На лавинно-пролетном диоде
Цель работы состоит в исследовании выходных характеристик генератора СВЧ с механической перестройкой частоты, выполненного на лавинно-пролетном диоде сантиметрового диапазона.
3.1. Основные теоретические положения
Лавинно-пролетные диоды (ЛПД) являются одними из наиболее мощных полупроводниковых приборов СВЧ. Работа ЛПД основана на явлениях лавинного пробоя обедненной области обратносмещенного диода и последующего дрейфа носителей в полупроводнике со скоростью близкой к скорости насыщения. В иностранной научной литературе такой режим работы называется IMPATT (IMPact Avalanche Transit Time), а диод часто называют IMPATT или диодом Рида. ЛПД получили широкое распространение при разработке генераторов СВЧ сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. Из-за высокого уровня шумов, особенно в области лавинной частоты, ЛПД можно использовать для создания генераторов шума. Вследствие высокого уровня шумов на основе ЛПД разрабатывают в основном усилители мощности. В сантиметровом диапазоне генератор на ЛПД обеспечивает выходную мощность порядка 1 кВт в импульсе при КПД 30…50 %, а в миллиметровом – сотни милливатт в непрерывном режиме. Высокий уровень собственных шумов ограничивает применение приборов этого типа в аппаратуре СВЧ и снижает их конкурентоспособность по сравнению с диодами Ганна и СВЧ-транзисторами. Генерация СВЧ-колебаний возможна в ЛПД с различными видами полупроводниковых структур. Принцип работы в пролетном режиме лучше рассматривать на примере структурной разновидности, в которой области лавинного умножения и дрейфа разделены (рис. 3.1, а). Диод имеет четыре характерные области с разным уровнем легирования p+, n, i и n+.
При подаче запирающего напряжения 
такая структура обеспечивает локализацию сильного электрического поля в узкой области перехода p+- n (рис.3.1, б). При увеличении обратного напряжения поле в этой области может достичь порогового 
( 
). При такой величине поля начинается процесс лавинного умножения количества носителей, что приводит к резкому увеличению тока во внешней цепи. Рост тока в этом случае ограничивается сопротивлением внешней цепи и сопротивлением диода, а также нелинейными процессами развития лавины, приводящими к перераспределению электрического поля по образцу.
Поскольку коэффициент ударной ионизации сильно зависит от поля 
, то протяженность области ударной ионизации невелика. В ней происходит лавинообразное нарастание количества свободных носителей заряда. Эту область называют областью лавинного умножения (область 
на рис. 3.1, б). Образующиеся дырки увлекаются внутренним электрическим полем перехода в p+-область, а электроны, попадая в i-слой, движутся к n+-области в постоянном электрическом поле. Если напряженность электрического поля в слаболегированной области велика и превышает несколько киловольт на сантиметр, то скорость электронов остается почти постоянной и равной скорости насыщения 
. Обедненную область, в которой происходит движение электронов с постоянной скоростью, называют областью дрейфа. Поскольку при этом дифференциальная подвижность электронов близка к нулю, при движении электронов не происходит уменьшения объемной плотности заряда. Важно отметить, что процесс лавинного умножения носит обратимый характер, т. е. при уменьшении напряжения 
ток снижается до некоторой первоначальной величины. Такое увеличение и уменьшение очевидно можно проводить многократно только при условии эффективного отвода тепла от диода. Результирующая статическая вольтамперная характеристика имеет вид, характерный для обычных диодов (рис. 3.2). Такое увеличение и уменьшение U0 очевидно можно проводить многократно только при условии эффективного отвода тепла от лавинно-пролетного диода. Если поместить такой образец в колебательный контур СВЧ, то при определенных условиях возможно генерирование СВЧ-мощности. Рассмотрим временную диаграмму работы прибора. Пусть на диод подано постоянном напряжение несколько меньшее, чем напряжение пробоя 
. При наличии дополнительного переменного напряжения СВЧ 
суммарное напряжение 
может в некоторые промежутки времени превышать пороговое напряжение, т. е. 
(рис 3.3). Возникающий при этом процесс лавинного умножения носителей приведет к росту концентрации свободных электронов и дырок в области полей, напряженность которых превосходит значение . Ввиду инерционности процесса лавинообразования, максимальное количество носителей обоих знаков накапливается к концу положительной фазы переменного напряжения (рис. 3.3. а, б). Образовавшиеся носители дрейфуют под действием приложенного электрического поля: электроны к аноду, а дырки к катоду. Поскольку катод находится в непосредственной близости от зоны лавинного умножения, дрейф дырок практически не создает наведенного тока во внешней цепи. В то же время, сгусток электронов, двигаясь в 
-области, создает наведенный ток 
. При этом наведенный ток протекает во внешней цепи в отрицательный полупериод СВЧ-напряжения, что эквивалентно появлению отрицательной электронной проводимости в ЛПД. Значение отрицательной проводимости будет максимальным при угле пролета, приблизительно равным 
. Слой лавинного умножения можно представить в виде параллельного контура с резонансной частотой, называемой лавинной. На частотах ниже лавинной активное сопротивление ЛПД положительно, а реактивное имеет индуктивный характер. На частотах выше лавинной активное сопротивление ЛПД отрицательно, а реактивное сопротивление диода носит емкостный характер. Область отрицательных сопротивлений соответствует широкому диапазону частот. Важно отметить, что движение сгустка происходит с передачей кинетической энергии сгустка СВЧ-полю.
Максимальная эффективность такой передачи наблюдается, когда время пролета сгустком расстояния от места образования до «анода» 
будет равно половине периода СВЧ-колебаний 
:
При этом условии сдвиг фазы между первой гармоникой наведенного тока 
и переменным напряжением составит π радиан (рис. 3.3, в), т. е. мощность по переменному сигналу отрицательна. Для того чтобы не произошло «размытия» сгустка, необходимо обеспечить его движение в сильных электрических полях 
, где скорость движения носителей практически не зависит от поля (рис. 3.4). Для справки, у кремния и арсенида галлия одинаковое значение скорости насыщения vS » 105 м/с, a величины порогового значения поля, соответствующее скорости насыщения, разные: Е S » (30…40) кВ/см для кремния и Е S » 10 кВ/см для GaAs. Учитывая это обстоятельство, равенство (3.1) можно преобразовать для определения связи между длиной дрейфовой области 
(рис. 3.1, б) и генерируемой диодом частоты 
:
Длина области дрейфа существенно больше области лавинного умножения (это хорошо выполняется в сантиметровом диапазоне длин волн).
В рассматриваемом анализе предполагалось, что СВЧ-напряжение задано извне. В генераторах начальным толчком служит тепловой шум, в спектре которого имеется любая частотная составляющая. Для обеспечения генерации в системе диод – СВЧ-тракт необходимо выполнение баланса амплитуд и фаз:
где 
– реальная часть входной проводимости схемы в точках подключения диода; 
– реальная часть эквивалентной проводимости диода на рассматриваемой частоте w и СВЧ-напряжении U; 
– мнимая часть проводимости схемы; 
– мнимая часть проводимости диода.
Возбуждение СВЧ-колебаний в генераторе происходит, когда отрицательное сопротивление ЛПД превысит суммарные потери в системе, включая потери в диоде, резонансном контуре и схеме. Это справедливо для токов диода, превышающих некоторое минимальное значение, т. е. выполнение условия (3.3) обеспечивается начиная с некоторого минимального тока, который называется пусковым – 
. Пусковой ток растет с ростом частоты, обычно он составляет десятки и сотни миллиампер.
Условие (3.4) определяет частоту генерации. Эквивалентные параметры диода изменяются в зависимости от протекающего через диод постоянного тока I, поэтому частота и мощность генератора будут зависеть от режима питания. Выражения (3.3), (3.4) показывают также, что изменения мощности и частоты можно достигнуть за счет изменения параметров схемы.
Важно отметить, что значения амплитуды СВЧ-напряжения 
ограничены. Поскольку мгновенное значение напряженности электрического поля в области дрейфа не должно быть больше напряженности пробоя (необходимо избегать развития лавинного пробоя в области дрейфа) и не должно быть меньше поля 
, соответствующей скорости насыщения (скорость должна быть максимально возможной и не зависеть от поля), то амплитуда переменной составляющей электрического поля будет меньше постоянной составляющей напряженности поля в области дрейфа в статическом режиме. Поэтому максимальный электронный КПД генератора на ЛПД без учета потерь в последовательном сопротивлении диода не превышает 30 %.
Максимальная мощность полупроводниковых приборов СВЧ, ограничена тепловыми и электрическими свойствами диода или транзистора. В полупроводниковых приборах рассеяние СВЧ-мощности происходит в объеме материала и на электродах. В отличие от вакуумных приборах, в которых мощность электронного потока может быть повышена за счет увеличения площади катода и ускоряющего напряжения, полупроводниковая структура имеет малый объем и площадь поперечного сечения, а увеличение напряжения ограничено возможностью теплового пробоя. Величина этой мощности характеризуется тепловым сопротивлением диода 
, зависящим от свойств материала, конструкции прибора и температуры перегрева. Уменьшение за счет увеличения площади структуры нежелательно, поскольку это приводит к росту емкости диода, способствующее увеличению потерь. Отметим, что ограничение по электрическим параметрам вызывает более резкое уменьшение выходной мощности с ростом частоты, чем тепловое.
3.2. Описание объекта исследований
В качестве объекта исследований используется лавинно-пролетный диод АА707 различных модификаций, на основе которого выполнен СВЧ генератор. На рис. 3.5 представлена схема включения диода в СВЧ цепь. Диод 1 помещается в волноводную резонаторную камеру Р1, имеющую два окна связи О1 и О2 с внешними волноводами 2.
Через окно связи О1 осуществляется связь с нагрузкой, а окно О2 обес 
печивает связь с дополнительным (настроечным) резонатором Р2, образованный подвижным плунжером 3, позволяющий изменять местонахождение плоскости короткого замыкания. Перемещение плунжера изменяет проводимость схемы на «зажимах» диода, что приводит, в соответствии с (3.3), (3.4), к изменению частоты w и мощности генерации 
. Подобная картина изменения w и наблюдается также, когда появляется отраженная волна от нагрузки. Такое явление получило название затягивания частоты генератора нагрузкой. Следовательно, согласование ЛПД, как и любого другого генератора, является важной задачей микроволновой техники.
Пластины 4 и коаксиальный кабель 5 обеспечивают подачу постоянного смещения на диод и не позволяют СВЧ мощности проходить в цепь питания, т. е. выполняют роль фильтра низкой частоты.
3.3. Схема измерительной установки
В состав измерительной схемы (рис. 3.6) входят: волноводный генератор 2, настроечный плунжер 1, измерительная линия 3, регулируемая неоднородность 4 (штырь в волноводе), регулируемый аттенюатор 5, цифровой час 
тотомер 6 и измеритель мощности 7. Такая схема обеспечивает получение основных характеристик генератора. Измерительная линия 3 позволяет исследовать отражение от нагрузки и явление затягивания частоты. Неоднородность 4 служит для изменения величины отражений от нагрузки.
3.4. Предварительное задание
1. Изучить теоретическую часть работы. При необходимости обратиться к рекомендованной литературе.
2. Подготовить таблицы для снятия экспериментальных зависимостей.