Принцип действия диода Ганна был рассмотрен для пролетного режима, когда домен появляется у катода, проходит весь образец, выходит в анод, и в этот момент зарождается новый домен. Предполагалось, что изменение напряжения на диоде незначительно и не влияет на процессы зарождения и распространения домена, т. е. в этом режиме генерируемый ВЧ-сигнал невелик, значение КПД не превышает единиц процентов. Помимо этого, практически отсутствует возможность изменения периода колебаний (перестройки частоты генерации).
Упомянем кратко более эффективные доменные режимы, используемые на практике. Прибор размещается в резонаторе, где развивается значительное СВЧ-напряжение, влияющее на условия образования и исчезновения домена.
А. Режим подавления (гашения) домена. Домен зарождается у катода и исчезает, не доходя до анода, из-за снижения напряжения. Для этого режима значение КПД может достигать 15 %.
Б. Режим задержки домена. Домен исчезает дойдя до анода, но образование следующего домена задерживается на значительную часть периода, т. к. для этого требуется более высокое напряжение. В таком режиме достигается значение КПД, близкое к 30 %.
В обоих случаях появляется возможность перестройки частоты в некотором диапазоне, однако этот диапазон во всех доменных режимах обычно не превышает единиц процентов.
Для доменных режимов характерно также ограничение рабочего напряжения (и мощности), которое не должно достигать напряжения пробоя. При этом, когда пробой начинается внутри домена, напряженность поля вне домена оказывается намного ниже (см. рис. 7.3,в).
Для реализации доменных режимов требуется выполнение неравенства td < T , чтобы домен с запасом успевал сформироваться за период колебаний. В соответствии с (7.9) это дает
.
(7.11)
С учетом параметров GaAs данное неравенство можно переписать следующим образом:
.
(7.12)
Оно означает, что для работы в доменных режимах требуются низкоомные образцы. Например, для f = 10 ГГц концентрация примеси должна превышать 1015 см3, при увеличении частоты требуется дальнейшее повышения уровня легирования. Использование низкоимпедансных приборов (которые не содержат высокоомных участков типа pn-переходов) затрудняет их согласование со стандартными линиями передачи для получения максимальной выходной мощности.
От перечисленных недостатков свободен режим ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ), в котором часть периода диод работает на участке ВАХ, соответствующем положительной проводимости, поэтому накопление объемного заряда ограничено частью периода, и домен не успевает сформироваться. Соответствующие осциллограммы тока и напряжения показаны на рис. 7.6 (i 1– первая гармоника тока).
U
i
U0
t
t
t
i
i1
1
2,4
1,5
2
3
4
5
6
t2
t4
t6
3
3
Рис. 7.6. Напряжение и ток диода Ганна в режиме ОНОЗ
Здесь t6 – t2 = T – длительность периода колебаний; t6 – t4 = Dt – длительность части периода, когда проводимость диода положительна. В течение предыдущей части периода t4 – t2 начинается процесс накопления объемного заряда с постоянной времени td . За время Dt заряд рассасывается с постоянной времени t1 , соответствующей подвижности электронов m1 (см. рис. 7.2). Если обеспечить , накапливающийся заряд будет полностью рассасываться, и домен не образуется. Для реализации бездоменного режима требуется выполнение очевидного условия td > T , которое для GaAs приводит к неравенству, обратному (7.12):
.
(7.13)
Таким образом, перечисленные выше недостатки доменных режимов отсутствуют при работе диода Ганна в режиме ОНОЗ. Его главным достоинством является отсутствие связи длительности периода колебаний с размерами образца, поэтому возможна перестройка рабочей частоты в очень широком диапазоне, а размеры структуры можно выбирать из других соображений (в частности, для оптимизации условий теплоотвода).
Для анализа устройств на диодах Ганна в общем случае может использоваться эквивалентная схема, приведенная на рис. 7.7.
Rs
Ls
Cd
Cp
R0
C0
Rd< 0
Рис. 7.7. Эквивалентная схема диода Ганна
Она содержит традиционные пассивные элементы:
Cp– емкость корпуса;
Ls– индуктивность выводов;
Rs– последовательное сопротивление, относящееся здесь главным образом к омическим контактам.
Активная область для прибора, работающего в доменном режиме, представлена двумя цепочками: Rd Cd с отрицательным сопротивлением относится к участку подвижного домена; R0C0 характеризует остальную область прибора, состоящую из двух участков с положительным сопротивлением. Каждый из элементов этих цепочек должен быть описан периодической зависимостью от времени или (для упрощения) приближенным значением, усредненным за время периода колебаний.
В случае работы диода в режиме ОНОЗ образец можно считать однородным по длине (при незначительном влиянии колебаний параметров, связанных с накоплением и рассасыванием объемного заряда) и оставить в схеме одну цепочку Rd Cd с отрицательным сопротивлением и значениями компонентов, усредненными по периоду.
.
.
, накапливающийся заряд будет полностью рассасываться, и домен не образуется. Для реализации бездоменного режима требуется выполнение очевидного условия td > T , которое для GaAs приводит к неравенству, обратному (7.12):
.
