Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
доменом отрицательна вплоть до частот со"1/тф. На более высоких частотах
домен не успевает перестраиваться при изменении амплитуды переменного
поля, и связанное с ним отрицательное дифференциальное сопротивление
исчезает.
Используя соотношение t$~3,5L/p,i?m (гл. 3), можно получить оценку для
максимального значения параметра !(/L)max, выше которого усиление в
рассматриваемом режиме невозможно
(fL) шах ~Ц1 Eyn/l Л,
где Ет - максимальное поле в домене. Эта оценка с точностью до числа
порядка единицы совпадает с полученной в работе [36] другим способом.
Принимая Ет~2-105 В/см, jxi = 6000 см2/В-с, получаем W max-¦ 6- Ю7 см/с.
Таким образом, оценка показывает, что усиление в таком режиме может быть
получено вплоть до частот, значительно превышающих пролетную. Кроме того,
как указал Тим, первым предложивший и исследовавший усилители такого типа
[36, 37], поскольку на параметр n0L в таком режиме ограничения не
накладываются, можно ожидать что коэффициент усиления и выходная мощность
окажутся большими, чем для стабильных усилителей.
10.4.2. Экспериментальные результаты
Усилители 'Тима с бегущим доменом исследовались в [36-39]
экспериментально. В работе {37] использовалась схема отражательного типа
с трехплечевым широкополосным СВЧ циркулятором. Изучались диоды длиной L
- "20 мкм, площадью поперечного сечения S.=10-4 см2 и концентрацией
электронов по=|4-1015 см-2. Усиление было обнаружено в очень широкой
полосе частот и составляло 5,0±0,5 дБ на частоте 100 МГц и около 3 дБ в
диапазоне частот 5,5 ... 6,5 ГГц. В диапазоне
5,5 ... 6,5 ГГц измеренный коэффициент шума лежал в пределах 18 ... 21
дБ.
В работе [36] также в схеме отражательного типа исследовались диоды с
L=25 мкм, по = 3-1015 ом-3 и S =
= 10-4 см2. Измерен малосигнальный импеданс образцов в режиме генерации.
(Частота генерации составляла 9,6 ГГц при напряжении питания 10 В.)
Полученная в работе [36] зависимость коэффициента усиления от частоты
показана на рис. 10.9,а.
Отмечается, что уровень выходной мощности, при которой наблюдается
насыщение, приблизительно на 2 дБ меньше мощности, генерируемой диодами
(рис. 10.9,6). Средний коэффициент усиления на линейном участке составлял
9 дБ, коэффициент шума для различных диодов 18 ... 22 дБ, наибольшая
выходная мощность усилителей - 100 мВт.
В работе [38] использовались диоды с частотой генерации 8,3 и '14,3 ГГц.
222
Рис. 10.9. Зависимость коэффициента усиления по мощности от частоты для
усилителя Тима с бегущим, доменом [36] (а) и диналшческие характеристики
усилителей Тима (б):
1 - для образца с мощностью генерации 20 дБм, 2 - для образца с мощностью
генерации 13 дБм,
/ - частота генерации.
Мощность насыщения в режиме усиления для .диодов обоих типов составляла
11 мВт. Для диодов с частотой генерации 8,3 ГГц усиление наблюдалось
на частоте f- 5,7 ГГц в полосе А/ "700 МГц при коэффициенте усиления
/Ср"10 дБ. Для диодов с частотой генерации
14,3 ГГц f=7,0 ГГц, Д'/=1500Мгц, Кр = = 5 дБ.
На диодах с частотой генерации f~ 17 |ГГц наблюдалось усиление в
аналогичном режиме в очень широкой полосе частот (8 ... 12 ГГц) с
коэффициентом усиления Кр "4 ... 6 дБ [39].
Усиление в полосе частот от 150 до 750 М'Гц на образце с nob-11012 см-2
(пролетная частота составляла около 1,085 ГГц) наблюдалось в [40].
10.5. Параметрические усилители с бегущим доменом
10.5.1. Принцип действия
В 1966 г. Кэррол [41] указал, что параметры генератора Ганна, работающего
в пролетном режиме, могут быть улучшены, если переменное поле
установившихся в полости резонатора колебаний содержит вторую гармонику
(гл. 8). Согласно идее Кэррола в таком режи те работы выходная мощность и
к. п. д. генератора Ганна на первой гармонике возрастут из-за
параметрической самонакачки на второй гармонике.
Несколько позднее Вини [42] предложил конструкцию параметрического
усилителя бегущей волны на основе эффекта Ганна. В такой конструкции
пластинка GaAs, к которой приложено напряжение, несколько меньшее
порогового, служит границей микрополосковой линии. Усиление при этом
достигается за счет того, что бегущая вдоль микрополосковой линии волна
"переключает" домены сильного поля. Однако предложенная в работе [42]
конструкция усилителя не была реализована экспериментально.
В 1968 г. Айтчисон [2] предложил более простой и физически наглядный
способ получения параметрического усиления за счет периодического
изменения с пролетной частотой эквивалентной емкости диода от малой
величины C0,m eS/4nL в момент начала формирования домена сильного поля до
большой величины Cd (гл. 3), соответствующей стабильному домену.
Рассмотрим простую модель, описывающую работу диода Ганна в режиме
параметрического усиления. Для простоты рассмотрим слу-
223
Рис. 10.10. Схема последовательного контура (а) и зависимости от времени:
э. д. с. сигнала (б), емкости ганновского образца (в), электростатической
энергии, запасаемой в контуре в стационарном режиме (г).
чай, когда диод Ганна работает в пролетном режиме, так что колебания
