7.4.     Параметры и характеристики, особенности устройства и применения ЛПД

 Основными  параметрами  ЛПД  являются:

а) выходная мощность P_вых—мощность генератора на ЛПД в заданном диапазоне частот и напряжения питания. Это важнейший параметр ЛПД. Максимальная полезная мощность генератора при заданном сопротивлении нагрузки зависит от добротности диода и от амплитуды переменного тока и напряжения. Максимальное значение выходной мощности различных типов ЛПД колеблется в пределах 10—100 мВт на частоте 7-50 ГГц;

б) пробивное напряжение U_пр — величина напряжения лавинного пробоя перехода. Этот параметр необходим для задания режима работы. Величина напряжения лавинного пробоя ЛПД обычно не превышает 30 В. Но имеются приборы с U_np, достигающим 160 В. СВЧ-генератор на ЛПД обычно работает при напряжении на 0,5—1,5В, превышающем пробивное;

в) номинальный рабочий ток I_ном—величина обратного тока ЛПД, при котором обеспечивается выходная мощность генератора.   Величина  I_ном составляет 54-15  мА для  различных классов приборов;

г) максимальная емкость p-n-перехода С_mах—максимальное значение емкости ЛПД при напряжении, близком к пробивному;

д) сопротивление растекания r_s— максимальное последовательное сопротивление ЛПД в режиме генерации при заданном токе и напряжении. Отечественные приборы имеют r_s не более  10 Ом;

е) коэффициент полезного действия лавинно-пролетных диодов (сравнительно низок и составляет несколько процентов);

ж) температурный коэффициент мощности ТКМ и частоты ТКЧ — параметры, показывающие изменения мощности и частоты при изменении температуры окружающей среды на  1°С;

з) максимально-допустимый ток I_max— максимальная величина тока, при которой ЛПД работает в течение гарантированного срока с заданным уровнем надежности. Величина I_max обычно ограничивается максимальной температурой перехода T_{п mах}.

Для изготовления ЛПД используют кремний, германий и арсенид галлия. Требуемую структуру получают методами эпитаксиального наращивания, диффузии и ионного легирования. При их изготовлении стремятся по возможности снизить активные потери: утечку тока по поверхности p-n-перехода и сопротивление объема кристалла. Необходимо обеспечить однородность p-n-перехода, в противном случае возможно возникновение локальных пробоев и т. д.

На рис. 7.4 приведена одна из структур лавинно-пролетного диода, изготовленного по планарной технологии. Для устранения пробоя по поверхности создано охранное кольцо n-типа.

Преимуществом ЛПД перед другими генераторами СВЧ-мощности является незначительная суммарная толщина структуры (один переход). Это очень важно, так как ЛПД работает в режиме лавинного пробоя и плотность мощности на переходе достигает больших величин до 10⁵ Вт/см². Тонкие структуры облегчают отвод тепла от перехода. Кроме того, для лучшего отвода тепла в ЛПД применяют так называемую обратную сборку, кристалл присоединяют к теплоотводу той стороной, где переход расположен на небольшой глубине от поверхности кристалла.

Рис. 7.4. Структура кристалла ЛПД

 Мощность и КПД генераторов на ЛПД сравнительно невелики, зависят от рабочей частоты и от теплоотвода. Для улучшения теплоотвода в мощных ЛПД в качестве подложки используют алмаз.

ЛПД, работающие в пролетном режиме, используют также для усиления колебаний, однако из-за большого коэффициента шума (20—40 дБ) они не пригодны для входных устройств. Диод является активным двухполюсником, т. е. двухполюсником с отрицательным дифференциальным (динамическим) сопротивлением. Поэтому в усилителе применяется циркулятор, обеспечивающий разделение входного и выходного сигналов. Коэффициент усиления при каскадном включении достаточно велик (до 30 дБ и более).

 Недостатком ЛПД является очень низкий КПД. Это объясняется тем, что амплитуда колебательного напряжения на диоде намного меньше величины постоянного напряжения, приложенного к диоду для обеспечения режима лавинного умножения. Низкий КПД ЛПД, кроме того, объясняется зависимостью вольт-амперной характеристики ЛПД от частоты колебаний. На частоте, на которой отрицательное сопротивление имеет наибольший модуль, амплитуда переменного напряжения значительна, но амплитуда тока мала. В результате получается, что отдаваемая мощность мала.

В настоящее время на частоте 1 ГГц получен КПД до 60% в Si-диодах и до 45% на частоте 2—3 ГГц в Ge-диодах. Однако большие плотности тока, требуемые для возникновения аномального режима, не позволяют осуществить непрерывную генерацию.

ЛПД с рабочей частотой выше 50 ГГц трудно изготовлять из-за очень малых размеров, а ЛПД с частотой ниже 1 ГГц имеют большие размеры, поэтому трудно отводить тепло от перехода.

На рис. 7.5 приведены два вида конструкций лавинно-пролетных диодов в коаксиальном исполнении. Для интегральных полосковых схем разрабатываются бескорпусные ЛПД с полосковыми выводами.

В пролетном режиме ЛПД отрицательное сопротивление существует в широкой области рабочих частот. Поэтому частоту генерации в генераторах на ЛПД можно изменять в пределах более октавы механической перестройкой колебательной системы. Широко используют также электрическую перестройку частоты, включая в колебательную систему СВЧ варикап или ферритовые элементы. В первом случае диапазон перестройки обычно невелик, а во втором — достигает 10%. Температурный коэффициент частоты генератора зависит от изменения как параметров диода, так и колебательной системы. Для одноконтурного генератора ТКЧ= ± 10^-41/°C, но может быть снижен в результате принятия специальных мер.

Высокий уровень шума ЛПД позволяет использовать их для создания генераторов шума СВЧ диапазона. Эти генераторы очень просты, имеют большую спектральную плотность мощности шума, низкую потребляемую мощность, малые массу и габариты, т. е. выгодно отличаются от электровакуумных генераторов шума.

Рис. 7.5. Конструкция ЛПД:

а — германиевого; б — кремниевого; 1— металлическое основание; 2 — керамическая втулка; 3— кристалл; 4 — соединительный электрод; 5—ниппель

Усилители на ЛПД вследствие значительного коэффициента шума (20— 30 дБ) не используются во входных усилителях. По коэффициенту преобразования амплитудной модуляции в фазовую (АМ/ФМ) усилители на ЛПД сравнимы с лампами бегущей волны.

В заключение следует отметить существование аномального режима ЛПД— режима с захваченной плазмой или ТRАРРАТ — режима (сокращение от слов ТРАрреd Plasma Avalanche Triggered Transit — захваченная плазма, пробег области лавинного умножения). В электронно-дырочном переходе в этом режиме создаются условия для движения фронта лавинного умножения со скоростью, в несколько раз большей максимальной скорости носителей (скорости насыщения). Поэтому в переходе очень быстро образуется электронно-дырочная плазма, что приводит к резкому снижению напряжения на переходе, а следовательно, к уменьшению скорости электронов и дырок в плазме (захваченная плазма). Увеличение времени пролета носителей в переходе вызывает снижение частоты генерации в несколько раз по сравнению с пролетным режимом работы ЛПД. Однако достоинством ЛПД с захваченной плазмой является снижение потребляемой мощности, вследствие понижения; напряжения

Сведения о мощности и КПД в перечисленных режимах работы приведены в табл.7.1. Преимущества режима с захваченной плазмой проявляются на более низких частотах.

Таблица  7.1.

Параметры ЛПД 

В пролетном режиме работы ЛПД отрицательное сопротивление существует в широкой полосе рабочих частот. Следовательно, можно изменять частоту генерации в больших пределах механической перестройкой колебательной системы. Широко применяют также электрические способы перестройки частоты. Один из способов состоит в изменении собственной частоты колебательной системы (резонатора) с помощью варакторного  СВЧ-диода. Диапазон перестройки в зависимости от схемы включения варакторного диода доходит до 3—5%. Применяют для перестройки также ферритовые элементы, помещенные в резонатор ЛПД, при этом диапазон перестройки может достигать 10%. Для перестройки частоты в небольших пределах используют зависимость частоты от постоянного тока (электронное смещение частоты). Крутизна электронного смещения частоты в сантиметровом диапазоне — несколько мегагерц на миллиампер, а диапазон перестройки — несколько десятых долей процента.