Физические процессы в ЛПД

Генераторы на лавинно-пролетном диоде

Лавинно-пролетный диод (ЛПД) — это генераторный диод СВЧ с резким p-n-переходом, одна из возможных структур которого изображена на рисунке.

ЛПД изготовляют из кремния или арсенида галлия и применяют на частотах приблизительно от 1 до 150 ГГц. Выходные мощности генераторов на ЛПД — сотни милливатт в миллиметровом диапазоне длин волн и единицы ватт в сантиметровом диапазоне; КПД — от единиц до десят­ков процентов.

Активные свойства диода основаны на том, что при подаче на диод с p-n-переходом обратного напряжения (превышающего напряжение лавинного пробоя) и его периодическом из­менении в области повышенной напряжен­ности электрического поля на границе р⁺- и n-областей периодически образуются сгустки избыточных носителей заряда, которые, пролетая об­ласть дрейфа, отдают свою кинетическую энергию электромагнит­ному полю.

Если к диоду приложено постоянное запирающее напряжение U_о >u_кр, где u_кр — напряжение лавинного пробоя, то напряженность электрического поля распределена по длине диода.

На границе р⁺-п образуется участок 1 длиной ∆l повышенной напряженности поля Е > Е_кр (область ла­вины) и участок 2 длиной l — ∆l, где Е < E_кр (область дрейфа, или пролетная область).

Если ЛПД поместить в резонатор, то в стационарном режиме ко­лебаний наряду с постоянным к нему оказывается приложенным переменное напряжение частотой, равной резонансной частоте колебательной системы. Режим диода устанавливают таким образом, чтобы часть периода колебаний мгновенное напряжение и было выше критического и_кр. Тогда в области лавины происходит генерация электронно-дырочных пар. Под действием электрического поля элек­троны и дырки движутся в противоположных направлениях. Электроны, дрейфуя через пролетную область, участвуют в преобра­зовании энергии постоянного электрического поля в энергию электромагнитных колебаний, а дырки сразу попадают в р+- область и не принимают учас­тия в энергообмене. Чтобы ЛПД отдавал мощность в колебатель­ную систему (т. е. фазовый сдвиг между колебаниями токаи напряжения первой гармоники был в пределах 90... 270°), необходимо обеспечить определенное соотношение между временем пролета электронов через область дрейфа и периодом колебаний.

Для пояснения изложенного построим зависимости от времени основных электрических величин, определяющих режим работы ЛПД.

Допустим, что временная зависимость квазимагнит­ного потока гармоническая:

Ф (t) = Ф₀ + Ф₁cos wt. Переменное напряжение, приложенное к области лавины, может быть рассчитано по формуле

мгновенное напряжение на пролетной области u_пр изменяется приблизительно пропорционально u_л. Ток лавины i_л связан с Ф соотношением

.

Зависимость тока в пролетной области i_пр от тока лавины определяется соотно­шением, полученным Ридом:

где— время пролета электронов через область дрейфа; v—средняя дрейфовая скорость электронов. Напряжен­ность электрического поля в области дрейфа обычно превышает 20... 30 кВ/см, при этом v — величина, приблизительно постоян­ная и равная 10⁷ см/с.

Как видно из зависимостей i_л и i_пр от t (б, г), колебания напряжения и тока на про­летной области сдвинуты по фазе на π (если не учитывать тока сме­щения). Этот фазовый сдвиг определяется временем образования ла­вины (π/2) и временем пролета электронных сгустков через область дрейфа (в оптимальном режиме π/2). Отсюда ясно название диодов: лавинно-пролетные. Из из зависимости i_пр от t следует, что колебательная сис­тема должна быть настроена на частоту, период которой связан со временем пролета соотношением. Отсюда частота колебаний в оптимальном режиме

Обычно ∆l≤ l и частота, ГГц, , где l — в микрометрах. Описанный

механизм работы ЛПД соответствует так называемому пролетному режиму, в зарубежной литературе называемому режимом IMPATT (Impact Avalanche Transit Time).

На практике частота колебаний может быть отлична от частоты пролетного режима l _пр на ±30 %. Это достигается изменением резонансной частоты колебательной системы.

Эквивалентная схема лавинно-пролетного диода может быть по­лучена последовательным соединением эквивалентных схем обла­сти лавины и пролетного участка. Чтобы составить схему пролетной области, проанализируем уравнение

кото­рое представим в виде где

— символический коэффициент; р — символ, обозначающий опера­тор дифференцирования d/dt при анализе временных процессов или jw при анализе периодических процессов частотой w; 1/р означает операцию интегрирования, е-^рτпр — операцию сдвига по времени на τ_пр.

Комплексную проводимость пролетной области (без учета тока смешения) можно записать в виде

где , — комплексные амплитуды первой гармоники тока и напряжения пролетной области. Так как ток i_л синфазен с пото­ком Ф(t), а напряжение u_пр пропорционально dФ/dt, то

где и - действительная и мнимая части ;

Как было отмечено, в оптимальном ре­жиме т_пр = Т_пр/2, поэтому = О, = — 2/π. Это означает, что G_пp == G_a, B_nр = 0. Таким образом, на частоте генерации пролетная область эквивалентна отрица­тельной проводимости — |G_a|. В эквивалентной схеме она может быть представлена генератором тока I_пр. Если учесть ток смеще­ния (путем включения емкости С_пр), то эквивалентная схема ЛПД может быть изображена в виде