Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
постоянного поля вдоль образца предполагалось однородным. Предполагалось,
что ток проводимости на катоде /с определяется величиной электрического
поля в области катодного контакта. В рамках этой модели свойства
катодного контакта при расчете малосигнального импеданса характеризуются
величиной
юс=4л:стс(г/е, (Ю.2)
где Ocd=dIc/dE\E=Eo. При юс-*о°, полученные в работе 115] выражения для
малосигнального импеданса переходят в выражение для
218
импеданса при граничных условиях на катоде Е~Е0 (гл. 3). Влияние конечных
значений сос на малосигнальную проводимость иллюстрируется рис. 10.5. Как
видно из рисунка, при малых значениях шс проводимость диода в широкой
полосе частот отрицательная, что позволяет получить стабильное усиление в
широкой полосе частот. Усилители такого типа получили название усилителей
с инжектирующим катодом (injection-limited amplifiers). В работе [15]
отмечается, что в качестве катодного контакта с малым значением юс может
служить, например, контакт типа барьера Шоттки.
Некоторые экспериментальные данные по усилителям с инжектирующим
контактом приведены в табл. 10.1.
В работе [16] содержится расчет шумов ганновских усилителей с
инжектирующим катодным контактом. В ней показано, что при -использовании
инжектирующего контакта тепловой шум стабильного усилителя на GaAs может
быть снижен приблизительно до 8 дБ по сравнению со значением 16 ... 17дБ
для усилителей с обычным омическим контактом. В этой работе отмечается
также, что тепловой шум уменьшается, при увеличении абсолютной величины
отрицательной дифференциальной подвижности ji_.
В частности, проделанные в [16] оценки показывают, что для усилителей
Ганна из Ino^Gao.sSb тепловой шум благодаря высокому значению р,_ может
упасть до 4 дБ.
Отметим, что при достаточно большой внешней положительной обратной связи
стабильные усилители способны служить генераторами на частотах вблизи
пролетной частоты [9] и ее гармоник [17]. Поскольку произведение ПоЬ
невелико, трудно рассчитывать на получение большой выходной мощности,
однако, как указывается в работе [9], генераторы такого типа могут
оказаться значительно более долговечными и надежными, так как домен в
этом случае отсутствует, а следо-вательнс, не возникает и ударная
ионизация в домене.
10.3.2. Суперкритически легированные усилители
Стабилизация внешней цепью. Одним из основных способов стабилизации
суперкритически легированных диодов, позволяющих использовать их в
качестве стабильных усилителей, является стабилизация
219
Я(ыУ
Рис. 10.6. Качественная диаграмма Найквиста для диода Ганна с naL>(n0L)h
Пунктиром показана диаграмма Найквиста для диода, стабилизированного
последовательным активным сопротивлением.
Рис. 10.5. Зависимость малосигнальной проводимости диода Ганна с
инжектирующим катодом от угла пролета ыЬ/и:
'Imd~1 = - 103 °>с= -5.10'с - 1;
б'> xmd - 1 = ~5-103 с-а)с = 5.10(r)с -
") 'cmd~1 = -10(r) с_"с= 102с - 1.
Tmd - Дифференциальное максвелловское время.
X(uf)k
с помощью внешней цепи. Пояснить принцип работы усилителей этого типа
можно с помощью диаграммы Найквиста для диодов Ганна. (Диаграммы
Найквиста представляют собой зависимости импеданса Z(ш) от частоты ш на
плоскости R(со), Х,(а>) см. гл. 3.)
На рис. 10.6 приведена качественная диаграмма Найквиста для
суперкритически легированного диода с n0L>(noL)i (сравнить с рис. 3.4).
Неустойчивость, приводящая к формированию доменов, соответствует на
диаграмме Найквиста кривой импеданса, охватывающей начало координат (гл.
3). Поэтому понятно, что подключением к диоду последовательного резистора
[18, 19] (пунктирная кривая на рис. 10.6), соответствующим образом
выбранной комплексной нагрузки или специального фильтра [20, 21] можно
стабилизировать диод, т. е. перевести его из генераторного в усилительный
режим.
Суперкритические стабильные усилители такого типа впервые исследовались
экспериментально в схеме отражательного типа в [22]. Диоды с яо = = 2-
'1015 см-3, L = 20 мкм и предполагаемой подвижностью |ii=6000 см2/В-с
изготавливались из эпитаксиального GaAs. Без стабилизации внешней цепью
диоды генерировали мощность порядка
10 Вг в диапазоне частот около 4 ... ... 7 ГГц на частоте,
определяемой настройкой резонатора. Стабилизация с помощью регулируемого
трансформатора импедансов подавляла генерацию до такой степени, что в
диапазоне
1,5 ... 12,5 ГГц анализатор спектра с чувствительностью -75 дБм не
регистрировал никаких сигналов. В этих условиях наблюдалось усиление на
частотах, лежащих в полосе ±50 МГц от частоты, на которой образцы
генерировали без стабилизации и которая могла быть изменена в пределах 4
... 7 ГГц перестройкой резонатора и изменением напряжения смещения.
Коэффициент усиления составлял около 10 дБ, причем усиление было линейным
в очень широком динамическом диапазоне от уровня шумов до выходной
мощности, превышавшей 1 Вт. На одном из диодов достигнуто усиление
порядка 17 дБ.
В работе [23] также в схеме отражательного типа получено стабильное
