10 20 3D 40 и, В 5

Рис. 9.И. Зависимость к. п. д. генератора от параметра щЦ [39] для гибридного режима (кривая 1) и для режима ОНОЗ (кривая 2) (а) и зависимость к. п. д. генератора Ганна, работающего в гибридном режиме, от напряжения смещения [43] (б). Ь=12 мкм.

И определяется частотой резонатора в одном из наиболее распространенных и эффективных пролетных режимов работы - режиме гашения.

На самом деле принципиальное отличие режима ОНОЗ от пролет-пых режимов состоит в том, что в режиме ОНОЗ ток (в первом приближении) прослеживает кривую v{E), а в пролетных режимах отрицательное сопротивление, вносимое диодом в резонатор, связано с формированием и распространением доменов сильного поля. Как отмечалось выше, переход из пролетных режимов в режим ОНОЗ происходит в том случае, когда частота резонатора ш становится много больше обратного времени формирования домена Тф. При ©Тф~1 процесс формирования домена занимает большую часть периода, и такой режим работы, являющийся промежуточным («гибридным») по отношению к режиму ОНОЗ и режиму гашения, называется гибридным режимом ![36 .

В работах {37, 38] гибридный режим исследовался с помощью моделирования на ЭВМ как предельный случай режима гашения в области высоких частот. В работе ;[39] теоретически был подробно исследован переход из гибридного режима в режим ОНОЗ Результаты работ [37, 38] были подробно изложены в гл. 8. На рис. 9. П,а приведены теоретические зависимости к. п. д. генератора на диоде Ганна для режима ОНОЗ и гибридного режима, рассчитанные в работе ![39].

Из рис. 9.И видно, что режим ОНОЗ плавно переходит в гибридный режим при понижении частоты. С другой стороны, в работах [37, 38] показано, что при дальнейшем уменьшении частоты гибридный режим работы плавно переходит в режим гашения. Таким образом, диод Ганна может служить эффективным генератором в очень широком диапазоне частот, начиная от самых низких частот (низкочастотные осцилляции, гл. 8) вплоть до 100 ... 200 :ЛГц (режим ОНОЗ).

Заметим, что при интерпретации экспериментальных данных существует некоторая путаница в определении режима работы. Часто авторы считают, что диод работает в гибридном режиме или режиме ОНОЗ только на том основании, что ч1астота колебаний значительно превышает пролетную частоту. В действительности, как следует из изложенного выше, характерным параметром для определения режима работы является скорее обратное время формирования домена.

* Термин «гибридный режим» был впервые предложен в работе i[39] и в настоящее

время является общепринятым.

в работе [40J сообщалось о получении генерации в режиме .ОНОЗ. На диодах с По«1,5 • 10 см- и длиной ЬкгЧО" ом была получена мощность Р„=400 Вт при Т1«8,5% па частоте 9,4 ГГц. На диодах с По~ 1,5 • 10 см~ и L «6-10-5 была получена мощность 160 Вт при П«5% яа частоте около 16 ГГц. Для получения столь высоких результатов был использован GaAs Исключительно высокого качества с неоднородностью легирования <5%. Напряжение постоянного смещения в 10... 18 раз превышало пороговое. Поскольку в данноМ случае ПокЧкр, оценим величины критериев, характеризующих режим работы для обоих предельных случаев i(ni,<:«Kp и по>Пкр, [см. выражения (9.ва) и (9.86)].

Для диодов первого типа величина

«/2/i"f0.04 см- = .с, а пУ/Ь!! =s: 265 см~"*-с. Для диодов второго типа величина n/L/s:0,032 см-г-с, а nl/OIfim см-"с. Таким образом, диоды работали, по-видимому, на границе гибридного режима и режима ОНОЗ.

в работах [41, 42] в диапазоне частот 26...40 ГГц была получена мощность порядка долей ватта при т)«4%. Концентрация электронов По~(1,6... ... 3,2) 10»5 см-з, L«io-3 ,см (EolEt «2,5...4, S«100Xli25 мкм). Авторы полагали, что их образцы работают в режиме ОНОЗ.

Принимая По =5= 2-10 cм- Z, = 10-« см и f = 3-I0ir4, находим «/2/i/f 0,07 см-.с, а nll%lt =s: 320 CM-с. Таким образом, наблюдаемый режим был скорее ближе к гибридному. •

В работе [43] на частоте 8,3 ГГц при мощности в импульсном режиме около 19 Вт был получен весьма высокий к. п. д. (порядка 22%). Толщина активного слоя составляла 12 мкм, концентрация электронов По» 1,3-10" см-. Автор полагал, что диоды работали в гибридном режиме. В данном случае ,4/2/z.i/2:0,12 см-.с, а riJbElb =%:720 см-/-с.

Таким образом, в работе [43] действительно реализовался гибридный режим. На рис. 9.11,6 показана зависимость к. п. д. от напряжения смещения, измеренная в работе f43]. Из рисунка видно, что к. п. д. максимален при напряжениях смещения порядка десяти пороговых напряжений. Как отмечается в работе, спад к. п. д. при дальнейшем увеличении смещения связан с возникновением ударной ионизации.

В работе 144] была получена генерация на частотах от 12,4 до 18 ГГц. Толщина диодов составляла 5,5 мкм, концентрация носителей 3- W" см-, площадь поперечного сечения 200 мкм, сопротивление диодов в слабом поле 0,6 Ом. Выходная мощность достигала 7 Вт в импульсном режиме при к. п. д., равном 9%. Как и в работе [43], наилучщие результаты были получены при больших (до двенадцати раз превышающих пороговое) напряжениях смещения. Авторы предполагали, что реализуется гибридный режим.

Величина «/2a/2f%0,2, а «/4/1/=/=

«11120 (при /«Г2 ГГц). Отсюда следует, что яа нижней границе исследованного частотного диапазона осуществлялся, по-видимому, режим гашения. Верхней границе мог соответствовать гибридный режим. В работе [44] была исследована зависимость к. п. д. и выходной мощности от площади поперечного сечения диодов (рис. 9.12). Показанные на рис. 9.12 зависимости можно объяснить тем, что при определенной площади диода (около 4-10" см) для диодов, использованных в работе [44], получается наилучшее согласование с нагрузкой. Однако увеличение площади диода сверх некоторого значения не влечет за собой увеличения генерируемой мощности и приводит к падению к. п. д. за счет рассогласования сопротивления диода я ОВЧ цепи. Рис. 9.12 может служить наглядной иллюстрацией того факта, что важной характеристикой прибора является не только выходная мощность, ио и произведение выходной мощности яа импеданс (см. также гл. 8).

Юг о

Рис. 9.12. Зависимость генерируемой мощности 1 и к. п. д. генератора 2, работающего в гибридном режиме, от площади диода [44}.

Специалисты фирмы Monsanto Со, от 6 до 20 ГГц и 200 мВт на частотах

США, сообщают [45], что фирмой раз- от 8 до 12 ГГц. Наибольшая мощность

работаны диоды Ганна, работающие в непрерывном режиме составляла

в , гибридно.м режиме на частотах 400 м©т на частоте 7 ГГц при к. п. д.,

3,2 ... 20 ГГц. Эти приборы работают равном 6%. В импульсном режиме по-

как в непрерывном, так и в импульсном лучена мощность 34 Вт на частоте

режиме. В непрерывном режиме получе- 8,5 ГГц при к. п. д. порядка 15%. на мощность 50 .мВт в диапазоне 4acTJT

Г лава 10

УСИЛИТЕЛИ СВЧ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ГАННА 10.1. Введение

Объемное отрицательное сопротивление, возникающее при эффекте Ганна, может быть использоваио ,не только для генерации, но и для усиления СВЧ колебаний. Первые усилители СВЧ на основе эффекта Ганна были предложены Тимом еще в 1965 г. Хотя прогресс в разработке усилителей Ганна осуществляется значительно более медленными темпами, чем в разработке генераторов Ганна, выходная мощность, полученная от усилителей на основе эффекта 1Ганна достигает к настоящему времени величин порядка десятков ватт. Теоретические оценки показывают, что выходная мощность ганновских усилителей может достигнуть значений порядка сотен ватт и более. Даже усилители с выходной мощностью порядка ватта и ниже могут найти большое число разнообразных применений. Однако многим применениям препятствует слишком высокий уровень шума, свойственный некоторым типам ганновских усилителей. Предложенные в последнее время новые релимы работы усилителей на основе эффекта Тайна позволяют значительно уменьшить шумы. Таким образом появились основания полагать, что усилители на основе эффекта Ганна в значительной степени смогут удовлетворить все возрастающую потребность в эффективных твердотельных усилителях СВЧ диапазона.

Этим обстоятельством и объясняется заметное увеличение в последние годы числа работ по усилителям на основе эффекта Тайна.

10.2. Классификация усилителей на основе эффекта Ганна

Усилители ва основе эффекта Ганна можно разделить на четыре •основные группы. К первой группе относятся усилители, работающие в условиях, когда по образцу распространяется нарастающая волна объемного заряда. Такой режим работы носит название режима стабильного усиления. Ко второй группе относятся усилители, использующие усилительные свойства образца, по которому распространяется до-. мен сильного поля. К третьей группе относятся усилители, в которых для усиления непосредственно используется отрицательная дифференциальная проводимость статической кривой v{E) в однородном образце. Усилители четвертой группы представляют собой работающие в различных режимах ганновские генераторы СВЧ, синхронизирован-

.212