Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 [ 16 ] 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

билотроном. Стабилотрон служит в качестве мощного bbicokoctj-бильного самовозбуждающегося генератора.

При подаче на платинотрон питающих напряжений между катодом и анодной замедляющей структурой образуется вращающееся кольцевое облако пространственного заряда. Высокочастотная волна, введенная в пространство взаимодействия, распространяется вдоль замедляющей системы и при наличии синхронизма с электронным потоком эффективно взаимодействует с ним. Взаимодействие в платинотроне осуществляется на одной из обратных гармоник высокочастотного поля. В результате электронный поток, как и в магнетроне, принимает спицеобразную форму и передает волне свою энергию. Усиленная высокочастотная волна через второй вывод передается в линию.

Платинотрон, как и другие приборы с нерезонансными колебательными системами, обладает, в принципе, свойством широкополосности. Однако замкнутость электронного потока в пространстве взаимодействия приводит к тому, что платинотрон может усиливать сигналы только при определенных значениях сдвига фазы на период замедляющей системы. Действительно, все электронные спицы должны находиться в тормозящем поле, в том числе и те, которые входят в пространство взаимодействия после разрыва в замедляющей системе. Другими словами, спица , совершив оборот вокруг катода и двигаясь примерно в центре тормозящей фазы волны, должна вновь попасть в тормозящую фазу. Опережение или отставание спицей максимума тормозящего поля не должно превышать ±90°, иначе спицы после одного оборота вокруг катода

попадают в ускоряющую фазу поля и рассыпаются. Это условие позволяет оценить полосу усиления платинотро-Роз на, в целом она оказывается достаточ но широкой.

Амплитудные характеристики ам-плитрона обладают рядом особенностей. При недостаточной входной мощ ности Рвх амплнтрон самоеозбуждает ся на паразитных видах колебаний, и выходной сигнал Рвых имеет случайный шумовой характер (заштрихованная область на рис. 5.19). При увели чении входной мощности, начиная с не которого определенного значения, прибор устойчиво усиливает входной сиг нал. При дальнейшем увеличении входной мощности амплитрон ведет себя как насыщенный усилитель, т. е. коэффициент усиления па дает, а выходная мощность слабо возрастает, главным образом, за счет прямого прохождения мощности возбуждения со входа на выход. Коэффициент усиления амплитрона может меняться от 20- 25 дБ до нескольких децибел при больших уровнях входного сигна-


9Рв1,

Рис. 5.19. Амплитудные характеристики амплитрона

(P01<P02<P03j

а. Чем выше уровень постоянной .мощности Ро. подводимой к прибору, тем больше значение минимальной входной мощности, требуемой для устойчивого усиления, и тем большее значение Явых ложно получить.

По виду амплитудных характеристик амплитрон можно упо,-обить генератору, синхронизированному от внешнего возбудите-1- Однако прибор существенно отличается от синхронизированно-? генератора тем, что усиленная мощность выводится из прибора очти целиком через один вывод - выходной. Важной эксплуата-.нонной особенностью амплитрона является весьма высокая фа-,овая стабильность по сравнению с другими мощными усилителя-ли. Обычно электронное смещение фазы в рабочей области амплитрона составляет десятые доли градуса на 1 А изменения тока. Гакая высокая стабильность объясняется относительно малой элек-рической длиной амплитрона. Другая его особенность объясняет-ря отсутствием внутренних поглотителей и состоит в малом затухании волны при подаче ее со стороны выхода прибора.

Рабочие характеристики амплитрона - семейства вольтампер-ных характеристик, построенных для постоянных значений магнитной индукции, выходной мощности и кпд при постоянной входной мощности, подобны соответствующим характеристикам многорезонаторного магнетрона, что определяется общностью физических процессов, протекающих в приборах.

Платинотрон может быть использован также в качестве стабилотрона - ста-ильного автогенератора, перестраиваемого в широкой полосе частот (до 10%). ля этого ко входу прибора через фазовращатель подключают высокодоброт-ын резонатор с поглощающей нагрузкой, а к выходу - отражающий элемент однородность тракта) и полезную нагрузку (рис. 5.20). Усиленная высоко-

: 5.20. Структурная схема стабилотрона;

I-.платинотрон; 2неоднородно ть; 3 - полезная нагрузка; 4 - фазовращагель; 5 - резона-ор; 6 - поглощающая нагрузка

частотная волна частично отражается от неоднородности у выходного конца и практически без потерь проходит через прибор в обратном направ.ченин. Затем волна почти полностью отражается от резонатора и поступает на вход прибора, замыкая цепь обратной связи. Поглощающая нагрузка поглощает энергию паразитных волн, частоты которых отличаются от частоты резонатора и поэтому не отражаются от ре.зонатора. Включенке в цепи обратной связи высокодобротного резонатора позволяет получить высокуво стабильность частоты генерации стабилотрона, иа порядок и более превышающ>ю таковую у магнетрона.

Платинотроны разрабатываются в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн. Они характеризуются высоким кпд, достигающим 60-80%, импульсными мощностями до нескольких мегаватт и мощностями в непрерывном режиме до нескольких сот киловатт, широкой полосой усиления до 10н-157о, высокой стабильностью фазы усиливаемого сигнала. Достоинствами платинотронов являются также пониженное рабочее напряжение по сравнению с клистронами и ЛБВ. малые габариты и масса Основной недостаток платинотронов заключается в невысоком коэффициенте усиления - в среднем 8-12 дБ.

Платинотроны применяются в радиолокационных станциях, особенно в си-стема.х с селекцией движущихся целей.




ГЛАВА ШЕСТАЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ

§ 6.1. ТУННЕЛЬНЫЕ диоды

Использование полупроводниковых приборов в свч диапазоне упрощает и в перспективе удешевляет радиоэлектронные системы при одновременном существенном уменьшении габаритов, потребляемой мощности и повышении надежности. Созданные полупроводниковые приборы оказались способными обеспечивать высокочувствительный прием и усиление слабых сигналов, малоинерционное переключение свч трактов, эффективное умножение частоты, генерацию свч колебаний. Ниже рассмотрены некоторые приборы, перспективные для использования в технике связи.

В обычных полупроводниковых диодах концентрация примесей не превышает 10 см . Ионы примеси расположены на достаточно большом расстоянии друг от друга и не взаимодействуют между собой, в результате чего все уровни доноров находятся на одном энергетическом уровне вблизи зоны проводимости, а все уровни акцепторов - на другом уровне вблизи валентной зоны.

С увеличением концентрации примесей расстояние между ионами примеси уменьшается, и возникновение взаимодействия между ионами обусловливает расщепление уровней доноров и акцепторов в энергетические зоны конечной ширины. Полупроводниковые материалы, из которых изготовляются туннельные диоды (ТД), характеризуются весьма высокой концентрацией примесей - порядка 10-102 см-. Ylpn столь высокой концентрации полупроводник переходит в вырожденное состояние - зона уровней доноров перекрывается с зоной проводимости, а зона уровней акцепторов - с валентной зоной. В вырожденном электронном полупроводнике зона проводимости оказывается заполненной электронами, а у дырочного полупроводника валентная зона заполнена дырками.

Большая концентрация примесей в ТД обусловливает большую высоту п малую толщину потенциального барьера р-п-перехода. Толщина барьера в ТД на два порядка меньше, чем в обычных диодах, и составляет около 10- см. Напряженность внутреннего поля в переходе достигает 10-10 В/см.

На рис. 6.1 схематически показана энергетическая диаграмма ТД, находящегося в условиях термодинамического равновесия (без внешнего смещения). Высота потенциального барьера превышает ширину запрещенной зоны Wa, и вследствие этого зона проводимости полупроводника типа п перекрывается с валентной зоной полупроводника типа р в области значений энергии шириной Wh-Wa.

На рис. 6.1 показаны также энергетические плотности дозволенных уровней p(tt) и энергетические плотности электронов

/ (W) и дырок Fp(W) для перекрывающихся зон ТД. Таким образом, площади, покрытые точками, пропорциональны количеству энергетических уровней, занятых электронами, а площади, заштрихованные косыми линиями, - количеству незанятых энергетических уровней.

я Р


Рис. 6.1. Энергетическая диаграмма ТД

В таком р-п-переходе на вырожденных полупроводниках мо-жет наблюдаться туннельный эффект - явление перехода электрона без изменения его энергии сквозь потенциальный барьер, высота которого превышает энергию электрона. При наличии узкого У потенциального барьера с большой напряженностью поля и дозволенных энергетических уровней слева и справа от барьера как занятых электронами, так и свободных от них, вероятность туннельных переходов электронов достаточно велика.

Обозначим туннельный ток, создаваемый переходами электронов из зоны проводимости полупроводника типа п в валентную зону полупроводника типа р, через Imp, а ток, обусловленный встречными переходами электронов, - через /т рп- В условиях термодинамического равновесия эти токи компенсируют друг друга: Jт пр = 1т рп И суммарный туннельный ток через переход /т = = /тпр-/трп равен нулю.

Подадим на р-п-переход внешнее смещение в прямом направлении. Высота потенциального барьера и перекрытие зоны прово-Димости -полупроводника с валентной зоной /о-полупроводника уменьшаются (рис. 6.1). Точки /4 и Ар, в которых плотности элек- тронов и дырок в данных зонах наибольшие, сближаются. Соот-



ветственно возрастают вероятность туннельного перехода электронов слева направо и ток It р. Наоборот, вероятность перехода электронов справа налево и ток /т рп убывают. Следовательно, при увеличении прямого смещения туннельный ток /т возрастает вплоть до совмещения точек Л„ и Ар. Последующее увеличение напряжения приводит к взаимному удалению этих точек и соответствующему уменьшению туннельного тока. При совпадении границ зоны проводимости п-полупроводника и валентной зоны р-по-лупроводника туннельный ток прекращается, так как напротив энергетических уровней электронов располагаются запрещенные зоны.

На рис. 6.2 сплошной линией показана вольтамперная характеристика ТД. Ток прямой ветви достигает максимального значения Ijnax при напряжении Umax, соотвстствующем совмещению то-/

max


Рис. 6.2. Вольтамперная ристика ТД

характе- Рис. 6.3. Эквивалентная схема ТД

чек Л„ И Лр на рис. 6.1. В точке U-min туннельный ток /т уменьшается почти до нуля, однако здесь начинает сказываться обычный диффузионный ток /д через р-п-переход. Общий ток диода слагается из туннельной и диффузионной составляющих, поэтому после точки Umin наблюдается вторичный подъем вольтамперной характеристики, обусловленной ростом диффузионной составляющей тока. Характерной точкой на диффузионной ветвп кривой является так называемое максимальное напряжение переключения f/nmox.

при котором ток опять равен /max-

При подаче на переход внешнего смещения в обратном направлении высота потенциального барьера и перекрытие зон увеличиваются (рис. 6.1). Соответственно возрастают вероятность перехода электронов справа налево и ток /т рп- Встречный ток, наоборот, уменьшается из-за взаимного удаления точек Лр и Л„. Происходит туннельный пробой р-п-перехода - ток резко возрастает даже при небольших значениях обратного напряжения (рис. 6.2.).

Итак, вольтамперная характеристика ТД отличается высокой степенью нелинейности и наличием падающего участка. При определенном напряжении смещения диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением Л-, характеризующим наклон падающего участка;

R=dUjdI. (6.1)

- 108 -

Поэтому ТД могут быть использованы для усиления и генерирования электрических колебаний, а также для создания импульсных устройств с несколькими устойчивыми состояниями (триггеров, счетчиков). Ввиду существенной нелинейности вольтамперной характеристики ТД с успехом применяют в нелинейных устройствах, таких, как преобразователи и умножители частоты, детекторы и др.

Инерционность туннельного эффекта очень мала и начинает сказываться на частотах порядка 10 Гц. Поэтому частотные свойства ТД не определяются инерционностью переноса носителей через /7-п-переход, как в обычных полупроводниковых приборах. Рассмотрим схему для режи!иа малого сигнала рис. 6.3. В состав ее, помимо отрицательного дифференциального сопротивления входят сопротивление толщи полупроводника Rs, емкость р-м-пере-хода С и внутренняя индуктивность диода L. Входное сопротивление этой схемы при частоте / составляет

CRi

Z{f)=R,+

1 + {2л fCR Y

+ 12л/

\ + (2л fCR Y\

(6.2)

Для оценки частотных свойств диода пользуются понятием предельной частоты генерации /пр. при которой действительная часть .входного сопротивления диода обращается в нуль:

2л I R \ С

(6.3)

р Выше частоты /пр ТД невозможно использовать ни для усиления, ни для генерации электрических колебаний. Из ф-лы (6.3) видно, что частота /пр повышается уменьшением значений С и Rs. Вследствие малой толщины /7-п-перехода в ТД получение малых величин С - сложная задача. Уменьшение для этой цели площади перехода неэффективно, поскольку одновременно снижается

ток /тпах-

Значение емкости С обычно составляет от десятых долей до десятков пикофарад. Технологические трудности не позволяют значительно уменьшить величину и она лежит в пределах от сотых долей до единиц ом.

Современные ТД позволяют генерировать колебания частотой до 100 ГГц, а в импульсных устройствах получать время переключения порядка десятков-сотен пикосекунд. Совершенствование технологии изготовления диодов, по-видимому, позволит приблизить /пр к пределу, определяемому инерционностью туннельного эффекта.

. Другими достоинствами ТД являются малые габариты и масса. малое потребление энергии и простота конструкции. Туннельные диоды могут работать в широком диапазоне температур (от -200 до -bil50°C) и относительно устойчивы к воздействию радиации, поскольку дополнительно возникающие электронно-дырочные пары слабо влияют на механизм работы диода.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 [ 16 ] 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30