Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf

янном напряжении. Зависимость напряженности зажигания СВЧ разряда от давления имеет минимум подобно кривым Пашена на постоянном токе. При этом оптимальное давление газа, при котором для поддержания разряда требуется наи­

чика, то приемника, так как при работе передатчика прием­ ник должен быть отключен от антенны, чтобы большая энер­ гия, излучаемая передатчиком, не повредила приемник, а по окончании передачи при­ емник должен быть быст­ ро подключен к антенне, чтобы во время паузы между импульсами пере­ датчика принимать сиг­

налы.

В режиме передачи в высокочастотных проме­ жутках обоих разрядни­ ков зажигается СВЧ раз­ ряд, практически закора­

чивающий высокочастотные фидеры в местах включения раз­ рядников. Расстояние от точки А до точек включения разряд­ ника защиты приемника 2 равно У4, что обеспечивает очень большое входное сопротивление фидера, идущего к прием­ нику, вследствие чего энергия передатчика практически без потерь будет проходить к антенне. В то же время на входе приемника, зашунтированного дугой разрядника, высоко­ частотная мощность будет очень малой.

В режиме приема слабых высокочастотных сигналов раз­ рядники имеют высокое сопротивление. Сигналы беспрепятст­ венно попадают в приемник, а в то же время благодаря вклю­ чению разрядника блокировки передатчика / на расстоянии

55

Х/2 от точки А обеспечивается эффективное отключение пере­ датчика от высокочастотного фидера во время паузы между импульсами передатчика.

В высокодобротных разрядниках, как правило, применяют цилиндрический резонатор с усеченными конусами. Между концами конусов в режиме передачи возникает СВЧ разряд, практически закорачивающий зазор резонатора. Схема устройства высоко­ добротного стеклянного разрядника с дисковыми впаями и съемным резо­

тнатором приведены на рис. 25.

ными резонансными разрядниками является его узкополосность. При изменении рабочей длины волны необходимо про­ изводить механическую наст­ ройку обоих разрядников. По­ этому в перестраиваемых ра­ диолокационных станциях при­ меняют широкополосные раз­ рядники, не требующие меха­ нической настройки в полосе до ±10% от средней частоты.

В широкополосном разрядни­ ке вместо одиночного полого резонатора используется по­ лосовой волноводный фильтр.

При прохождении по основному высокочастотному фи­ деру мощного импульса от передатчика через антенный пере­ ключатель в приемник просачивается небольшая часть мощ­ ности, изменение которой во времени показано на рис. 26. Для уменьшения просачивающейся мощности следует исполь­ зовать газовое наполнение, обеспечивающее минимальную на­ пряженность горения СВЧ разряда. С физической точки зре­ ния этому требованию отвечают одноатомные газы. Однако одновременно необходимо обеспечивать минимальное время восстановления в послеразрядный период. Под временем вос­

56

становления понимают отрезок времени после окончания им­ пульса передатчика до момента, когда ослабление принимае­ мого сигнала, обусловленное данным разрядником, не дости­ гает заданной величины (например, 6 дБ). Чем больше время восстановления разрядников, тем больше «мертвая зона» вблизи радиолокационной станции, в пределах которой не может производиться наблюдение за целью. Для уменьшения времени восстановления надо возможно быстрее удалить из разрядного промежутка электроны. Наибольшее электронное сродство имеют, например, пары воды, которые и использу­ ются в разрядниках. Однако пары воды затрудняют зажига­ ние и горение СВЧ разряда, что приводит к увеличению про­ сачивающейся мощности в приемник. Поэтому в большинстве разрядников используется наполнение инертным газом (арго­ ном) с электроотрицательной примесью (пары воды). При давлении в несколько миллиметров ртутного столба такое наполнение позволяет получить время восстановления поряд­ ка 2—5 мкс.

Напряженность зажигания СВЧ разряда можно сущест­ венно уменьшить (следовательно, уменьшить и уровень про­ сачивающейся мощности) при повышении начальной кон­ центрации свободных электронов. Для этого используют вспо­ могательный тлеющий разряд на постоянном токе. Такой раз­ ряд непрерывно поддерживается с помощью отдельного вспо­ могательного электрода (на рис. 25 он изображен в виде стержня, на который подан постоянный потенциал). .

Разрядники разработаны на импульсные мощности до со­ тен киловатт — десятков мегаватт при просачивающейся мощности от милливатт до киловатт.

Г л а в а 5

Полупроводниковые приборы

В СВЧ устройствах используются диоды, имеющие нели­ нейное сопротивление (варисторы), нелинейное реактивное сопротивление (варакторы) и биполярные СВЧ транзисторы.

Работают эти приборы на тех же принципах, что и более низкочастотные приборы, но надо иметь в виду их особенно­ сти работы в СВЧ диапазоне. Поэтому, в частности, исполь­ зуют точечно-контактные конструкции диодов, которые имеют небольшие величины паразитных емкостей и индуктивностей, тонкие обедненные слои между коллектором и базой и тонкие слои базы в случае транзистора, чтобы поддерживать время пролета равным небольшой доле периода СВЧ колебаний.

57

Ниже будут рассмотрены приборы, работа которых бази­ руется на специфических эффектах (туннелирования, образо­ вания лавины при ударной ионизации, времени пролета и эф­ фекте Ганна). Такие приборы имеют отрицательное диффе­ ренциальное сопротивление и используются для усиления и генерации СВЧ мощности.

§ 5.1. Туннельный диод. Туннельный диод представляет робой прибор с р—«-переходом, обе стороны которого очень сильно легированы. Типичная статическая вольт-амперная характеристика туннельного диода показана на рис. 27.

Вследствие наличия диффе­ ренциального отрицательного сопротивления на прямой вет­ ви характеристики прибор можно использовать в каче­ стве активного элемента гене­ ратора или усилителя. Боль­ шой обратный ток и нелиней­ ность вблизи нулевой точки позволяют использовать при­ бор в качестве пассивного эле­

В основе работы туннельного диода лежит так называе­ мый т у н н е л ь н ы й э ф ф е к т . Это явление заключается в том, что электрон, обладающий энергией, меньшей, чем вы­ сота потенциального барьера, может все же проникнуть сквозь этот потенциальный барьер — туннелировать через него. По­ тенциальный барьер, через который должны пройти электро­

«-типа в зону проводимости полупроводника p-типа в силу того, что электронов в зоне проводимости полупроводника «-типа значительно больше, чем в зоне проводимости полу­ проводника p-типа. В результате такого перераспределения электронов полупроводник p-типа зарядится отрицательно, а полупроводник «-типа — положительно (обмен дырками ве­ дет к этому же результату). Возникшая таким образом кон­ тактная разность потенциалов смещает энергетические зоны (рис. 28, б) и препятствует дальнейшему направленному пере­ ходу свободных электронов и дырок.

58

При обратном смещении (отрицательный потенциал при­ ложен к p-области, рис. 28,а) ток монотонно возрастает. В этом случае свободные уровни зоны проводимости полу­ проводника «-типа оказываются против заполненной части валентной зоны полупроводника p-типа, и электроны валент­ ной зоны сравнительно свободно переходят в зону проводимо­ сти «-области.

При приложении прямого напряжения ток сначала увели­ чивается до максимального значения 1тах при напряжении U\ (рис. 27), что объясняется расположением свободных уровней валентной зоны p-области напротив заполненных уровней зо­ ны проводимости «-области. Такое взаимное расположение

Дальнейшее увеличение прямого напряжения смещает зо­ ны проводимости «-области таким образом, что они оказыва­ ются против запрещенной зоны p-области (рис. 28,г), и ток через диод начинает резко падать.

Еще большее увеличение прямого напряжения приводит

59

кает сквозь потенциальный барьер, не поднимаясь над его уровнем. Необходимыми условиями туннелирования явля-. ются: наличие, с одной стороны, р—«-перехода заполненных состояний, а с другой — свободных уровней с той. же энергией (рис. 28,а и в), достаточно малая высота и ширина потенци­ ального барьера.

Перечисленные условия могут быть выполнены при силь­ ном легировании полупроводников, когда за счет контактной разности потенциалов положение зон может оказаться таким, как показано на рис. 28,6.

При этом заполненная часть зоны проводимости «-области находится на одном уровне с верхней заполненной частью ва­ лентной зоны p-области, а электроны этих участков зон обла­ дают одинаковой энергией, и, следовательно, их взаимный переход не сопровождается обменом энергии с внешней сре­ дой. Препятствием к такому свободному обмену электронами между областями р и п является запрещенная зона. Для большинства широких р—«-переходов вероятность туннель­ ного прохождения электронов через потенциальный барьер запрещенной зоны чрезвычайно мала из-за малой напряжен­ ности электрического поля в переходе. Только при напряжен­ ностях порядка 106 В/см за счет туннельного эффекта через переход будет проходить значительное количество электро­ нов. При ширине р—«-перехода в туннельном диоде порядка 10_6 см и контактной разности потенциалов 0,6-г-0,7 В полу­

как в прямом напр!авлении, так и в обратном, обеспечиваются условия для быстрого роста тока через переход. Для получе­ ния узкой запрещенной зоны используют полупроводники, у которых примесные уровни размыты в зону, перекрываю­ щуюся с ближайшей разрешенной зоной: донорные уровни размываются в зону, перекрывающуюся с зоной проводимо­ сти, а акцепторные уровни — в зону, перекрывающуюся с ва­ лентной зоной. При этом запрещенная зона получается доста­

точно узкой.

Туннельный эффект определяет основные особенности вольт-амперной характеристики: большие обратные токи, ко­ торые превосходят прямые токи обычных диодов при тех же

60