Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
увеличит частоту в этом режиме), или увеличить ширину домена. Йз
уравнения '(34) и рис. 23 можно видеть, что ширина домена увеличивается с
понижением уровня легирования по. В общем случае более синусоидальная
форма колебаний получается при уменьшении произведения ПоЬ. На рис. 27
демонстрируется последовательное изменение распределения поля в 35-
микронном образце в течение .периода колебаний вместе с профилем
легирования и формой тока и напряжения. Эти рисунки были получены Тимом
{Л. 45] на вычислительной машине. Для данного образца произведение n0L
равнялось 2,1 -.Ю12 см~2. Форма тока в этом случае ближе к
синусоидальной, чем иа рис. '26. Теоретический анализ показывает, что
коэффициент полезного действия в пролетном режиме максимален, когда
произведение" ПоЬ лежит в пределах от одной до нескольких единиц на 1012
см~2, т. е. когда домен занимает примерно половину длины образца и форма
тока представляет собой почти идеальную синусоиду. Максимальная
эффективность преобразования энергии по-
• По-англнйски Transit - Time Mode. (Прим. перев.).
стоянного тока в энергию СВЧ-колебаний (к. п. д.) для этого режима работы
меньше 10% {Л. 45, 46]. Изменение к. п. д. т) и общей отдаваемой мощности
при различном напряжении смещения на образце показано на рис. 28.
Различные кривые построены для разного отношения величины сопротивления
нагрузки к сопротивлению образца в слабом поле -Ц0, где
L
Я.=
- подвижность в слабом поле.
qno^A
(35)
б)
з
L-i I I I I I I I I I I t
U
4
..I I I I I I
Рис. 27. Зависимость электрического поля от расстояния для четырех
моментов времени в течение одного периода колебаний (с - г); профиль
легирования (б) и форма тока и напряжения (е) для образца, имеющего
и0/.=2,1 • 1012 см~2 и fL- =0,9 - 107 см/сек [Л. 45].
Эти результаты не зависят от площади поперечного сечения прибора А, длины
L, частоты f и уровня легирования п0, поскольку произведения ttoL и fL не
изменяются. Эти результаты не зависят также от добротности резонатора Q,
пока Q>10.
СВЧ-мощность, отдаваемую .пролетным генератором, можно определить по
формулам
Prf = t\Pdc (36)
Рйс-UI ='U{fjvrioA) ~L,
(36a)
где v - средняя скорость носителей; U - приложенное напряжение смещения,
которое пропорционально длине образца iL.
Площадь А' ограничивается сопротивлением нагрузки R, так как А меняется
обратно пропорционально с R0 в соответствии с выражением ![Л. 35]. Из
уравнений (35) и (36) можно получить произведение мощности на импеданс
PTfR=t] (R/Ro) UIRo~L2~ 1/p.. (37)
Следовательно, в пролетном режиме произведение мощности на сопротивление
обратно пропорционально квадрату частоты. Это можно легко объяснить,
если учесть, что с уменьшением длины образца уменьшаются и выходная
мощность и сопротивление образца. Поскольку частота обратно
пропорциональна длине, получаем зависимость
(37).
Поскольку длина прибора задается выбранной рабочей частотой, а уровень
легирования определяется оптимальным значением произведения ПоЬ,
подгонять импеданс диода можно, только изменяя его площадь. Площадь
прибора найдем из выражения (35)
o'-
-
n0L = 5 *Ю сл1 г fL =1,1*Ю7см-г b
aR=1DR0 b R=3DR€ с R=SBRo
*3
г -
§<g
/
N S § в
3 5 7 9 11 13 15
Напряжение смещения/длина, кб/сл<
Рис. 28. Зависимость к. п. д. (эффективности) и отдаваемой мощности от
отношения напряжения смещения к длине при трех значениях сопротивления
нагрузки {Л. 46].
Л= (1/Я) (RIRo) (LlqnwО
(38)
после выбора величины R/Ro таким образом, чтобы иметь необходимый к. п.
д. и отдаваемую мощность.
Вследствие ограничений по частоте и к. п. д. объемные генераторы с
дифференциальным отрицательным сопротивлением, работающие в пролетном
режиме, глубоко не изучались. Режимы работы, рассматриваемые в следующем
разделе, имеют менее жест сие ограничения по частоте и к. п. д., поэтому
оии изучались более подробно.
б) Режим с разрушением (подавлением) домена (fL>2• I07 см/сек).
Объемный генератор из арсенида галлия может генерировать на частотах,
превышающих пролетную частоту, если домен высокого поля разрушается До
того, как он достиг-
нет анода. Этот режим -был предложен Кэроллом в 1966 г. Рассасывание
дипольного домена происходит, когда -напряжение на образце становится
меньше величины Us '(рис. 25). В режиме работы с дипольным доменом
большая часть напряжения приходится на сам домен. Поэтому, когда
напряжение на диоде вследствие колебаний в резонансной цепи уменьшается,
ширина домена уменьшается в соответствии с кривыми на рис. 23. Д-омен
продолжает сужаться с уменьшением напряжения до тех пор, пока в некоторый
момент обогащенный и обедненный слои не нейтрализуют друг друга. Величина
напряжения, при котором это происходит, равна Us. Когда напряжение снова
возрастает до порогового значения, зарождается новый домен и процесс
повторяется. Таким образом, генерируются колебания не- на пролетной
частоте, а яа частоте резонансного контура.
Теоретически |Л. 45] и экспериментально {J1. 48] было показано, что в
