ ленного междолинным переходом электронов.

Со времени открытия эффекта Ганна не прошло еще 10 лет, однако, в результате развернутых широким фрон- . том теоретических и экспериментальных исследований, в настоящее время созданы генераторные и усилительные • МЭП-приборы,работающие в диапазоне 1+1Ö0 ГГц. Выходная

мощность в непрерывном режиме некоторых из этих прибо- . ров достигает единиц ватт,а максимальная эффективность преобразования энергии 29$. В импульсном режиме достиг­ нута выходная мощность,равная б кВ*.

Эти достижения столь значительны, что открывают возможности применения приборов с переносом электронов, в качестве усилителей и генераторов малой и средней мощности во многих радиоэлектронных системах ( прежде всего в качестн^активных элементов «газированных атенных решеток ррщолокациоиных станций^.

1. ФИЗІНЕСКИЕ ЯВЛЗНда.ЛЕМІШЕ В ОСНОВЕ мэпПРИБ0Р0В

Междолинный переход электронов

Явление междолиннрго перехода электронов имеет мес­ то в сложных однородных полупроводниках таких,как арсе­ нид галлия, фосфид индия, селен-яд цинка,теллурид кадмия. Зоны проводимости этих полупроводников состоят из нес-

- 90 - кольких разделенных по энергии подзон, называемых доли­

нами. На рис. 59 приведена упрощенная энергетическая диаграмма Gads я-типа. Б зоне проводимости изображены

Рис.59. Упрощенная энергетическая диаграмма

две долины: нижняя' 1 и верхняя 2. Раэность энергетичес­ ких уровней между минимальными значениями энергии в до­ линах составляет ДІѴ^О.Зб эВ. При отсутствии внешнего электрического поля средняя энергия электронов в образ­ це П-GaAsопределяется их тепловой энергией К~Г , и при

комнатной температуре . 7~а =300 =0,025 эВ. Так как

t

«T0 « A W » практически все электроны проводимости будут

находаться в нижней долине. В таком состоянии электроны

***.

обладают малой эФ'гективной массой т ^ 0 , 0 ? т0 , где /П0-

ыасса свободного электронами высокой аодвижностьс

- 91

ßJ, - ?000 CM/'â<z - При увеличении напряженности элек­

трического поля в полупроводнике дрейіовая скорость я кинетическая энергия электронов возрастаютКогда энер­ гия, полученная электронами от электрического поля, ста­ новится сравнимой с дИ/ , возникает перераспределение электронов между нижней и верхней долинами в зоне про­ водимости« Так как в арсениде галлия в верхней долине разрешенных уровней примерно в 60 раз больше, чем в ниж­ ней долине, то при достаточно сильных полях почти все электроны переходят в верхнюю долину и оказываются в состоянии, которое характеризуется значительно более

низкой подвижностью yW^-200 СЛ1//3 С и большей эффектив­

ной массой /Г)0

Междолинный переход электронов происходит практи­

чески мгновенно.. Влияние времени перехода начинает вли­ ять на параметры МЭП-приборов на частотах свыше 100 ГПц

[И ] .

Для существования меядолинного перехода электронов

Wz -W t > кТ0 .

В нижней долине, электроны должны иметь значитель­ но более высокую подвижность, чем в верхней ( ß J ,»

3. Кирина запрещенной зоны должна быть значительн больше AW-hßli/, чтобы напряженность поля, необходимая для осуществления меядолинного перехода электронов, бы­ ла значительно меньше напряженности пробойной ионизации полупроводника.