Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Автогенераторы на диодах Ганна. Конструкции, эквивалентная схема. Режимы работы. Параметры генераторов, области применения.

Читайте также:
  1. III, IV и VI пары черепных нервов. Функциональная характеристика нервов (их ядра, области, образование, топография, ветви, области иннервации).
  2. III. Порядок выполнения работы.
  3. IV. Задачи для самостоятельной работы.
  4. IV. Задачи для самостоятельной работы.
  5. IV. Задачи для самостоятельной работы.
  6. SWOT-анализ занятости Челябинской области
  7. V. Задачи для самостоятельной работы.
  8. V. Задачи для самостоятельной работы.
  9. V. Задачи для самостоятельной работы.
  10. V. Задачи для самостоятельной работы.

Диод Ганна­ это полупроводниковый прибор без p-n-перехода, преобразующий энергию источника питания постоянного напряжения в энергии СВЧ-колебаний в результате возникновения в полупроводнике домена сильного поля.

Автогенератор на диоде Ганна (АДГ) образуется ДГ, включённым в резонатор с эквивалентным сопротивлением Zн и источником питания U0(рисунок 8).

Рис 8 – Эквивалентная схема Рис 9 – Диаграмма возможных

автогенератора на ДГ режимов работы ДГ

 

Доменными называют режимы ДГ, для которых характерно наличие сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Идеализированная динамическая ВАХ ДГ в доменных режимах дана на рисунке 10 сплошной линией (пунктир – статическая ВАХ ДГ). Наличию домена соответствует нижняя ветвь характеристики 1. При достижении напряжения гашения Uгаш домен рассасывается и рабочая точка диода переходит на восходящую ветвь характеристики 2. Изменяя сопротивление нагрузки (а значит амплитуду U 1) на «зажимах» отрицательной проводимости диода, можно получить три различных доменных режима ДГ.

Пролётный режим имеет место при малой нагрузке на диоде, амплитуда напряжения мала и не оказывает влияния на образование и движение доменов. В этом режиме частота колебаний равна fпр = 1/ τпр , импульсы тока имеют вид, представленный на рисунке 7. Практически этот режим не используется из-за малых значений КПД и fпр. В прочих режимах работы ДГ частота колебаний задаётся внешним резонансным контуром.

Режим с задержкой образования домена возможен, если минимальное напряжение на диоде U0 – Um оказывается меньше порогового значения, причём домен достигает анода в такой момент времени, когда мгновенное напряжение на диоде лежит между U2ош и Uпор и образование нового домена будет задержано до тех пор, пока U не сравняется с U пор.

Режим с гашением домена имеет место, когда в процессе движения домена к аноду мгновенное напряжение на ДГ становится меньше напряжения U2 домен быстро рассасывается. Импульсы тока в этом режиме показаны на рисунке 10, б.

Режим ОНОЗ. В режиме ограничения накопления объёмного заряда (ОНОЗ) частота напряжения настолько велика, что напряжение на ДГ проходит область отрицательного наклона ВАХ за время, малое по сравнению с τф. При этом домен не успевает формироваться и динамическая ВАХ совпадает по формес характеристикой υ др (E).



Гибридными режимами называются все режимы, промежуточные между ОНОЗ и доменными. В этих режимах время τф сравнимо с периодом колебаний, так что в течение части периода существует неравновесный пространственный заряд в образце. Эти режимы характерны для АДГ при f ≥ 8 – 10ГГц.

Рис. 7 – Ток во внешней цепи ДГ

Рисунок 10 – Режим работы ДГ

Эквивалентная схема АДГ включает три основных звена: активный прибор,корпус диода и внешнюю цепь. Эквивалентная схема ДГ показана на рисунке (обведена пунктиром).

 


Лавинно-пролетный диод (ЛПД). Структура диода, физические процессы в ЛПД, статический и динамический режим работы ЛПД. Генераторный режим работы ЛЦД. Основные характеристики и параметры. Области применения ЛПД.

Лавинно-пролётный диод (ЛПД) - это прибор с динамическим отрицательным сопротивлением, которое является следствием двух происходящих в диоде процессов: лавинного пробоя, сопровождающегося образованием большого числа свободных электронов и дырок; дрейфа (пролёта) носителей в полупроводнике под действием электрического поля. ЛПД представляют собой полупроводниковую структуру, состоящую из ряда областей, отличающихся типом и концентрацией атомов примеси (уровнем легирования). Для изготовления ЛПД применяют чаще всего кремний



или арсенид галлия.

Широкое распространение получили ЛПД с трехслойной структурой p+-n-n+ типа, показанной на рис.3.7,а. Сильно легированные области структуры p+, n+ с концентрацией примеси Na,Nd = 10^18 см-3 являются по существу контактами прибора. Концентрация примеси в n-области ниже (Nd = 10^15..10^16 см-3), поэтому переход p+-n оказывается несимметричным, запорный слой полностью располагается в n-области. Распределение напряженности электрического поля в такой структуре изображено на рис.3.7,б.

При некоторой величине обратного напряжения U0, приложенного к диоду, напряженность электрического поля может превысить значение Eпр = 10^5 В/см,

соответствующее началу лавинного пробоя в небольшой области запорного слоя шириной l (рис.3.7,а), в связи с чем весь запорный слой p+-n перехода шириной L разделяется на две области: узкую область шириной l < L/3, в которой происходит процесс ударной ионизации и умножения

(лавинообразного увеличения) числа носителей, так называемый слой умножения, и область дрейфа (пролета) носителей шириной (L - l), где происходит движение носителей, образовавшихся в слое умножения. Дрейф носителей происходит с постоянной скоростью Vнас = 10^7 см/с, так как

напряженность электрического поля в области дрейфа обычно выше значения Eнас = 5..10 кВ/см, при превышении которого скорость дрейфа носителей не зависит от величины напряженности электрического поля.

Ток анода при напряжениях, близких к пробивному Uо очень сильно зависит от приложенного напряжения. Если не принять мер по ограничению тока, то лавинный пробой перейдет в тепловой, и в результате этого диод выйдет из строя. Поэтому

для питания ЛПД необходимо использовать источник стабильного тока. Следует отметить, что вольтамперная характеристика ЛПД не имеет участка с отрицательным

дифференциальным сопротивлением. Необходимое для генерирования колебаний СВЧ отрицательное сопротивление может быть обеспечено только в результате использования динамических свойств пространственного заряда подвижных

носителей - дырок и электронов.

Пролетный режим работы ЛПД.Если ЛПД включить в колебательный контур (резонатор), то при установившихся колебаниях в резонаторе к диоду будет приложено постоянное напряжение U0 и высокочастотное переменное напряжение u(t) = U1msin(ωt) с постоянной амплитудой U1m < Uo. Электрическое поле в p+-n переходе будет (рис.3.9,а) E = Eпр + Е1sin(ωt).

В положительные полупериоды ∆Е в переходе происходит генерирование

электронно-дырочных пар, при этом с

увеличением ∆Е растет скорость генерации носителей (количество новых носителей, создаваемых одним электроном или дыркой в результате лавинного пробоя в единицу времени), поскольку количество генерируемых носителей зависит не только от скорости генерации носителей, но и от количества частиц, осуществляющих ионизацию, число которых продолжает расти пока Е > Епр. Наибольшее количество

носителей обоих типов в переходе

получается к концу положительного

полупериода ∆Е, когда процесс ударной ионизации прекращается (рис.3.9,б). Дырки уходят из слоя умножения в p+-область, а электроны, чтобы попасть в n+-область, должны пройти через область дрейфа (L - l).

В течении всего времени пролета носителей τ = (L - l)/Vнас во внешней цепи диода наводится ток, совпадающий по направлению с дрейфовым (конвекционным) током

движущих в приборе электронов. На рис.3.9,в показаны графики наведенного тока i(t), постоянной соcтавляющей I0, первой гармоники тока i1(t) для такой частоты колебаний f0 = 1/T0, для которой τ пр = Т0/2.

Сравнивая графики (рис.3.9,а,в) видим, что первая гармоника тока i1(t) находится в

противофазе с напряжением u1(t), следовательно ЛПД обладает отрицательным сорпотивлением по частоте f0. Это является результатом инерционности процессов в ЛПД: максимум заряда qм запаздывает относительно напряжения U1 на ∆t1 T0/4, а максимум тока i1(t) запаздывает относительно момента окончания процесса лавинного умножения на ∆t2 =τпр 2≈T0 /4. В итоге полное время запаздывания тока i1 относительно напряжения U1 ∆t = ∆t1 + ∆t2 = T/2.

Если считать, что при f > fo время пролета носителей остается неизменным τпр = T0/2 = const, а ∆t1 = T/4 (где T = 1/f), тогда импульс наведенного тока, начавшись в момент t1 = T/2, закончиться при t > T, ∆t2 > T/4, и сдвиг начальной фазы тока i относительно U1 превысит π (рис.3.10,а,б). Векторная диаграмма для этого случая соответствует рис.3.10,б, первая гармоника наведенного тока будет содержать две составляющие: активную i1a, противофазную переменному напряжению U1(t), и реактивную i1p емкостного характера.

В общем случае ЛПД можно характеризовать средней по первой гармонике

комплексной проводимостью

Yср=Gср + jВср

или средним по первой гармонике комплексным сопротивлением

Zср= rср + jXср .

Генераторный режим работы.

Принцип действия ГЛПД состоит в том, что в одной части прибора (в области p+-n

перехода ЛПД) происходит модуляция электронного потока по плотности

(образования электронных сгустков), а в другой (в области дрейфа) - осуществляется передача энергии от этого сгустка электромагнитному полю резонатора, в который включен ЛПД.

На рис. 3.11 показана схема устройства ГЛПД радиальноволноводной конструкции, получившей широкое применение в миллиметровом диапазоне. В такой конструкции частота генерируемых колебаний ГЛПД определяется в основном диаметром диска D и его расстоянием h от нижней стенки волновода. Перемещение короткозамыкающего поршня (изменение L) существенно сказывается на выходной мощности генератора и меньше на частоте.

При перемещении короткозамыкающего поршня на расстояние ∆L = λв/2, где λв - длина волны в волноводе, нагрузка на контактах ЛПД не изменяется, поэтому мощность и частота остаются прежними. На рис.3.13 изображена

эквивалентная схема генератора, в которой ЛПД характеризуется средним по первой гармонике комплексным сопротивлением

Zср = rср + jХср, а нагрузка

последовательным соединением активного и реактивного сопротивления

Zн = rн + jXн. Параметры нелинейной части схемы - диода сильно зависят от режима его работы (от тока питания Io и первой гармоники I1), т.е. rср(Io,I1) и Хср(Io,I1) и значительно слабее от частоты ω, а параметры нагрузки, составляющей линейную часть схемы, сильно зависят от частоты колебаний: rн(ω), Xн(ω).

Стационарный режим колебаний можно определить из условия баланса

активных и реактивных сопротивлений

rср(Io,I1) + rн(ω) = 0, (3.13)

Xср(Io,I1) + Xн(ω) = 0. (3.14)

Мощность первой гармоники, отдаваемой нелинейным элементом, определяется выражением

P1=0,5|rcp|I12

Из условия (3.13) следует, что при изменении rн автоматически изменяются I1 (при постоянстве Io), а значит и Р1. При некоторой оптимальной нагрузке rнопт достигается максимальная мощность Р1макс. Изменение Io также приводит к изменению амплитуды I1 и мощности Р1: обычно при увеличении Io возрастает U1 и I1 (рис.3.9), причем U1 возрастает значительнее, поэтому величины rср = U1/I1 и Р1 также увеличиваются. Самовозбуждение колебаний в таком генераторе может происходить только в том случае, если при малых амплитудах колебаний энергия, отдаваемая отрицательным сопротивлением, больше энергии,

потребляемой положительным сопротивлением rн, т.е. если |rд(I0,I1≈0)|>rн

Минимальный ток Io, при котором происходит возбуждение колебаний в генераторе, называется пусковым током Iпуск .Очевидно, при изменении нагрузки rн изменяется величина Iпуск.

Области применения. ЛПД могут быть использованы и в регенеративных усилителях отражательного типа при токах диода меньших пускового. Вследствие

относительно высокого уровня шумов, ЛПД используют в основном в усилителях мощности. ЛПД обеспечивают получение мощностей в широком диапазоне частот

(0,5…200 ГГц). На их основе реализуются генераторы с выходными мощностями до 5…10 Вт на 10 ГГц, до 0,5…1 Вт на 100 ГГц с высоким КПД, достигающим 10…30 % на 10 ГГц. ЛПД являются наиболее мощными полупроводниковыми приборами СВЧ.

 

 

58. Оптические квантовые генераторы (лазеры) на твердом теле: конструкция, принцип действия, параметры, области применения.

Из-за большой интенсивности спонтанного излучения в оптическом диапозоне усилители не нашли применения. Поэтому квантовые приборы оптическогодиапазона в основном представлены оптическими квантовыми генераторами(ОКГ). Эти приборы известны также под названием «лазеры».- LASER, что в переводе означает «Усиление света при помощи вынужденного излучения».

Л. не имеет прототипов и является единственным источником когерентного излучения. Когерентность, монохроматичность и направленность излучения отличают лазер от всех прочих естественных и искусственных источников света. Л. состоит из трех основных элементов: рабочего вещества источника питания и резонансной системы.

По агрегатному состоянию рабочего вещества Л. подразделяются на твердотельные, жидкостные и газовые.

Что касается источника питания, то он предназначен для создания активной среды, т. е. для обеспечения инверсии населенностей. В этой связи для питания используются вспомогательное излучение (подсветка), электронная бомбардировка, инжекция носителей заряда и другие методы.

В качестве резонансной системы в любом Л. используется открытый резонатор Фабри - Перо, в задачу которого входит обеспечение положительной обратной связи.

Схема Л. приведена на рис. 12.9. Активная среда, созданная в рабочем веществе посредством источника питания (на схеме не показан), располагается в открытом резонаторе Фабри-Перо. Он представляет собой два плоско-параллельных зеркала 31 и З2, отражающие поверхности которых обращены друг к другу. Для вывода энергии хотя бы одно из зеркал, например З2, выполняется полупрозрачным. Расстояние между зеркалами равно целому числу длин полуволн.

В активной среде всегда имеются спонтанно излученные фотоны (кванты). Их характеристики и, в частности, направления распространения произвольны и равновероятны. Поэтому в ансамбле спонтанно излученных фотонов может оказаться фотон типа 1 с направлением распространения, перпендику­лярном поверхности зеркал. Встречая на своем пути частицы верхнего энергетического уровня, фотон 1 облучает их, вызывая стимулированное излучение новых фотонов.

В соответствии с законом индуцированного излучения вновь излученные фотоны имеют такие же характеристики (фазу, поляризацию и направление распространения), как и первичный облучающий фотон. Излученные фотоны, следовательно, распространяются также в направлении, перпендикулярном поверхности зеркал. На своем пути они облучают частицы верхнего уровня и т. д.

Таким образом, из-за спонтанно излученного фотона 1 появляется лавина стимулированно излученных фотонов с одинаковыми характеристиками, т. е. возникает когерентное излучение. Достигнув полупрозрачного зеркала З2, часть фотонов выходит наружу, обеспечивая выходной луч, а другая их часть, отражаясь под углом падения, возвращается в активную среду и вызывает новую лавину подобных фотонов. Отразившись от зеркала З1 фотоны снова возвращаются в активную среду и вызывают лавину фотонов, подобных себе. Так резонатор Фабри-Перо обеспечивает положительную обратную связь для фотонов с направлением, перпендикулярным поверхности зеркал.

Если же в активной среде возник фотон типа 2 с другим направлением распространения, то, отражаясь зеркалом под углом падения, он не возвращается в активную среду. Следовательно, для фотонов с направлением, не перпендикулярным поверхности зеркал, положительной обратной связи нет.

Т.о.,Л. излучает поток когерентных фотонов с направлением, перпендикулярным поверхности зеркал резонатора,т. е. направленность излучения довольно высока. Луч Л. обладает как временной, так и пространственной когерентностью.

. Спектр излучения лазера

Если на длине резонатора L укладывается целое число полуволн, то из-за многократных отражений в резонаторе образуется стоячая волна, условие образования которой имеет вид: qλ/2=L (12.31) где q=l, 2,3, ...-индекс; λ - длина волны.

В активной среде с показателем преломления n длина волны связана с частотой f следующим выражением: λ= cn/f (12.32) где с - скорость света.

Подставив (12.30) в (12.31), найдем собств. частоту резонатора: f = qcn/2L. (12.33)

Из полученного выражения видно, что в зависимости от числа q полуволн, укладывающихся на длине L резонатора, в нем существует множество видов (мод) колебаний. Поскольку значение q довольно велико, то моды расположены по частоте близко друг к другу. Интервал частот между двумя соседними модами определится как

Δf = fq-fq-1=cn/2L. (12.34)

Т. о., чем длиннее резонатор, тем гуще его спектр. Что же касается спектра излучения Л, то он зависит от соотношения Δf и ширины спектральной линии Δν активной среды. Если ширина Δν меньше разности Δf между двумя собственными частотами резонатора fq и fq-1 (Δν <Δf ), то лазер работает в одномодовом режиме, т. е. возбуждается только на одной резонансной частоте (рис. 12.10). При этом излучение Л. монохроматично и его спектр определяется шириной линии резонатора Δfp. В тех случаях, когда Δν > Δf, возможен многомодовый режим (рис. 12.11).

Следует особо отметить, что многомодовость зависит также от мощности накачки. Если она недостаточна, то излученная частицами мощность меньше порога Рпор (рис 12.12) и генерация невозможна. При увеличении мощности накачки до значения Р1 условия генерации выполняются в первую очередь для той частоты, которая близка к частоте перехода (fq= Δν). При этом возникает одномодовый режим с монохроматичным излучением небольшой мощности.


Дальнейшее повышение мощности накачки до Р2 приводит к увеличению генерируемой мощности, но неизбежно вызывает появление колебаний на соседних частотах fq-1 и fq+1

Т.о., требования обеспечения монохроматичности и повышения мощности излучения противоречивы. Однако несмотря на это степень монохроматичности лазера намного выше в сравнении с любым другим источником света.

Виды колебаний (моды) обусловлены распределением э/м поля не только по оси, но и на поверхности зеркал.

Каждому виду колебаний соответствует свой спектр. Поэтому для передачи информации желательно обеспечивать одномодовый, т. е. одночастотный режим.

В Л. на твердом теле в качестве активной среды используют кристаллические либо аморфные диэлектрики с присадками ионов хрома или редкоземельных элементов. Поскольку в твердом теле концентрация частиц на несколько порядков выше, чем в газовых средах, то для получения той же мощности требуется меньший объем активной среды. В этой связи твердотельные Л. имеют меньшие габариты по сравнению с газовыми.

Одним из распространенных твердотельных Л. является рубиновый. Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристаллическую решетку корунда А12О3 с присадкой трижды ионизированных ионов хрома Сr+++

На рис. 12.24 приведена схема энергетических уровней иона хрома.

Инверсия населенностей достигается подсветкой (накачкой) на длине волны λ13.Для этой цели используются лампы подсветки, в спектре излучения которых преобладает зеленый свет. При этом ионы с уровня 1 переходят на уровни 3 с малым временем жизни. В результате ионы, совершая безызлучательные переходы, заселяют уровень 2, Т.о., достигается инверсия населенностей рабочего перехода 2-1. Следует отметить, что излучение рубинового Л. имеет особенности. Оно состоит из «пичков» - нерегулярных во времени всплесков выходной мощности (рис. 12.25).


Твердотельные лазеры, как правило, работают в импульсном режиме с низкой частотой следования импульсов и длительностью импульсов, не превышающих несколько миллисекунд, и при этом обеспечивают выходную мощность в несколько киловатт. При работе в непрерывном режиме необходимо охлаждение активной среды. КПД твердотельныхЛ. лежит в пределах от долей до единиц процентов

Переходя к недостаткам, отметим, что оптическая неоднородность твердых тел больше, нежели газов, из-за чего возникает рассеяние излучения. Кроме того, небольшая длина активных элементов также способствует расхождению луча. Из-за сильного взаимодействия частиц между собой степень монохроматичности твердотельных лазеров меньше, чем газовых

Стоит также отметить использование лазеров в уже давно известных принтерах высокого качества или лазерных принтерах. В этих устройствах лазерное излучение используется для создания на специальном светочувствительном барабане скрытой копии печатаемого изображения…


Дата добавления: 2015-02-10; просмотров: 150; Нарушение авторских прав


<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Диоды Ганна. Эффект Ганна. Особенности многодолинных полупроводников. | ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2019 год. (0.032 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты