dsd13-gos / dsd-13=СВЧ / Конспект / 10

65

5.5. Лавинно-пролетный диод (ЛПД)

ЛПД относятся к классу негатронов — приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС). Наиболее эффективными в СВЧ оказываются негатроны, имеющие ОДС только в узком диапазоне частот. ЛПД изобретен в России — 1959 г., А.С.Таггер и др.

Принцип действия: носители лавинно размножаются на участке сильного поля, а затем (почти с постоянной скоростью) пролетают участок дрейфа. Запаздывание на участке дрейфа приводит к фазовому сдвигу между током и напряжением. На некоторой частоте сдвиг составляет , что соответствует положительной обратной связи.

Одна из простейших структур — диод Рида (на Si).

Допущения:

;

[см^-1] —

коэффициент ударной ионизации;

;

10⁷ см/с —

предельная скорость дрейфа.

Далее определим полный импеданс ЛПД.

1). Область лавинного умножения.

У

Токи текут против оси х. Не учтена генерация-рекомбинация.

Умножим эти уравнения на е и сложим. Учитывая, что

равнения непрерывности с учетом размножения:

;

.

, , , получим:

. Интегрируем по х от 0 до х_А :

, где .

С левой стороны области лавинного умножения (х =0) количество электронов еще не увеличилось за счет лавинного размножения, поэтому их ток равен обратному тепловому току:

; ; .

С правой стороны области лавинного умножения (х = х_А) количество дырок еще не увеличилось за счет лавинного размножения, поэтому их ток равен обратному тепловому току:

; ; .

Таким образом:

; (5.5.1)

Последним слагаемым можно пренебречь.

Представим ток, напряжение и поле в виде суммы постоянной и малой переменной составляющих:

, , .

Тогда , ,

где . Подставляя это в (5.5.1), при получим: , где .

Собственная емкость области лавинного умножения: .

Т.о. эквивалентная схема области лавинного умножения — параллельный LC-контур:

Резонансная частота и импеданс контура:

; (5.5.2)

. (5.5.3)

Обозначим: . (5.5.4)

При : . Это означает, что токи и противофазны!

2). Область дрейфа (длиной w)

Здесь , поэтому малая переменная составляющая тока:

.

Полный ток включает ток смещения: .

Отсюда: . Интегрируя по х от 0 до w, получим:

, где

— время дрейфа, — емкость области дрейфа.

При : (5.5.5)

, и импеданс области дрейфа составляет:

. (5.5.6)

3). Полный импеданс ЛПД

С учетом сопротивления контактных областей R_c:

.

Подставляя сюда (5.5.3) и (5.5.6) с учетом (5.5.4) получим:

(5.5.7а) . (5.5.7б)

Если , то при  !

Реально . При этом в диапазоне частот ,

где ,

— удельное сопротивление контактов (на единицу площади).

Уравнения (5.5.7а,б) получены при условии (5.5.5) . На более высоких частотах при достаточно малом значении также может быть ОДС.

Применение ЛПД

Резонансную частоту можно регулировать током I₀ или напряжением V₀ (т.е. значением ).

Устойчивость электрической цепи с отрицательным дифференциальным сопротивлением ( — импеданс нагрузки):

;

При , если .

Цепь неустойчива, если это уравнение имеет корни (нули) в нижней полуплоскости комплексной частоты. При этом возникнет генерация на частоте .

ЛПД обеспечивает самые большие мощности на СВЧ

f, ГГц	P, Вт	к.п.д., %
1	100	30
10	1	18
100	0,3	13
400	0,02	~1

На последовательно включенных ЛПД — до 2 кВт (импульсный режим).