§ 10.10. Лавинно-пролетные диоды. Принцип действия генератора СВЧ на ЛПД

ЛаТНШо-пролетгые дчоды (ЛПД) являются разновидностью полупроводниковых СВЧ-диодов с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Отрицательное сопротивление получают в динамическом режиме при электрическом пробое и дрейфе носителей заряда в полупроводнике. Конструкция прибора должна обеспечивать достагочную величину отрицательного сопротивления в диапазоне частот и эффективный отвод тепла. На рис. 10.4,3, а показана одна из возможных структур ЛПД. Обозначения /?+ и + соответсгвуют увеличенным концентрациям акцепторной и донорной примесей в полупроводнике. Распределения кон-центраций доноров Лд и акцепторов Ы (числа атомов донорной ii акцепторной /V примеси в единице объема полупроводника) представлены на рнс. 10.43, б, в. ) В tt-обласги содержание донорной примеси ниже, чем в -области; i-область - область собственного полупроводника.

Участки структуры р+ и п+ обладают

высокой электро- и теплопроводностью. Самая .малая электропроводгюсть у б t-слоя. Лавинный пробой возникает в /)-а-переходе при обратном включении, г) Распределение напряженности элекгрп-ческого поля gпоказано на рис. 10.43, г. Наибольшая напряженность поля полу-

чается на границе /)+- и -слоев. Имен- Рис. 10.43

но здесь вознькаег электрический пробой, начинается лавина. При этом резко во,зрастает число носителей заряда - электронов и дырок. Носители заряда пере.мещаются в электрическом поле, взаимодействуют с атомами кристаллической решетки полупроводника и образуют все новые пары свободных электронов и дырок. По мере движения носителей заряда в области сильного поля происходит рост числа пар, что вызывает постепенное возрастание лавинного тока. Взаимодействие носителей заряда, движущихся с большими скоростями, с кристаллической решеткой обычно сопровождается нагреванием полупроводника. Отвод тепла от лавинной области / осущ,егтвляется через /7+-слой. Рядом с лавинной областью находится область дрейфа или пролета электронов 2, включающая и г-слой. Здесь под действием электрического поля происходит дрейф электронов в сторону п+-слоя. Размеры /-слоя в основном определяют время пролета электронов и связаны с рабочим диапазоном частот прибора. Данная структура обладает единственной областью дрейфа и называется однопролетноп. Существуют также двухнролетные структуры, в которых две области дрейфа: область дрейфа электронов область дрейта дырок. Слой п является своеобразным коллекто-

7 Зак. 2

ром электронов: электроны теряют свою скорость, что сопровождается нагревом полупроводника. Ог того, насколько эффектна.1ым явля ется отвод тепла от структуры, зависит верхний предел мощности кс лебаний.

ЛПД обычно изготовляют на основе кремния, германия пли арсе-пида галлия. Диодная структура размещается либо в корпусе, либо имеет бескорпусное оформление. Возможно включение ЛПД в коаксиальную пли полосковую линию.

Одна из возможных схем СВЧ-генераторз на ЛПД по1;а ана на пис. 10.44. В схеме диод Д с отрицательным сопротивлением помещен Е колебательную систему СВЧ - в резонатор Р. Перестройку резоиа-

Рис. 10.44

2 -.fo

КА-

Рис. 10.45

юра производят С помощью плунжера/7. Связь с нагрузкой осуществляют через выходной волновод. П;1тающее напряжение подается черет ьнутренний и наружный проводники коаксиальной конструкци!!. Обычно в цепи питания диода устанавливают фильтр нижнгх частот (на рис. 10.44 не показан). Полярность напряжения соответствует обратному включению диода.

Для объяснения механизма возникновен1!Я отрицательного соиро-тивления в ЛПД воспользуемся упрощенной схемой СВЧ-геператора на рис. 10.45. Предположим, что в генераторе уже существуют колебания СВЧ. Напряжение диода Uр складывается из постоянного напряжения источника питания Е и переменного напряжения на колебательной системе КС кс (рис. 10.46, а). Мгновенное значение напряжения диода периодически превыщает пробивное напрял<;ение fnp) соответствующее началу электрического пробоя. Как было показано, лавинный ток нарастает постепенно. Поэтому ток в лавинной области /л опаздывает относительно моментов превышения пробивного напряжения на Тз. Время запаздывания зависит от напрял<енности электрического ноля в лавинно.м слое и изменяется по мере роста амплитуды колебаний вплоть до установления стационарной амплитуды. На рис. 10.46, б время Тз превышает четверть периода колебаний, а импульсы тока в лавинном слое начинаются в момент изменения знака

* На ркс. 10.46, б показана упрощенная форма импуль-ов тока лавинного слоя. В действ !тельн..сти лВ1нныл ток возникает в моменты t/д > Еп i Пер-BJнaчaльнo скорость увеличения тока мала, по мере развития лавины она становится все болоше и больше. Для упрощения рассуждения произведена замена: вместо реальных экспоненциальных импульсов изображены прямоугольные импульсы, эквивалентные по площади,

ВЧ-иапряжения котебательной системы Длительность импульса тока /я, наведенного во внешней цепи, характеризуется временем пролета электронов т в области дрейфа. Величина Тц зависит от размеров области дрейфа и определяет пролетную частоту /пр = 1/ (2tii). Такн.м образом, во внешней цепи диода появилась последовательность импульсов наведенного тока, запаздывающих относительно моментов превышения пробивного напряжения на и имеющих длительность Тд. Поскольку первая гармоника оказалась в противофазе с переменным напряжением диода (рис. 10.46, а), ЛПД для внешней цепп обладает отрицательным сопротивлением. При достаточной величине отрицательного сопротивления, когда компенсируются все потери в схеме, в схеме устанавливаротся автоколебания.

В данном случае частота колебаний оказалась равной пролетной частоте. Однако ЛПД может обладать отрицательным сопротивлением в широком диапазоне частот. Изменение частоты генерации происходит при перестройке резонатора. Ограничение диапазона перестройки вызвано завн-си.мостью отрицательного сопротивления от частоты. При перестройке резонатора могут изменяться амплитуда ВЧ-напряжения и время запаздывания лавинного токэ, а также фазовые соотношения ме.жду переменным напрял<еннем п первой гармоникой тока в цепи диода. Кроме того, приходится учитывать влияние параметров корпуса диода (емкости патрона и индуктивиости ввода). Таким образом, отрицательное сопротивление для внешней цепи появляется в ограниченном днапа.зоне частот. Частота генерации при перестройке резонатора может изменяться почти в два раза, т, е, в пределах октавы. В генераторах на ЛПД существует также возможность электронной перестройки частоты с полющью СВЧ-варикапа или путегл изменения тока в цепи дио,да. В последнем случае частота генерации изменяется незначительно: диапазон электронной перестройки составляет десятые доли процента.

Рассмотренный режим работы называют пролетным. Максимальный к. п. д. т] = 20%. Существует более эффективный режим работы, так назывэелтый режим с захваченной плазмой, где к. п. д. достигает 60%. Генерирование колебаний происходит в более сложной схеме на частотах, много меньших пролетной. Колебательную систему делают многочастотной, что позволяет получить на диоде переменное напряжение сложной формы, состоящее из нескольких гармоник. Подбирая амплитуды и фазы напряжений гармоник, можно так повлиять на процессы внутри диода и фор.му импульсов тока в диодной пени, чтобы относительное содержание первой гармоники 3 спектре тока увеличилось.

Рис. 10.48