Объемное отрицательное сопротивление
Общим условием усиления или генерации колебаний является наличие отрицательного дифференциального сопротивления, или дифференциальной проводимости. Найдем условие, при котором возможно существование отрицательной дифференциальной проводимости в однородных полупроводниках. Приемники, соединенные по схеме трехпроводной звезды или треугольником.
Плотность тока через полупроводник в общем виде определяется зависимостью (8.4). Условием возникновения отрицательной проводимости является dj/dE<0. Дифференцируя (8.4), с учетом dn1/dE = —dn2/dE и μ1>>μ2 (пренебрегаем членами с μ2) условие возникновения отрицательной проводимости получим в виде
d n2 / dE > n1 / E. (8.8)
Это означает, что на участке отрицательной проводимости переход электронов из одного минимума в другой должен быть достаточно интенсивным при небольших изменениях E.
По выражению (8.7) плотность тока зависит от напряженности поля так же, как и дрейфовая скорость. Так как ток диода I=jS, где S - площадь его поперечного сечения, а напряжение на диоде U=Eℓ, где ℓ - расстояние между контактами (длина диода), то
(8.9)
Это выражение определяет вольт-амперную характеристику диода Ганна при однородном распределении электрического поля по продольной координате. Дифференциальная проводимость ДГ
в диапазоне напряжений питания от Uп=Enℓ до U2=E2ℓ отрицательна и может компенсировать потери в подсоединенной к диоду пассивной цепи, что открывает возможность использовать его для генерации или усиления колебаний.
Изложенный физический механизм образования отрицательного сопротивления в арсениде галлия был убедительно подтвержден экспериментами по влиянию давления на характеристики диодов Ганна.
Режимы работы. Характеристики и параметры диода Ганна
В зaвиcимocти oт пapaмeтpoв диoдa (cтeпeни и пpoфиля лeгиpoвaния мaтepиaлa, длины и плoщaди ceчeния oбpaзцa и eгo тeмпepaтypы), a тaкжe oт нaпpяжeния питaния и cвoйcтв нaгpyзки диoд Гaннa, кaк гeнepaтop и ycилитeль CBЧ-диaпaзoнa, мoжeт paбoтaть в paзличныx peжимax: дoмeнном, oгpaничeния нaкoплeния oбъeмнoro зapядa (OHOЗ), гибpиднoм, бeryщиx вoлн oбъeмнoro зapядa, oтpицaтeльнoй пpoвoдимocти
Pиc. 8.4. Зависимость скорости домена от напряженности
Доменные режимы работы
Рассмотрим следующие разновидности доменных режимов:
пролетный;
режим с задержкой домена;
режим с подавлением (гашением) домена.
Для дoмeнныx peжимoв paбoты диoдa Гaннa xapaктepнo нaличиe в oбpaзцe cфopмиpoвaвшeгocя дипoльнoгo дoмeнa в тeчeниe знaчитeльнoй чacти пepиoдa кoлeбaний.
Скopocть дoмeнa hд и мaкcимaльнaя нaпpяжeннocть пoля в нeм Eд cвязaны пpaвилoм paвныx плoшaдей
(8.10)
В cooтвeтcтвии c (8.10) плoщaди, зaштpиxoвaнныe нa риc. 8.4 и oгpaничeнныe линиями u (E), uд = const, Eд = const, являютcя oдинaкoвыми. Kaк виднo из pиc. 8.4, мaкcимaльнaя нaпpяжeннocть пoля Eд в дoмeнe знaчитeльнo пpeвышaeт пoлe Eвн внe дoмeнa и мoжeт дocтигaть дecяткoв кB/cм.
Пролетный режим генератора. Обычно так называют режим работы, в котором колебательная система, связанная с прибором Ганна, имеет низкую добротность. В этом случае переменное напряжение на колебательной системе мало по сравнению с постоянным напряжением и не оказывает обратного влияния на процессы в образце из GaAs. Если постоянное напряжение превышает пороговое значение, то в образце возникнут импульсы тока, частота следования которых определяется временем пролета. Этот режим уже рассмотрен как эффект Ганна.
Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три и более выводов. Термин "транзистор" происходит от английских слов transfer of resistor (преобразователь сопротивления). В отличие от вакуумных СВЧ приборов, не имеющих, с точки зрения механизма работы, аналогов в низкочастотном диапазоне, в основе работы полупроводниковых СВЧ-транзисторов лежат те же физические процессы, которые определяют работу транзисторов на низких частотах. Рассмотрим факторы, которые, с одной стороны, ограничивают возможность использования низкочастотных транзисторов в СВЧ-диапазоне и которые приводят, с другой стороны, к конструктивным особенностям СВЧ-транзисторов, являясь основанием для выделения их в самостоятельную группу транзисторных приборов.
Коэффициент усиления и максимальная частота генерации. Для характеристики усилительных свойств СВЧ БТ вводится коэффициент однонаправленного усиления Кр. Он характеризует прямое усиление транзистора по мощности при условиях его согласования с источником сигнала и нагрузкой и компенсации обратной связи внешней цепью без потерь. Этот коэффициент является общей характеристикой БТ. Он не зависит от схемы включения транзистора. Пользуясь эквивалентной схемой БТ при включении с общей базой, можно получить при условии (ω/ωгp)2 <<1 следующее выражение для коэффициента усиления по мощности Кр.
Особенности создания инверсной населенности уровней В полупроводниковых лазерах используется инверсия населенностей, получаемая в полупроводниках с одним или с различными типами проводимости (p-n-переход). Идеальным было бы состояние (рис. 10.9), когда верхние уровни в области 2 полностью заполнены электронами проводимости а нижние в области 1 полностью свободны от валентных электронов, т. е. полностью заполнены дырками. В этом случае инверсия населенности была бы наибольшей.