Исследование генератора на отражательном клистроне, страница 7

Энергия и эффективная масса  электронов  в  боковой  долине  2 больше, чем в центральной долине 1.При  комнатной  температуре  и отсутствии внешних воздействий практически все электроны находятся в долине 1. При наличии в полупроводнике  электрического  поля возрастает скорость хаотического движения электронов. Часть электронов переходит в долину 2. Вследствие различия эффективных масс электронов существенно различаются  и  их  подвижности. Отношение подвижностей электронов в центральной и  боковой  долинах  достигает 80. С увеличением поля растет число электронов в долине 2  и при некоторой пороговой напряженности поля  большинство  электро нов переходит в боковую долину. Так как переход электронов из долины 1 в долину 2 с ростом поля сопровождается  уменьшением  подвижности электронов и их дрейфовой скорости, то  это  приводит  к появлению участка отрицательного дифференциального сопротивления. В этой области напряженность поля возрастает и  происходит  переход электронов из центральной в боковую долину.

 

Рис. 21. Распределение напряженности электрического поля вдоль образца до образования домена и движение домена

В результате при движении электронов ( рис. 21 ) в левой  части участка наблюдается избыток электронов ( отрицательный  объемный заряд ), а в правой недостаток электронов, т.е. объемный  заряд положительный. Двойной электрический  слой  объемного  заряда называется электрическим доменом. Так  как  электроны  в  образце двигаются, то домен перемещается в том же направлении. Когда  домен достигает конца образца, он рассасывается и  образуется  следующий домен. При однородном полупроводнике  домен  образуется  у катода, так как здесь за счет меньшей  площади  катода  напряженность поля выше пороговой Eпор.

Периодичность прихода доменов к аноду определяется длиной  образца. Расчеты показывают, что при коротких образцах  период  импульсов тока во внешней  цепи  соответствует  частотам  диапазона СВЧ. Следует отметить, что в образце образуется только  один  домен, так как повышение напряженности поля внутри него за счет перераспределения объемного заряда приводит к снижению напряженности поля вне домена, что препятствует образованию нового домена.

Диапазон генерируемых частот снизу ограничивается возможностями создания однородных достаточно длинных образцов,  а  сверху технологическими трудностями создания очень коротких  кристаллов. При L=0,1 мм fн=1 ГГц, а при L=1 мкм fв=100 ГГц.

Различают несколько режимов работы генераторов на диодах  Ганна. Доменные режимы характеризуются наличием полностью  сформировавшихся доменов, двигающихся через полупроводниковый образец. Статическая ВАХ диода в доменных режимах может быть приближенно представлена в виде отрезков прямых ( рис.  22  ).

Рис. 22. Статическая характеристика диода в доменных режимах

При малых напряжениях на диоде домена нет, и ток линейно  растет с ростом напряжения. Выше порогового напряжения Uпор происходит формирование домена  и  ток падает.  Напряжение  исчезновения ( гашения ) Uгаш домена меньше, чем Uпор из-за сильного  внутреннего поля домена. Изменением сопротивления нагрузки  можно  получить три различных доменных режима: пролетный, с задержкой  домена, с гашением домена. Пролетный режим существует при  работе  на малую нагрузку, когда сопротивление нагрузки порядка  сопротивления диода Ганна. При этом амплитуда колебаний напряжения  мала  и не оказывает заметного влияния на образование и движение  домена.

Частота колебаний определяется толщиной кристалла: fпр = 0,1 LЕ-1.

С повышением питающего напряжения частота несколько падает  из-за уменьшения скорости движения доменов. Из-за низкого КПД  (  менее 10 % ) пролетный режим используется редко.   Режим с задержкой домена реализуется, когда нагрузкой  является параллельный резонансный контур с высоким входным  сопротивлением, а время пролета домена меньше  периода  колебаний.  Частота колебаний определяется настройкой  резонатора,  поэтому  возможна механическая или, применяя  варикапы,  электрическая  перестройка частоты. В режиме с задержкой образования домена КПД  теоретически достигает 25%. Частота