Эквивалентнаясхема слоя дрейфа. Устройствогенератора на ЛПД и усилителя на ЛПД. Принцип действия ГЛПД и УЛПД

Отрицательное сопротивление зависит от тока ЛПД, поэтому в ГЛПД с заданным сопротивлением нагрузки, резонатора и областей диода, существует минимальный пусковой ток, начиная с которого возможна генерация. При токе менее пускового, обеспечивается усилительный режим. Усиление сигнала происходит в результате его взаимодействия с колебательной системой c Q<0, и может рассматриваться как поступление в нагрузку через циркулятор отраженного усиленного сигнала.

Шумыгенераторов и усилителей на ЛПД

Источники шума:

zФлуктуации лавинного тока zФлуктуации числа частиц в лавинах Минимальное значение шума в УЛПД 20 дб GaAs, максимальное у Si

Шум резко падает с ростом частоты при f>f_л и при малой плотности тока, но это противоречит условию получения макс. мощности.

Выходнаямощность

Потребляемая мощность:

P0макс = I0максU0макс

Отсюда, учитывая U_0макс=Е_крw можно получить:

P0макс =εS vн крЕ2

Конечное значение для мощности:

P0макс ⋅ f 2 = vн к2E2р /8πXc

X_c −емкостное сопротивление перехода т.е. при постоянном X_c мощность обратно пропорциональна квадрату частоты:

P0макс ⋅ f 2 = const

На более низких частотах:  P_0макс ⋅ f const=

Зависимостьмощности от частоты

Ро макс

1  10             100                     f,ГГц

Плотность тока не превышает нескольких сот ампер на 1 см².

Пусковой ток:

2  π    (ωc)

Iпуск =

α' (1−cosθ_др) ωc +

θдр потR εε⁰s

где с=             ,  l sи  - толщина площадь структуры;

l θ ωτ_др =   _пр − угол пролета электронов.

                                                                                                                                                                                             IU P

Выходная мощность P_вых 0,5                   ,                                      30%

Здесь U_m − амплитуда переменной сост. поля, U₀ =U U_л +                     _др

КПДгенераторов ЛПД

КПД максимален при условии U_л U_др, когда U_л →U_др КПД падает. Обычно:

1

U_л ≈ (     ÷1)U_др ⇒η=10÷15%

3

Например:

На частоте 50 ГГц   вых. мощность 0,5 Вт КПД=10% На частоте 92 ГГц   вых. мощность 0,15 Вт КПД=7%

ДиодГанна

Диоды Ганна относят  к классу приборов с объемной неустойчивостью. Это приборы, в которых генерация или усиление колебаний вызваны неустойчивостью объемного заряда в полупроводниковом материале вследствие отрицательной дифференциальной подвижности

Дифференциальная проводимость dI      ens dv σ_д =   =

                               dU       l   dE

Если подвижность не зависит от поля ( =const),µ проводимость отрицательна если: dv  d(µE)

= < 0 dE dE

Для получения отриц. проводимости необходимо, чтобы дрейфовая скорость уменьшалась с ростом поля. Введем дифф. подвижность:

dv

µ_д = , dE тогда σ_д < 0, если µ_д < 0

Связьэнергии с волновым числом k

Соотношение концентраций в долинах:

n₂ ⎛ N₂ ⎞ ⎛ ∆ε₁ ⎞ = ⎜ ⎟exp⎜− ⎟ n₁ ⎝ N₁ ⎠ ⎝ кT ⎠

где N ₁ и N - ₂ плотности электрических состояний

           N2         ⎛ mэф2 ⎞

= ⎜⎜ ⎟ ≈ 70

N1        ⎝ mэф1 ⎟⎠

При комнатной температуре:

n₂                          ⎛ −0,36⎞           ₋₅

= 70exp⎜ ⎟ ≈ 7 10⋅ n₁ ⎝ 0,025 ⎠

Соотношение ⁿ₂ и ⁿ₁

При этом все электроны находятся в нижней долине n₁>>n₂ . Однако соотношение  и  резко изменится, если в полупроводнике создано сильное электрическое поле, т.е. n₂>n₁.

При напряженности в полупроводнике более некоторой пороговой напряженности (Е>Еп), основная часть электронов переходит из нижней долины в верхнюю. Становится возможным получение соотношения n₂>n₁. Для арсенида галлия Еп ≈3 кВ/см. 

В сильных полях Е ≈ 105  В/м активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из «центральной» энергетической долины в боковую и этот переход сопровождается уменьшением подвижности и дрейфовой скорости, что эквивалентно появлению отрицательной дифференциальной проводимости

Зависимостьсредней скорости от E

0                       Е_n                                                                 E

На участке CD можно говорить о некоторойэффективной (средней) скорости электронов обеих долин:

(n1 1µ µ+ n2 2 ) v =

n0

где n₀ = n₁ + n₂ - общее число электронов (n = 2 10⋅                    ¹⁴ − 2 10⋅       ¹⁶ cм^-

При n <<n , v=v = _{2                   1 1} µ₁E, а при n >>₂          n , v=v =_{1                         2} µ₂E.

Участку CD соответствует отрицательная дифференциальная по вижность:

µ_д =dv/dE <0                                        

ЭффектГанна

Диоды Ганна (ДГ) основаны на явлениях, возникающих в объеме однородного полупроводника. Эффект Ганна заключается в возникновении СВЧколебаний тока в некоторых полупроводниковых кристаллах под действием сильного электрического поля. В арсениде галлия это примерно  3 кв/см   .

ЭффектГанна

Образующийся двойной электрический слой объемного заряда (момент t₁) называется электрическим доменом. Домен должен быть электрически  нейтральным. Так как электроны двигаются, то и домен передвигается по образцу вправо (как показано на рисунке пунктиром – момент t₂).

ЭффектГанна

Таким образом,  в образце движется только один домен,  место возникновения которого определяется неоднородностью. Если образец имеет высокую неоднородность, то домен  возникает возле омического контакта (катода). В этом случае время движения домена от катода к аноду зависит от длины образца L и скорости домена vд (Т0=L/vд). Скорость vд определяется процессами в образце и не зависит от внешнего напряжения.

ЭффектГанна

Время Т₀ называют временем пролета в образце. Оно определяет периодичность прихода доменов к аноду, т.е. период импульсов тока во внешней цепи. Например, при скорости домена примерно равной скорости насыщения  vн≈107 см/с, длина образца  L=50 мкм, период Т₀=5⋅10-10 с,  а частота следования импульсов f=2 ГГц.

Пролетныережим работы

Частота генерации в пролетном режиме: f =1/T =v /L,_{пр    0        д} где Т₀ − время пролета домена Условие пролетного режима:

nL₀       ≥ 5 10⋅ ¹¹ см^-2

Пролетныйрежим работы

Коэффициент полезного действия в пролетном режиме максимален, когда домен занимает 1/2L образца, а форма тока почти синусоидальная. Обычно КПД<10%.

Режимс задержкой образования домена

Этот режим наблюдается, когда колебательная система обладает высокой