35. Автогенераторы свч на лавинно-пролетных диодах и диодах ганна

Л авинно-пролетный диод – это полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного умножения носителей заряда при обратном смещении электронно-дырочного перехода и предназначенный для генерации СВЧ электромагнитных колебаний.

ЛПД является прибором с отрицательным дифференциальным сопротивлением при электрическом пробое и дрейфе носителей зарядов в полупроводнике. Примерная структура ЛПД и его вольт-амперная характеристика при обратном напряжении показаны на рисунке. Здесь видно, что у катода расположен р⁺-n-переход, который называется слоем лавинного умножения. У анода – узкая область с электронной проводимостью n⁺-типа. В областях р⁺ и n⁺ повышенная концентрация носителей, и они обладают высокой электро- и теплопроводностью. Между ними располагается область полупроводника с собственной i электропроводимостью. Эта область является дрейфовым (пролетным) пространством П.

Принцип действия ЛПД основан на взаимодействии лавины носителей зарядов с электромагнитным полем СВЧ.

Если к диоду приложено постоянное напряжение, несколько большее , то распределение электрического поля в диоде будет неравномерным. Если к диоду приложить еще и переменное напряжение СВЧ, то при отрицательном значении этого напряжения происходит пробой и равномерный электронный поток небольшой плотности превращается в электронные сгустки, образующиеся в момент . Этот сгусток инжектируется в пролетное пространство П, создает ток конвекции I_к, а затем дрейфует. Если угол пролета , электроны дрейфуют в пространство П при тормозящей фазе напряжения СВЧ и отдают свою энергию полю СВЧ. Такой режим работы лавинно-пролетного диода называется пролетным.

Автоколебательный режим работы ЛПД можно получить, подключив к диоду резонансную систему LС и подобрав конструкцию диода, т. е. длину пролетного пространства.

Диод Ганна представляет собой кристалл однородного полупроводника типа и, чаще всего арсенида галлия (GaAs) с металлическими контактами на краях. ДГ обладает объемной отрицательной дифференциальной проводимостью. Поэтому применяется для построения автогенераторов и усилителей колебаний СВЧ. Если к кристаллу арсенида галлия приложить постоянное напряжение и изменять его значение, то ток через кристалл будет изменяться по сложному закону, представленному на рисунке.

С начала, при малых значениях напряженности поля Е, распределение поля внутри полупроводника однородное, так как полупроводник однородный. По мере увеличения постоянного напряжения скорости электронов и ток нарастают по линейному закону. Но когда напряженность поля Е достигает значения, превышающего пороговое Е„распределение пространственного заряда и поля оказывается неустойчивым. В результате нарушается равномерное распределение пространственного заряда, появляются слои с отрицательным (1) и положительным (2) зарядами.

Процесс образования слоев пространственного заряда происходит лавинообразно. В результате в полупроводнике образуется область сильного электрического поля, называемая доменом.

Режим работы генератора на ДГ зависит от параметров диода и схемы, а также от напряжения питания.

Различают режимы: доменные, ограниченного накопления объемного заряда и гибридные. Доменные режимы бывают трех видов: пролетный, с задержкой образования доменов и с подавлением домена. Доменные режимы реализуются только в дециметровом диапазоне длин волн на частотах порядка единиц гигагерц, но из-за низкого КПД (4..6%) практически не используются.

Для радиопередающих устройств перспективными являются гибридные режимы и режим ограниченного накопления объемного заряда.

Частота генерации в режиме ограниченного накопления зарядов определяется только внешней резонансной системой. Параметры схемы – амплитуда и частота колебаний, а также напряжение питания – подбираются так, чтобы домен не успевал сформироваться, пока на диоде напряжение больше порогового, и чтобы он успел рассосаться, пока оно меньше порогового. КПД в этом режиме достигает до 25%.

Диоды Ганна обладают высокой стабильностью частоты.