Файл: Дьяченко Б.М. Генераторы частотно-модулированных колебаний на полупроводниковых приборах с отрицательным сопротивлением [монография].pdf

жизни носителей мало, и величина диффузионной составляю­ щей емкости С„ также невелика. Поэтому в области смеще­ ний, меньших контактной разности потенциалов па нес­

Рис. 7

колько десятых долей вольта, определяющей компонентной для С„ является зарядная емкость резкого р—п перехода

в широком диапазоне и мало изменяется при воздействии ра­ диации, что объясняется относительно сильным легировани­ ем материала, а также туннельным происхождением облас­ ти отрицательной проводимости.

39

Степень влияния температуры на величину пикового тока ТД обусловлена концентрацией носителей тока в данном кристалле. В зависимости от концентрации примесей 1макс может либо увеличиваться, либо уменьшаться с повышением темпераргуры, что дает возможность путем соответствующего выбора концентрации создавать ТД с минимальной зависим мостыо пикового тока от температуры. Напряжение UM111(C практически не изменяется от температуры.

Ток в точке минимума наиболее подвержен влиянию тем­ пературы и заметно растет с ее повышением. Напряжение Ux,„h уменьшается с ростом температуры почти по линейно­ му закону. Хотя теоретически ТД может работать от темпера­ туры жидкого гелия (—29б°С) до точки плавления сплавов, однако допустимые изменения параметров ТД в схеме суще­ ственно сужают этот диапазон, и большинство серийных ТД устойчиво работает при температуре о т —60 до +100°С.

Вполупроводниковых приборах наиболее чувствительным

крадиации является время существования неосновных носи­ телей, быстро уменьшающееся при увеличении дозы облуче­ ния. В транзисторах и обычных диодах это приводит к сни­ жению коэффициента усиления по току, увеличению тока утеч­

ки и ухудшению других важных характеристик этих приборов. Поскольку при небольших смещениях вольтамперная харак­ теристика ТД является результатом туннельного происхожде­ ния, она не зависит от времени жизни носителей. По этой при­ чине ТД в состоянии выдерживать без потери работоспособ­ ности дозы облучения, в сотни раз превышающие допустимые дозы для тех полупроводниковых приборов, в которых важ­ ную роль играет время существования неосновных носителей.

обстоятельство является одним из наиболее важных достоинств ТД перед другими полупроводниковыми приборами.

Кроме повышенной механической прочности и устойчиво­ сти ТД к внешним воздействиям, малых габаритных размеров и веса его решающее преимущество перед электронными лампами и транзисторами заключается в чрезвычайной широкополосности, поскольку механизм проводимости ТД—тун­ нельный эффект—в принципе не зависит от частоты вплоть до 1013 гц. К этому следует добавить низкий уровень внутренних шумов, малое потребление энергии и весьма большой срок

40

службы. Перечисленные достоинства делают ТД прибором для самых разнообразных применений.

Вместе с тем ТД является прибором, обладающим, с точки зрения схемных применений, рядом особенностей по сравне­ нию с традиционными «активными» элементами—лампами и транзисторами. Эти особенности определяют положительные н отрицательные свойства ТД при работе в различных схемах, и их необходимо учитывать при расчете и конструировании устройств на ТД.

Основная особенность ТД, что он двухполюсник с отрица­ тельной проводимостью и его входные зажимы являются од­ новременно и выходными. Это обстоятельство делает его поч­ ти идеальным прибором для построения простых схем авто­ генераторов, поскольку устраняет необходимость во внешней обратной связи. Вместе с тем отсутствие у ТД развязки между входом и выходом, то есть свойства однонаправленности, за­ трудняет согласование и разделение каскадов между собой, что существенно усложняет задачу создания многокаскадных схем на ТД.

Большая широкополостность ТД позволила создать «ак­ тивные» полупроводниковые устройства, работающие в сан­ тиметровом и миллиметровом диапазоне волн. Однако она же сильно затрудняет борьбу с паразитным возбуждением в схе­ мах с сосредоточенными параметрами, предъявляя повышен­ ные требования к нх конструкции и монтажу в смысле сведе­ ния к минимуму паразитных реактивных параметров.

Падающий участок вольтамперной характеристики ТД расположен в области малых напряжений и занимает неболь­ шой интервал: разность U Mll„—UMllKC составляет примерно 200 мв у германиевых ТД и 500 мв—у арсенидгаллиевых. По­ этому ограничен уровень усиливаемой и генерируемой мощ­ ности. Это один из основных недостатков ТД.

ТД обладает резко выраженной нелинейной вольтамперной характеристикой. Его дифференциальное сопротивление мож­ но считать линейным лишь в очень небольшой области сме­ щений вблизи точки перегиба на падающем участке характе­ ристики (см. рис. 7, б), а в области максимума и минимума нелинейность весьма значительнаКроме того, емкость Сп также имеет нелинейный характер. Благодаря этим нелиней­ ностям ТД весьма эффективно используется для осуществле­ ния таких нелинейных процессов, как преобразование, умно­ жение и деление частоты, амплитудная и частотная модуляция, миогочастотиое генерирование, регенеративное и сверхрегеие-

41

ративное усиление и детектирование. Резкая нелинейность характеристик ТД позволяет создавать частотно-модулнровни- иые автогенераторы без частотных модуляторов. Однако эти же нелинейности сильно ухудшают стабильность частоты ав­ тогенераторов п сужают динамический диапазон усилителей на ТД.

Наличие у ТД вн\трепней обратной связи и возможность работы без частотного модулятора позволяет считать его, по существу, элементарной функциональной твердой схемой [10].

3.2. О с у щ е с т в л е н и е ч а с т о т н о й м о д у л я ц и и з а с ч е т н е л и н е й н о с т и в о л ь т а м п е р н о й

х а р а к т е р и с т и к и т у н н е л ь н о г о д и о д а

При частотной модуляции генераторов СВЧ всегда выпол­ няются соотношения-

F<U„: 4 г « 1: ^ <<1]

где F — модулирующая частота; f0— резонансная частота;

A f— девиация частоты, АС — прирашение емкости.

Процесс установления мгновенных значений частоты коле­ баний генератора практически безынерционен, и анализ нели­ нейных свойств генератора на ТД сводится к гармоническому анализу выражений девиации частоты, нестабильности сред­ ней частоты и коэффициента нелинейных искажений.

Для анализа влияний высших гармоник па частоту коле­ баний генератора СВЧ, состоящего из полоско'вой линии, на

Для определения девиации частоты генератора СВЧ на ТД исследуем поведение колебательной системы при небольших расстройках. Определим входную проводимость разомкнутой линии при длине волны )• — / 0 -f-

42

Пересчитав последовательное включение реактивного сопротивления на параллельное, выразим его в; виде эквива­ лентной емкости

Входное сопротивление для активной составляющей при­ мет вид

Сделав преобразование второго члена, стоящего в квад­ ратных скобках (3.1), получим окончательно

43