Замедляющие системы. Генераторы с электрическим управлением электронным потоком. Методы и устройства стабилизации частоты и фазы колебании в задающих генераторах простых и сложных сигналов, страница 11

В    области,     где (—  напряженность    ноля, при которой возникает лавинный пробой)  с увеличением  Е быстро      растет     вероятность «ударной    ионизации»     атома полупроводника,  при   которой каждое   ионизирующее   столкновение   рождает  два  свободных носителя    заряда:    электрон и дырку.   Интенсивность ее характеризуют    коэффициенты ионизации для   электронов и  для дырок, определяющими среднее число ионизирующих  столкновении   на отрезке пути единичной длины. Они быстро возрастают с увеличением Е. Для германия  можно принять одинаковыми и примерно равными: , где А — постоянная, зависящая от напряжения пробоя.

Полный ток через запорный слой

где— ток насыщения диода; Е — напряженность поля.

Лавинно-пролетный диод обычно работает в режиме "развитого" пробоя, когда рабочий ток I на несколько порядков выше тока . Поэтому зависимость  в рабочей области очень крутая    и   ток   ЛПД   должен   ограничиваться    внешней цепью (рис, 3.42).

Рассмотрим механизм образования ОДС в ГЛПД и принцип его работы. Изобразим упрощенную схему ГЛПД с диодом с резким асимметричным p-n-переходом (рис. 3.43).

Если к p-n-переходу приложить запирающее напряжение, примерно равное напряжению пробоя, то при некотором значении амплитуды переменного напряжения на контуре, равном в сумме с напряжению пробоя, в р-л-переходе произойдет   лавинный

пробой и образуется лавина зарядов. Процессы ионизации происходят в области наибольших значений напряженности электрического поля  (участок 1 на рис. 3.41), называемый   слоем   умножения. Возникающие в этом слое электроны   движутся к области  (рис. 3.41) и очень быстро попадают в нее. Рожденные при ионизирующих столкновениях дырки, выйдя из слоя умножения, движутся через запорный слой в р-области, причем скорость их движении    постоянная и равна. Участок     II     запарного     слоя (рис.  3.41),  заключенный  между  слоем умножения  и омической частью р-области,  называют пролетным  пространством.

В результате конечного времени образования лавины зарядов и ее движения через пролетное пространство   (рис. 3.43)   наводимый ею по внешней цепи ток запаздывает относительно напряжения на диоде. Поясним сказанное осциллограммами напряжения и тока через диод (рис, 3.44). Во времянапряжение на диоде, равное   в р-л-переходе произойдет   пробой, в результате чего будет образовываться лавина зарядов. В момент времени  ток лавины i2 станет уменьшаться, так как . Образовавшаяся лавина зарядов движется от р-n-перехода к аноду прибора через пролетное пространство. Время перемещения лавины обозначим (соответственно угол пролета равен  . Образовавшаяся и движущаяся лавина зарядов наводит во внешней цепи наведенный ток . Максимум наведенного ток наступит несколько позже момента времени, тогда, когда основная масса зарядов покинет слой умножения. Наведенный ток некоторое время будет оставаться неизменным, а затем начнет уменьшаться, по мере того, как заряды лавины будут поступать

на анод . Спустя период процессы  в диоде будут повторяться. Аппроксимируя импульсы наведенного тока

прямоугольными я выделяя первую гармонику наведенного тока (рис.  3.44), замечаем, что производная.  В диоде имеет

место ОДС.

Амплитуда первой  гармоники наведенного  тока  при    аппроксимации импульсов наведенного тока  прямоугольными равна

Замечаем, что максимальное значение мощности имеет место при. Однако генерация наблюдается при изменении угла

пролета в пределах

В пределах изменения угла пролета возможна перестройка частоты генератора путем настройки резонатора. Изменение напряжения  влияет на характер лавинного пробоя и на время движения зарядов, поэтому с изменением напряжения в небольших пределах изменяется частота колебаний.

Эквивалентная схема генератора для стационарного режима изображена на рис. 3.45.

На рис. 3.45 обозначено:

 параметры    колебательном системы и нагрузки;

—        емкость патрона диода;

 —  индуктивность ввода    ди
ода;

—        потери в диоде;

 —   отрицательное    дифференциальное сопротивление перехода;

X — реактивное сопротивление перехода.

Частота колебаний генератора изменяется следующими способами. Механическая перестройка осуществляется      изменением    

параметров     резонатора.      Пределы      перестройки      значительны  . Электрическая перестройка осуществляется путем изменения (варикапом)  или   (ФЕрритовым   управляющим   элементом). Пределы перестройки составляют несколько десятков процентов. Как указывалось, частота генератора изменяется при изменении напряжения источника питания  (электронный способ).

Пределы электронной перестройки 1...3%, крутизна

Рассмотренный режим в литературе называют нормальным пролетным режимом. Освоен промышленный выпуск генераторов на ЛПД в диапазоне частот 4...160 ГГц. Генератор на ЛПД в непрерывном режиме имеет. В диапазоне частот выше. Срок службы зависит от выходной мощности, конструкции генератора и составляет 104...107 часов.

Известен другой  режим  ГЛПД —  аномальный или режим с захваченной плазмой (в зарубежной литературе нормальный про летный   режим называют «IMPATT» режимом, а режим с захваченной плазмой — «ТРАРАТТ» режимом). Режим с захваченной плазмой имеет место, если в колебательной   системе   генератора возникают значительные амплитуды  напряжений на гармониках основной частоты. В этом случае один раз за период колебаний основной частоты  происходит резкое увеличение напряжения  на диоде за счет сложения основной гармоники с высшими и в р-п переходе возникает область лавинного умножения, которая быстро пробегает через весь диод. После пробега области лавинного умножения  (волны ударной ионизации)    диод    оказывается   заполненным электронно-дырочной плазмой и напряжение на диоде падает до очень значений, а затем снова нарастает по мере рассасывания зарядов. Электроны и дырки из-за малой напряженности поля движутся медленно.

Режим с захваченной плазмой наблюдается на сравнительно низких частотах, поскольку время рассасывания плаз-