Замедляющие системы. Генераторы с электрическим управлением электронным потоком. Методы и устройства стабилизации частоты и фазы колебании в задающих генераторах простых и сложных сигналов, страница 12

мы (отношение заряда к току) значительно больше времени пролета носителей в сильных полях.

Поскольку напряжение на диоде в проводящую часть периода низкое, то КПД ГЛПД в этом режиме высокий (до 75%) и выходная импульсная мощность достигает нескольких киловатт.

3.7. Генераторы на диодах Ганна

В 1963 г. американский физик Ганн обнаружил электрические колебания тока, возникающие в бруске арсенида галлия (CaAs)   небольших размеров ,   при   приложении к нему постоянного напряжения достаточной величины. Схема подключения бруска GaAs и осциллограмма тока в цепи показаны на рис. 3.46, 3.47.

Для использованных Ганном образцов частота осцилляций лежала в СВЧ диапазоне. Наблюдаемое явление получило название эффекта Ганна.

Основной особенностью диода Ганна (так был назван брусок с выплавленными омическими контактами) является то, что это объемный прибор. В отличие от транзисторов и туннельных диодов, в нем как бы работает весь объем вещества, а не узкие области р-n-переходов. Благодаря этому на основе эффекта Ганна созданы приборы с мощностью несколько киловатт.

Для понимания принципа работы генераторов на диодах Ганна необходимо напомнить поведение электронов в кристаллической решетке СаАв. На рис. 3.48    показана    зависимость    энергии

электрона в зоне проводимости от волнового вектора К в кристалле арсенида галлия. Как следует из рисунка, в зоне проводимости CaAs имеются два минимума энергии, которые и получили название нижней долины (I) и верхней долины (II). Минимальная разность энергии между экстремумами зоны проводимости и валентной зоны определяет ширину запрещенной зоны.

Подобная структура  энергетических зон свойственна  не только арсениду галлия, но и некоторым    другим    соединениям,    как, например, фосфиду индия  (InP), теллуриду кадмия CdTe и некоторым другим.

Свойства электронов, энергия и волновой вектор которых соответствует нижней или верхней долине, не одинаковы. Это проявляется в различии их эффективных масс, а следовательно, и подвижности (подвижность электрона  характеризует среднюю скорость v, приобретаемую им в кристалле пол действием внешнего поля с напряженностью ).   Как   известно   из физики,  эффективная  масса электрона  обратно   пропорциональная  кривизне энергетической диаграммы зоны проводимости в координатах, а его подвижность, прямо пропорциональна кривизне

Так как кривизна энергетической диаграммы в нижней целине больше, чем в верхней, то эффективная масса электронов в нижней долине  меньше, чем в верхней  ,   а    подвижность

. Электроны нижней долины  принято называть «легкими» («холодными»), а верхней долины «тяжелыми» («горячими»).

Это различие в свойствах электронов является основополагающим для объяснения отрицательной дифференциальной   проводимости кристаллов, структура энергетических зон которых подобна арсениду галлия.

Предположим, что при комнатной температуреконцентрация электронов в зоне проводимости кристалла равна п0.. Концентрацию электронов в нижней долине в дальнейшем будем обозначать п1 , а в верхней долине п2 . Следовательно,

При температуре Т=300 К и отсутствии внешнего электрического поля почти все электроны зоны проводимости занимают наиболее низкие уровни энергии, т. е. находятся в нижней долине.

При слабом внешнем поле (волновой вектор К мал) концентрация их в нижней долине практически не меняется.

В этом случае ток диода

где q — заряд электрона;

5 — площадь поперечного сечения диода;

Е — напряженность внешнего электрического   поля    в   кристалле.

При  увеличении  электрического  поля   (волнового  лектора   К)

часть электронов переходит в верхнюю долину. При достаточно большой напряженности поля Е почти все электроны перейдут в верхнюю долину.  и ток диода станет равным

Так как подвижность электронов,    зависящая от их эффективной массы, , то

На рис. 3.49 построены графики (пунктирные линии)   для    постоянной концентрации электронов

Очевидно, что при некоторых значениях напряженности  электрического поля, называемых пороговыми , когда концентрация электронов в нижней долине быстро уменьшается (от значений  до очень малых), а концентрация электронов в верхней долине быстро нарастает    (от   очень    малых   значений    до  ), ток диода резко уменьшается.  Результирующая   зависимость тока от напряженности поля на рис. 3.49 показана сплошной линией. Падающий участок на кривой  свидетельствует о наличии отрицательной дифференциальной  проводимости.

Режимы работы генератором Ганна

Схема   ГДГ  образуется  последовательным соединением диода Ганна,    сопротивления    нагрузки  и    источника    питания (рис. 3.50).

В зависимости от концентрации доноров, длины образца, добротности Колебательной системы, соотношения между периодом колебаний колебательной системы и временем пролета электронов через диод, питающего напряжения, различают следующие режимы работы генераторов Ганна: пролетный или ганновский режим, режимы с подавлением и задержкой домена, режим с ограниченным накоплением объемного заряда (ОНОЗ) и режим усиления.

Пролетный режим

Пролетный режим имеет место при следующих условиях: добротность   контура   сравнительно   низкая,   и   напряжение   на контуре не оказывает заметного влияния на образование и движение домена; период собственных колебаний колебательной системы    выбирают примерно равным времени движения   зарядов   через   диод

Упрощенная схема генератора Ганна изображена на рис. 3.50. При подключении источника питания к диоду напряженность  электрического     поля    вдоль    диода     распределяется     равномерно (рис. 3.51). Если предположить, что у катодного контакта диода

имеется неоднородность, повышающая сопротивление этого участка диода, тогда напряженность электрического поля в этом месте диода повысится, превысит пороговую и в результате электроны в этой области станут переходить из нижней долины в верхнюю, становятся «тяжелыми», проводимость участка будет падать, а напряженность поля будет нарастать Под действием поля источника питания группа   «тяжелых»   электронов