Автогенераторы СВЧ и миллиметрового диапазонов, страница 2

Автогенераторы на лавинно-пролетных диодах. В режиме лавинного пробоя полупроводника резко возрастает поток основных носителей заряда через диод. Генерация СВЧ колебаний объясняется тем, что возникающие под влиянием переменного СВЧ поля изменения тока носителей зарядов через диод запаздывают так сильно, что большая часть их движется уже при воздействии тормозящей полуволны СВЧ поля и отдает ему часть своей энергии, полученной от источника постоянного питания. На таком принципе можно усиливать СВЧ сигналы и осуществлять их автогенерацию. При этом возможны два различных режима работы, обусловленные различными процессами: лавинным пробоем и пролетом носителей заряда. Отсюда название - лавинно-пролетные  диоды (ЛПД).

На практике используют два режима работы ЛПД:

-  нормальный пролетный режим, за рубежом названный режимом IMPATT (IMPact Avalanche - ударная лавина, Transit Time - пролетное время);

-  аномальный режим, или режим с захватом плазмы, за рубежом названный TRAPATT (TRApped Plasma - захваченная плазма, Avalanche Triggered Transit - пробег области лавинного умножения).

В режиме TRAPATT реализуется [4.14] высокий (до 75%) КПД, но частоты генерации ощутимо ниже частот в режиме IMPATT и шумовые характеристики генераторов не удовлетворительны. Также в режиме TRAPATT из-за низких напряжений на диоде требуются специальная колебательная система и структура диода n⁺-p-p⁺ с искусственно сформированной зависимостью убывания напряженности поля вдоль перехода. В импульсном режиме можно получить мощности в сотни ватт, но практическое применение режима из-за указанных недостатков ограничено.

ЛПД представляет собой кристалл из арсенида галлия, либо кремния или германия, со структурой p⁺-n-n⁺  или более сложной. ЛПД с более сложной структурой обычно имеют свои названия: диоды Рида, ЛПД с барьером Шотки, диоды Мисавы и т.д. При помощи ЛПД успешно генерируются одним диодом непрерывные мощности до 20 Вт в сантиметровом и до 1Вт в миллиметровом диапазонах волн, что и определило их практическое применение в мобильных стстемах передачи информации и в навигации.

Известна [4.12] статическая зависимость скоростей дрейфа носителей заряда через полупроводник от напряженности приложенного электрического поля, приведенная на рис. 11.1. Из этой зависимости видно, что при напряженности внешнего поля более 10⁴ В/см скорость дрейфа зарядов становится постоянной и, как говорят, достигает насыщения.

Но при больших напряженностях внешних полей в диоде происходит ударная ионизация атомов полупроводника. Количество электронов и дырок резко возрастает, что приводит к увеличению тока проводимости через диод. Каждый носитель заряда, вошедший в запорный слой диода, рождает одну новую пару носителей, обеспечивающую прохождение тока. Процессы ионизации происходят в основном в области наибольших значений напряженности электрического поля, который назвали слоем умножения.

Первая пара носителей порождает вторую и так далее, что приводит к бесконечному росту тока диода. Поэтому схемы устройств на ЛПД должны обязательно иметь внешнюю цепь ограничения тока диода, иначе неизбежно его разрушение.

Рис. 11.1. Зависимость скоростей дрейфа электронов (1) и дырок (2) в кристалле германия от напряженности приложенного электрического поля

В пролетном пространстве диода, геометрически много большим, чем слой умножения, ионизация практически отсутствует и заряды двигаются со скоростью насыщения. Если ЛПД поместить в СВЧ резонатор, то за время дрейфа зарядов знак волны СВЧ поля, воздействующего на диод изменится на противоположный, то есть между током диода и приложенным переменным напряжением появится фазовый сдвиг в 180⁰, что эквивалентно наличию отрицательного сопротивления. Поле при этом будет оказывать на дрейф зарядов тормозящее влияние, и энергия тока лавины будет передаваться СВЧ полю резонатора.