Файл: Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.07.2024
Просмотров: 88
Скачиваний: 0
-120 -
х2 так мал, что домен сильного .поля не успевает сформи
роваться и электрическое поле в рабочем объеме ДЗП оста ется почти однородным. Таким образом, в состоянии с от рицательной дифференциальной проводимостью оказывается весь рабочий объем полупроводника диода.
Рлс-80. Режим ограниченного накопления объемного заряда.
В интервале времени ^ напряженность поля меньше пороговой и проводимость диода положительная, поэтому он отбирает энергию у поля резонатора. Одновременно про
исходит |
рассасывание |
объемного заряда, |
,>слезшего |
накопи |
|||
ться |
аа |
время |
. |
|
|
|
|
|
Так |
как за |
время |
диод отдает |
энергию,а |
о остав |
|
шуюся долю периода |
поглодает |
ее, то |
для доот л- |
||||
женка |
наибольшей |
эффективности преобразовала |
эко? л::и |
121 |
|
необходимо, чтобы ДЭП большую часть пеииода |
находился |
б состоянии с отрицательной дифференциальной |
провсдк- |
мостыс. Практически это достигается повышением постоян ного напряжения смещения до значений, ь £еЗ раза пре восходящих величину ЕПОр .
Возможность осуществления режима OHG3 на заданной частоте ограничивается двумя условиями. Время -формиро
вания домена должно быть значительно меньше периода вы сокочастотных колебаний, чтобы домен сильного поля не
успевал сформироваться за |
промежуток |
|
- 7 0> когда ДЭП |
||||
находится |
в состоянии |
с ОДП. Это условие |
можно записать |
||||
в виде |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
« |
|
еп0 я<1Е; |
|
|
|
где fUilE) |
|
|
|
^ |
с_ П0/О |
||
- |
подвижность |
электронов |
пои |
||||
Объемный |
заряд, |
образовавшийся |
за Бремя |
гі г ,должен |
успеть полностью рассосаться за оставшуюся долю периода
~0-Т г , когда проводимость ДЭП положительна.'Это требо вание легко выполняется, если период высокочастотных
колебаний будет не меньше времени диэлектрической релак
сации |
ооъемного заряда |
. На этом основании второе |
||
условие может |
быть записано в виде |
|
||
|
|
А . |
ч $ е п 0/и,(Е) |
Е-с Епор |
где j |
-- |
подвижность электронов при |
||
|
Объединение обоих условий позволяет |
получить окон |
чательное Еыракенйе, ограничивающее величину отношения
концентрации носителей |
к рабочей частоте для ДГП ßs Gaki |
|||
yf; = - 1 |
0 0 м УЗ-с , |
/W7 |
=9000 |
С/МV 5 .с ,при которой |
возможна |
реализация режима |
0403, |
в виде |
-122 -
2 • 40 ^ По/ л » j.b -to * с - CM3.
Максимально возможная частота колебаний в режиме
0Н03, определяемая обратным временем междолинного пере хода по различным теоретическим оценкам, может составить
от 100 до 800 ГГц. Наибольшая частота генерации,получен ная в этом режиме,экспериментально равна 160 ГГц (1967г.), Максимальная эфіёктивнг'сть, полученная путем численных расчетоз , достигает 23$ [18] . Размер L в ДЭП,пред
назначенных для работы в режиме 0Н03, может примерно в
100 раз превышать соответствующий размер диодов,работаю щих з доменных режимах,что позволяет работать при высо ких постоянных напряжениях и получать большие значения выходной мощности.
Выходная мощность генераторов в режиме 0Н03 в насто
ящее ьремя ограничена, в основном,проблемами теплоотво да и доходит до нескольких ватт в непрерывном режиме и
нескольких киловатт з импульсном ( см.табл. 5 и табл.6 ), Весьма ценной особенностью режима 0Н03,обеспечивающей
ему все более широкое распространение в СВЧ-электроккже, является отсутствие зависимости выходной мощности от ра
бочей частоты [ 2 0 j ,тогда как для большинства, других
электронных приборов СВЧ выходная мощность убывает про порционально квадрату частоты.
Возбуждение генераторов в, режиме 0Н03 имеет свои
особенности, связанные с необходимостью обеспечения
больших амплитуд колебаний €>m— уже в начальной ста
дии генерации. Высокочастотная схема генератора должна
9
обеспечивать очень быстрое нарастание поля, чтобы преда-, предать формирование домена за время установления, коле
123 -
баний. При высоких напряжениях смещения,требуемых для |
|
режима ОНОЗ, образование доменов опасно потому, что |
|
возникающие в них электрические поля большой напряжен |
|
ности могут быть причиной лавинногопробоя полупровод |
|
ника. На практике для возбуждения |
генераторов работающих |
в импульсном режиме,используется |
метод ударного возбуж |
дения. Напряжение смещения подеется в форме импульсов с очень крутш фронтом нарастания, вследствие чего ре зонатор ударно возбуждается на частоте соответствующей режиму ОНОЗ, и начинается генерация.
Гибридный режим
3 1968 г. был предложен ноеый режим работы автоге нераторов на ДЗП-гибридный-ймеющий сходство по характеру физических процессов как с режимом "гашения домена", так и с режимом ОНОЗ. В гибридном режиме в отличие от режима ОНОЗ время формирования домена сравнимо с пери одом высокочастотных колебаний в резонаторе /Сср~7~0> по этому домен успевает сформироваться,но время его сущест вования ограничивается малой долей периода колебаний СгЧ-поля.
На .pne.Sl изображена зависимость напряженности электрического поля в Д^П от времени.соответствующая установившимся колебаниям в гибридном режиме. В проме жутке 'L) составляющем большую часть периода Т0 , напря женность поля £ > tnDp ?!- в диоде происходит формирование домена. Величина постоянного напряжения смещения ECL и
амплитуда высокочастотного'поля выбираются так.что бы ь течение каждого периода результирующее поле умень -
- 124 |
- |
|
шалоеь до величина Е^ЕІ . В |
интервале |
происходит |
оаспад только что сформированного домена и цикл повторя ется.
Рис.81. Гибридный режим.
Достоинства гибридного режима - возможность реали
зации его а значительно большем диапазоне |
значений Л°/г , |
чем для режима 0Н03, и достаточно е ы с о к з я |
То |
эффективность, |
обусловленная малым временем существования цомека.
На рис.82 приведены полученные теоретические зави симости к.п.д. автогенераторов на ДЗІІ, работающих в гиб ридном режиме-и режиме 0Н03 £ 14-J подтверждающие возмож
ность осуществления гибридного режима в широком диапазо не частот и особенно эффективное использование его на
сравнительно низких частотах ( ниже ІО ГГц ) .
- 125 -
Связь между различными режимами работы и технические характеристики автогенераторов
на ДЭП
Генераторы СВЧ на ДЭП могут работать в нескольких
рассмотренных |
выше режимах. Возможность осуществления |
||
того или иңого |
режима на заданной частоте |
зависит от. |
|
параметров |
ДЭП-концентрации носителей заряда Па и длины |
||
пролетного |
пространства L . |
|
Рис.82. Эффективность автогенераторов на МЭП-диодах:
1-гибридный режим; 2- режим 0HQ3. |
|
|||
На рис. 83 |
изображена |
плоскость fl0L~j- L |
.разделен |
|
ная на несколько |
областей, |
в которых могут быть реализо |
||
ваны основные режимы работы ДЗП. Если величина |
произве |
|||
дения n0L < 4 0 |
слГ2 > то і |
как |
известно, прибор устойчив |
|
относительно слабых сигналов, |
поэтому в области 1 воз |
можно только усиление сигналов на частотах,близких к поолетной частоте и ее гармоникам. Когда- П01_> 40 с а л ~2 ,
ДЭП становится неустойчивым: при этом любая флюктуация тока приводит■в ' периодическому образованию у катода либо
- 126 -
обогащенных слоев носителей заряда, либо доменов силъ- •>
ного поля. В этих условиях тип рабочего режима автогене ратора в значительной степени определяется собственной частотой и добротностью резонатора, в котором работает
дэп.
зшршпиоесная область
Рис.83 • Диаграмма основных рабочих режимов МЭП-приборов.
При относительно низком сопротивлении внешней цепи (малой добротности резонатора ) генератор работает в пролетном ( ганновеком ) режиме (область 2 ) , частота ге
нерируемых колебаний определяется обратной величиной вре
мени пролета доменов |
J '- 'j/f ~ 40 А |
и не зависит от |
внешней цепи. |
* |
см |
|
•V
-127 -
Вгенераторах с высокодобротнши резонаторами час
тота генерируемых колебаний |
f |
определяется |
собствен-- |
ной частотой резонатора f |
, |
а тип рабочего |
режима |
будет устанавливаться в зависимости от соотношения меж
ду величинами собственной частоты |
|
, пролетной час |
|||||
тоты ДЭП f |
и обратного |
времени формирования домена |
|||||
Область 3 соответствует режиму с запаздывающим |
|||||||
доменом, для которого |
рабочая частота |
может изменяться |
|||||
в пределах |
|
J~np |
• В |
области |
4 имеет |
место |
|
режим "гашения" при |
|
|
• |
Дальнейшее увеличение |
|||
собственной частоты резонатора |
до |
значений |
» */г<р } |
при которых время формирования домена значительно пре вышает период колебаний, позволяет реализовать режим
ОНОЗ (область 5J при соответствующих значениях |
л0/у- . |
3 области б могут быть обеспечены условия |
у ^ 2 . , |
необходимые ,для работы генератора в гибридном режимѣ?3
В табл.5 и 6 приведены достигнутые на раэных час тотах значения выходной мощности и к.п.'д. генераторами на ЫЭД-приборах, работающих в различных режимах.
ю
5Ö
ч
Ч Э
Ш
!Н
работы |
1971г. |
Непрерывный режим |
данные на декабрь |
|
( |
» |
|
- |
128 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
■S’ |
|
|
|
|
|
|
|
<1> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О Я |
|
со |
3и |
я |
я |
со |
со |
со |
со |
|
ш |
(U |
ф |
||||||
G И |
|
о |
а |
а |
2 |
о |
о |
о |
о |
|
о |
|
|
КС |
|
X |
|
X |
|
Я cd |
|
ж |
|
|
О |
|
|
||
НО |
|
|
|
|
|
о |
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
оэ |
I |
ю |
|
|
|
1 ю |
ю |
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
||
|
« |
|
Оэ |
|
|
|
|
"Ъ "о |
|
|
о |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Ч“«. |
*“"• |
|
|
|
|
со |
|
|
|
|
«о |
<о |
ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Я |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
я ^ |
|
|
|
|
|
|
со |
ю |
|
.к а |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
со |
со |
|
0.03 |
PQ |
|
|
|
|
|
|
||
ta н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
со я |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОCQО)I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О Кos |
Ф |
|
|
|
|
|
I |
W |
см |
Q*CS |
|
|
|
|
|
|
|
||
О Q . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
со яcsкЯ
я*
0 |
О |
|
! |
|
|
|
|
|
со |
ю |
|
К |
|
Я |
2Z |
S і |
С О |
|
|
|
|
||
Я |
CJ |
« |
f |
v\> |
|
|
|
|
|||
& |
С |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
£-* |
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
О |
К |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
. . I |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Н |
ч |
ш |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
CO |
|
|
|
Гч. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
°l |
|
СО |
C\J |
||
|
|
|
|
СО |
со |
О |
— |
СО |
— |
*• |
|
III |
о•£-:- |
|
г— |
— |
СJ |
О |
|
||||
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|||
|
|
J |
|
|
|
|
|
о |
ю |
|
|
I |
СОО |
|
о |
о |
о р |
|
о |
||||
іJ |
2 о |
|
Я |
|
•п' £~ |
о |
■см о |
||||
X 2? |
сд |
<—т- « |
.о |
— сс |
|
||||||
|
„. |
|
О Ю Ю О О О |
О |
о« |
||||||
Е Ч |
|
|
|||||||||
56 |
|
|
іо |
О |
О |
СО |
о .cg |
о |
со.. |
||
|
* |
|
С - , |
||||||||
Ое |
|
Е Г |
|
|
|
|
|
|
ю |
со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
03 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г г