Основными параметрами, указываемыми в паспорте ЛПД, являются частота п мощность генерируемых колебан.:й, папряженне пробоя, рабочий ток и тепловое сопротивление. Значение мощности колебаний приводят на определенной частоте для одной схемы генератора. Напряжение пробоя и рабочий ток определяют режим прибора. Напряжение диода, устанавливаемое в процессе работы, практически равно пробивному, составляющему десятки вольт. Ток в цепи диода не дол-;\ен превышать указанного в паспорте значения во избежание выхода прибора из строя. При этом тюпользуют схемы стабилизации тока. Тепловое сопротивление (град/Вт) позволяет определить, на сколько изменится температура структуры при увеличении подводимой мощности.

Генераторы на ЛПД работают на частотах от единиц до сотни ги-larepn. В пролетном режиме работы в диапазоне 8,2-12,4 ГГц достигнуты следующие значения мощности: 2.7 Вт при непрерывной генера-рации на кремниевом диоде, 4 Вт при испрерывной генерации на ЛПД из арсенида галлия, 10 Вт в импульсе на дтюде из кремния. В режиме с захваченной плазмой на частотах 1-2 ГГц получена импульсная мощность 0,5 кВт на генераторе с кремниевым диодом.

§ 10.11. Диоды Ганна. Принцип действия генератора СВЧ на диоде Ганна

Диоды Ганна, так же как ЛПД, обладают отрицательным сопротивлением в динамическом режиме. В 1963 г. при исследованг.и проводи-кости образцов из арсенида галлия га-типа Ганном был обнаружен эффект регулярной пульсации тока. По мере увеличения постоянного напряжения образца ток во внешней цепи возрастал, после чего начинались нульсации тока. Периоде следования импульсов тока равнялся времени пролета носителей заряда через образец и соответствовал частоте диапазона СВЧ. Как было установлено позже, эффект регулярных пульсаций тока был вызван объемной неустойчивостью, появляющейся в полупроводнике при относительно большой напряженности электрического поля (порядка Ю В/м).

Диод Ганна (рис. 10.47) представляет собой образец однородного полупроводника, чаще всего арсенида галлия (GaAs) -типа (концентрация свободных носителей заряда 10-10 см~), с металлическими контактами К.

Простейшая схема генератора СВЧ, использующего эффект Ганна, совпадает с рассмотренной ранее схемой генератора на ЛПД (рис. 10.44; 10.45). Колебательную систему, в цепь которой включен диод Ганна, настраивают на частоту первой гармоники пульсаций тока.

Специфичной для арсенида галлия, фосфида индия (материалов, где наблюдается эффект Ганна) является зависимость средней скорости дрейфа электронов Удр от напряженности электрического поля S (рис. 10.48). Коэффициент пропорциональности между значениями Удр и & называют дрейфовой подвижностью р = Vj-IS. В тех случаях, когда нарушается пропорциональность между дрейфовой скоро-

стью и напряженностью электрического поля, используют дифферен-ииальную подвижность = dv,JdS\ Из графика рис. 10.48 следует, что прп малой напряженности поля S в полупроводниковом материале наблюдается самая большая подвижность электронов. Участку зависимости Удр от <#, где увеличение напряженности электрического поля вызывает уменьшение скорости дрейфа, соответствует отрицательная дифференциальная подвижное 1ь (заштрихованная область). Отрицательная дифференциальная подвижность может привести к объемной неустойчивости в полупроводнике, вызывающей пульсац![и тока. Покажем, что в схеме рис, 10,45 в цепи диода Ганна действитель-го могут возникать регулярные пульсации тока.

/7-GaAS

Рис. 10.47

Рис, i0,48

Пусть источник [штания напряжением Eq создает в диоде Ганна среднюю напряженность электрического поля соответствующую участку с отрицательной дифсеренциальной подвижностью (рис. 10.48), и вызывает дрейф электронов со скоростью Удр о- В перво.м приближении считаем поле в образце равномерным. Однако в какой-то части структуры может встретиться неоднородность плотности носителей тока, вблизи которой появится небольтной скачок напряженности электрического поля. На рнс, 10.49 показано возможное распределение напряженности поля в направлении г, перпендикулярном плоскости контактов, около неоднородности. Изменение напряжепностп поля S у неоднородности вызовет изменение скорости дрейфа электронов. В данном случае большей скоростью обладают электроны на участке с меньшей напряженностью S .

Предполол<:им, что неоднородность вместе со скачком поля перемещается по образцу со скоростью Удро в направлении г. Определим распределение электрических зарядов вблизи движущейся пеодиородно-сти. Для этого воспользуемся изображенпой на рпс. 10.50 пространственно-временной диаграммой, перемещающейся со скоростью Удр Вдоль оси 2*. Обозначим преобразованную пространственную координату г, по оси ординат отложим время t и напряженность поля S. Очевидно, что распределение напряженности поля S остается постоянным относительно координаты г. Точками на оси абсцисс показаны

* Диаграмма на рис. 10 50 напоминает рассмотренную ранее пространстаен-но-временную диаграмму для приборов бегущей волны типа О (рис. 10.10).

начальные положения дрейфующих вместе с полем электронов. Электроны, у которых Удр > Удро. с течением времени станут обгонять систему координат. Их графики движения на иространственно-временнбй диаграмме смещаются вправо. Электронам, обладающим меньшей ско-I остью дрейфа (Удр < Удро) и отстающим от системы координат, соот-ьетствуюг отклоняющиеся влево кривые. Происходит группирование

Рис. 10.49

Рис. 10.50

электронов и увеличение отрицательных зарядов у скачка поля в сечении А. В сечении В, где наблюдается разгруппирование электронов, появляются нескомпенсированные положительные заряды ионов доноров. В результате вблизи скачков ноля, движущихся со скоростью

Удро, образуется двойной слой объемного

заряда, называемый доменом.

Существование домена, в свою очередь, влияет на мгновенное распределение потенциала (рис. 10.51, а), определенного относительно катода, и напряженности электрического поля (рис. 10.51,6) внутри образца. Пунктирными линиями на рис. 10.51 показано распределение U я S в отсутствие домена. Из-за пространственного заряда потенциал точек в сечении В должен возрастать, а потенциал точек в сечении А - уменьшаться. График иапря-женности поля (рис. 10.51, б) представляет собой график производной потенциала (рис. 10,51, а). Зависимость напряженности поля S от координаты г около домена совпадает с зависимостью, изображенной на рис. 10.49. Следовательно, вблизи домена появляется распределение поля, способствующее поддержанию домена, т. е. домен - образование устойчивое. Необходимым условием появления и существования домена является определенное соотношение скоростей дрейфа (см. рис. 10,49), соответствующее отрицательной дифференциальной подвижности. Движущаяся неоднородность плотности носителей тока связана с пере.мещением домена.

А В Рис, 10,51