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

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|r_cp|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 |r_д(I₀,I₁≈0)|>r_н

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 = f_q-f_q-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 f_q и f_q-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 Δf_p. 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 Р_пор (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 (f_q= Δν). При этом возникает одномодовый режим с монохроматичным излучением небольшой мощности.

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 λ_13.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).

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…