7.4 Режимы работы диодов Ганна.
В зависимости от амплитуды колебаний, а также от соотношения времени пролета домена и периода колебаний возможны следующие режимы работы диодов Ганна.
Пролетный режим.
Этот режим полностью соответствует описанному выше эффекту Ганна. Он возможен при работе диода на колебательную систему с низкой добротностью. При этом U~ << U0, а генерируемая частота приблизительно равна пролетной частоте:
.
График изменения тока (см. рис. 7.5) во внешней цепи имеет явно выраженный несинусоидальный характер, амплитуда первой гармоники тока при такой форме импульсов относительно невелика, поэтому этот режим характерен низким КПД (не более 10%, чаще всего 2 ¸ 5%).
Режим с задержкой образования домена.
Этот режим реализуется при использовании колебательной системы с невысокой и средней добротностью и частотой настройки f < f пр. Для объяснения этого режима на рис. 7.7 показаны временные диаграммы напряжения и тока диода.
Введем обозначения:
U0 - постоянное напряжение, приложенное к диоду Ганна;
Um- амплитуда переменного напряжения;
Uп- пороговое напряжение, при котором возникает домен;
Uр- напряжение, при котором рассасывается домен;
Uп >Uр, так как до образования домена поле внутри “горячего” участка создается в основном внешним напряжением, а когда домен сформирован львиная доля электрического поля в горячем участке создается доменом и домен будет еще существовать даже при уменьшении внешнего напряжения ниже порогового.
Для этого режима U0 - Um>Uр, то-есть после возникновения домен может исчезнуть только при достижении анодного контакта. В момент t1 U ³ Uп и, следовательно, домен образуется и начинает двигаться к аноду. Ток в этот момент падает до минимального значения и остается практически постоянным в течение всего времени движения домена. Рассасывание домена происходит при достижении доменом анодного контакта (предположим, это момент t3 ).
Отрицательное дифференциальное сопротивление диода будет обеспечиваться, если момент прихода домена на анод и, следовательно, момент рассасывания домена лежит в пределах t2 - t4. Это объясняется тем, что с одной стороны в момент рассасывания напряжение должно быть меньше порогового, а с другой - напряжение в момент рассасывания домена должно уменьшаться. Так как при рассасывании домена ток увеличивается, то диод Ганна в этот момент представляет собой устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением. После рассасывания домена новый домен образуется не сразу, а в момент t5, когда U ³ Uп. В этот момент диод также ведет себя как устройство с отрицательным сопротивлением, так как напряжение увеличивается, а ток при образовании домена уменьшается.
В этом режиме время движения домена должно быть меньше периода колебаний. Обычно Т/2 £ t £ Т, или 0,5 fпр £ fраб £ fпр
.Форма импульсов тока в этом режиме близка к прямоугольной, что обеспечивает наибольшую амплитуду первой гармоники и, следовательно, повышенное значение КПД (до 27%).Режим с подавлением (гашением) домена.
В этом режиме в течение части периода U0- Um< Uр и поэтому домен может расформировываться (рассасываться), не доходя до анода. В момент t1 (U ³ Uп) домен возникает и существует до времени t2, когда U = Uр (рис. 7.8). Время пролета домена от катода до анода должно быть больше той части периода, когда напряжение меняется от Uп до Uр (t > t2 - t1), то-есть домен еще не доходит до анода, когда напряжение уменьшается до Uр.
Новый домен возникает в момент t3 и далее процесс повторяется. Рабочая частота в этом случае может изменяться в пределах:
0,75 f пр £ f раб £ (2 ¸ 3)f пр.
КПД генератора при работе в этом режиме меньше, чем в режиме с задержкой образования домена, но больше, чем в пролетном. Обычно КПД составляет 8 ¸ 12 %.
Режим с ограниченным накоплением объемного заряда (ОНОЗ).
Этот режим возможен при настройке высокодобротной колебательной системы на частоту, много больше пролетной (fраб >> fпр). При большой добротности системы амплитуда колебаний достигает значительной величины и во время отрицательного полупериода при U< Uп (промежуток t 1), происходит рассасывание накопленного заряда (рис. 7.3).
При достаточно высокой частоте колебаний домен не успевает сформироваться, однако ток через образец периодически изменяется, уменьшаясь при увеличении U свыше Un и увеличиваясь при уменьшении U ниже Un.
Таким образом, и в этом режиме диод Ганна ведет себя как устройство с отрицательным сопротивлением.
Для обеспечения режима ОНОЗ необходимо обеспечить условия, при которых формирование домена было бы затруднено. Это обеспечивается технологически путем максимального исключения возможных неоднородностей, то есть использования сверхчистых однородных кристаллов.
Ограничение накопления объемного заряда позволяет использовать для этого режима образцы с большим пролетным промежутком, а также использовать повышенные рабочие напряжения, что ведет к увеличению выходной мощности устройств. Однако серьезной проблемой остается обеспечение высокой добротности колебательной системы, а также высокой однородности кристалла.
Гибридные режимы.
Эти режимы характеризуются тем, что в различные части периода могут существовать различные режимы (сначала доменный, а потом ОНОЗ).
Независимо от типа режима, во всех случаях диод Ганна представляет собой устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением и может быть использован для создания генераторов и регенеративных усилителей СВЧ диапазона.
Рис. 7.9
назад | оглавление | вперёд