Материал: 1210

51

тер. При увеличении входной мощности, начиная с некоторого определенного значения, прибор устойчиво усиливает входной сигнал. При дальнейшем увеличении входной мощности амплитрон ведет себя как насыщенный усилитель, т. е. коэффициент усиления падает, а выходная мощность слабо возрастает, главным образом, благодаря прямому прохождению мощности возбуждения входа на выход.

Чем выше уровень постоянной мощности P0 , подводимой к прибору,

тем больше минимальной входной мощности требуется для устойчивого усиления и тем большее значение мощности PВЫХ можно получить.

Основными достоинствами амплитрона являются: высокий КПД (60— 75 %), большая импульсная и средняя мощности (до нескольких мегаватт в импульсе и до нескольких сотен киловатт в непрерывном режиме), широкая полоса пропускания в усилительном режиме, относительно небольшие габариты и масса.

К недостаткам амплитрона следует отнести сравнительно невысокий коэффициент усиления (8—12 дБ).

Рабочие и нагрузочные характеристики амплитрона такие же, как у магнетрона, и имеют приблизительно такой же вид.

1.6 Применение твердотельных приборов в диапазоне СВЧ

1.6.1Применение диодов Гана

В настоящее время промежуточные и выходные каскады передающих устройств СВЧ малой и средней мощности часто выполняют на транзисторах. Достаточно развитые методы суммирования мощности позволяют создать полупроводниковые передатчики с выходной мощностью до единиц киловатт и выше в длинноволновой части СВЧ - диапазона. Однако более интересно рассмотреть применение в диапазоне СВЧ специальных твердотельных приборов, к которым относятся диоды Ганна (ДГ) и лавинно-пролетные диоды (ЛПД).

Работа генераторов на полупроводниковых диодах основана на использовании отрицательной активной составляющей полного сопротивления (проводимости) диодов. Эквивалентная схема диодного генератора представляет собой соединение полного сопротивления (проводимости) диодов и внешней цепи. Если сопротивление потерь (с учетом мощности, потребляемой нагрузкой) полностью компенсируеся отрицательной активной составляющей сопротивления диода, имеет место режим автогенерации; если компенсация частичная, то может происходить регенераторное усиление колебаний, поступающих от внешнего источника. Диодные усилители являются ак-

тивными двухполюсниками, поэтому требуют специальных устройств для разделения входного и выходного колебаний (например, циркуляторов).

52

Физическая природа появления отрицательного активного сопротивления (проводимости) у полупроводниковых диодов может быть различной. У диодов Ганна это обусловлено процессами, происходящими в объеме полупроводника (обычно арсенид галия). Принцип работы ДГ основан на явлениях, возникающих в объеме однородного полупроводника, и не используется р - n - переход, как в полупроводниковых диодах всех других типов.

Эффект Ганна заключается в возникновении СВЧ - колебаний тока в некоторых полупроводниковых кристаллах под воздействием сильного электрического поля. Колебания тока обусловлены формированием и движением в кристалле резко выраженных областей с высокой напряженностью поля, называемых доменами.

На движение носителей заряда в полупроводниковых кристаллах существенно влияет поле кристаллической решетки. Под воздействием внешнего электрического поля одновременно изменяется как кинетическая, так и потенциальная энергия электрона, поэтому энергия, которую нужно сообщить электрону для приобретения им в кристаллической решетке определенной средней скорости V , существенно зависит от значения и направления вектора скорости. Например, если под воздействием внешнего поля определенного направления потенциальная энергия электрона уменьшается, то увеличение кинетической энергии будет больше работы сил внешнего поля вследствие перехода в кинетическую энергию части потенциальной энергии. Подвиж-

ность μ такого электрона велика:

V E,

где Е — напряженность внешнего поля.

Наоборот, если под воздействием внешнего поля потенциальная энергия электрона возрастает, то подвижность его мала.

У некоторых полупроводниковых соединений элементов 3-й и 5-й групп периодической системы (например, у арсенида галлия) в зоне проводимости имеются две щели: нижняя из щелей обозначается символом L, а верхняя - U , и тогда уровни энергии, на которых расположены эти щели, связаны соотношением

WU WL .

При малых напряжениях Е внешнего поля почти все электроны расположены в нижней щели и обладают высокой подвижностью L . Зависимость

средней скорости электронов от напряженности поля практически линейна и

описывается соотношением

V L E.

Общая концентрация электронов n0 nL nU ,

и если напряженность поля меньше некоторого порогового значения, т. е. E EПОР , то nL n0 . Если напряженность внешнего поля больше порогового

значения, т. е., то E EПОР , то n0 nU .

54

получаем время прохождения доменов через тело кристалла 10-10 с, т. е. частоту генерации 10 ГГц.

Если необходимо получить колебания более высокой частоты, толщина кристалла становится слишком малой. В этом случае используют несколько иной механизм генерации колебаний, не связанный непосредственно со временем прохождения домена через весь кристалл. Домен формируется в течение некоторого отрезка времени. Поместив ДГ в резонатор с достаточно высокой добротностью, можно воспрепятствовать полному формированию домена, который уже в начале своего формирования наводит в резонаторе ток и отдает мощность во внешнюю цепь. Возникающее в резонаторе напряжение вычитается из напряжения источника питания диода, в результате чего напряженность электрического поля в диоде уменьшается. При достаточно высокой добротности резонатора напряженность поля в диоде падает ниже того порогового значения, при котором динамическое сопротивление диода отрицательно и домен рассасывается. Начало формирования нового домена определяется тем моментом времени, когда в результате изменения высокочастотного напряжения в резонаторе напряженность поля в кристалле вновь превысит пороговое значение, а затем процесс повторяется. Такой механизм генерации получил название режима ограниченного накопления объемного

заряда (ОНОЗ).

В режиме ОНОЗ частота генерации может быть значительно повышена, поскольку она определяется внешним резонатором, а не размерами кристалла и характером движения домена. Этот режим является наиболее энергетически выгодным, так как электронный КПД достигает 14 - 17 %. ДГ могут работать до частот 100 ГГц, развивать мощность до единиц ватт в непрерывном режиме, до десятков ватт - в импульсном.

1.6.2Применение лавинно – пролетных диодов

Лавинно – пролетные диоды (ЛПД) работают в области лавинного пробоя р - n-перехода. Статическая вольтамперная характеристика диодов имеет всюду на рабочем участке положительный наклон. При лавинном пробое смещенного в обратном направлении р – n-перехода возникает динамическое отрицательное сопротивление, что можно объяснить следующим образом.

На рис. 1.32 показан р – n-переход, находящийся под воздействием обратного напряжения, а также распределение потенциала V и напряженности электрического поля E dV dx в переходе. Концентрация подвижных носи-

телей в обратно смещенном р – n-переходе весьма мала. Напряженность электрического поля максимальна в центре области р – n-перехода. При увеличении приложенного к диоду обратного напряжения напряженность поля возрастает. Если поле в р – n-переходе достигает некоторого порогового значения E EПОР , возникает лавинный пробой р – n-перехода, и число подвижных

носителей в процессе ударной ионизации атомов полупроводника лавинообразно умножается.

55

Лавинный пробой существует при напряженности поля 105 - 106 В/см. Такие высокие напряженности поля возникают прежде всего в центре р – n- перехода, где и происходит процесс лавинного умножения подвижных носи-

вому, накладывается высокочастотное напряжение (рис. 12.33). Теперь лавинный пробой перехода происходит периодически в соответствии с частотой

энергии СВЧ - полю динамическое активное сопротивление диода становится