Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
9.7. Из рисунка видно, что максимальная частота, при которой возможна
генерация в режиме ОНОЗ, воз-
Рис. 9.7. Зависимость к. п. д. генератора в режиме ОНОЗ от частоты:
.¦а--по данным работы [20], 1) Ео=*10 кВ [см, ва=8 кВ [см, 2) Eq~15 кВ
[см, во-13,1 кВ [см; б- по дан-moim работы [21]. 1) Eq**20 кВ[см, 2)
Eq**10 кВ[см, Величина е0 выбиралась обеспечивающей макси.*
мальный к. п. д. при заданных Ео и f.
растает с ростом напряжения смещения и зависит от режима работы. В любом
случае она не превышает величину порядка 200 ГГц*>. Следует отметить,
однако, что в работах [20, 21] предполагалось, что .к Диоду приложено
чисто синусоидальное переменное напряжение. Как указано в работах [20,
22], использование напряжения сложной формы (см. ниже) может несколько
расширить частотный диапазон генерации в режиме ОНОЗ.
Теория режима ОНОЗ, учитывающая процессы релаксации энергии и
возникновения обогащенного слоя, развита в работе [23]. Для расчетов
использовалась модифицированная двухдолинная температурная модель,
параметры которой выбирались из соображений "аилучше-:го совпадения с
экспериментальными зависимостями. Расчеты были проделаны для образцов из
GaAs длиной 20 и 100 мкм. Оказалось, что диоды меньшей длины обладают
меньшим к. п. д. Максимальная рабочая частота составляла 50 ПГц при учете
возникновения обогащенного слоя и около 130 ГГц, если процессами
накопления объемного .заряда пренебрегали.
9.4. Технические характеристики диодов Ганна, работающих
в режиме ОНОЗ
9.4.1. Частотная перестройка
Как следует из принципа работы диода Ганна в режиме ОНОЗ, частота
колебаний в этом режиме определяется внешней цепью. Таким образом, все
способы частотной перестройки резонатора, подробно описанные в гл. 8 для
пролетных режимов работы, могут быть использованы для частотной
перестройки генератора, работающего в режиме ОНОЗ. Для лабораторных
исследований часто применяется перестройка резонатора с помощью
короткозамыкающего поршня. Так, в работе
[24] частота генерации плавно изменялась при перемещении
короткозамыкающего поршня резонатора в пределах от 7,2 до 11,6 ГГц и от
9,6 до 13,4 )ГГц. В промышленных генераторах ОНОЗ, как правило,
используется перестройка с помощью варактора.
*) Это значение для граничной частоты генерации хорошо согласуется с
резуль-
татами более строгих расчетов, выполненных методом Монте-Карло (гл. 2).
205
9.4.2. Произведение мощности на импеданс
Из теории, основанной на приближении одного электрона (п. 9.3.1)"
вытекает, что произведение мощности на импеданс для диодов ОНОЗ не
зависит от частоты и неограниченно возрастает с увеличением длины диода.
Однако размеры диода ограничены размерами резонатора, которые, как
правило, не превышают половины длины волны генерируемого излучения.
Принимая, что длина диода не должна превышать приблизительно 1/10 длины
волны в вакууме и
считая величину е0~ЮEt (при больших значениях Е0 и к. п. д. начинает
уменьшаться, рис. 9.2), из (9.16) получаем
eZoL* S -у (Вт' 0м)> (9-25)
где с - скорость света в вакууме. Эта величина приблизительно на пять
порядков больше значения Р для .пролетных режимов работы (п. 8.31).
Выражение (9.25) не учитывает практических трудностей, связанных с
проблемами теплоотвода, конструированием резонатора, качеством материала
и согласованием диода с СВЧ трактом. Как видно из табл. 8.1, реально
достигнутые значения Р^ значительно ниже . предельных, определяемых
формулой (9.25) (величину R- можно принять равной около 50 Ом). Однако и
для реально полученных результатов произв.едение P"R- падает
приблизительно обратно пропорционально .квадрату частоты.
На высоких частотах мощность диодов, работающих в режиме ОНОЗ,
ограничивается также скин-эффектом, из-за которого эффективно
"работающий" поперечный размер диода не может превысить характерного
размера скин-слоя б~с/(2п:|/"/а), где а-удельная проводимость
полупроводника в слабом тюле. Более детальные .расчеты, описывающие
влияние скин-эффекта "а параметры режима ОНОЗ, проделаны в работе 1[)16].
Они хорошо согласуются с приведенными выше простыми результатами и
показывают, в частности, что при оптимальном согласовании диода с СВЧ^
цепью да частоте 90 ПГц поперечный размер диода должен составлять около
100 мкм.
9.4.3. Влияние напряжения сложной формы
В гл. 8 было показано, что использование переменного напряжения сложной
формы, содержащей несколько гармоник с определенными амплитудными и
фазовыми соотношениями, существенно увеличивает к. п. д. и выходную
мощность в ганновских режимах. Высказанные соображения и приведенные
оценки справедливы и для режима ОНОЗ.
На рис. 9.8 приведены результаты расчетов, проделанных на ЭВМ
[25] для случаев, когда помимо первой гармоники к диоду приложено также
поле более высоких гармонических составляющих. Все приведенные на рисунке
результаты относятся к режиму "самоподкачки" (гл. 8), т. е. к случаю,
когда напряжение на всех гармониках поддерживается в резонаторе благодаря
