Лекция 8 часть 4

Название режима связано с тем, что и в нем домены не успевают сформироваться и объемный заряд в каждой неустойчивости оказывается ограниченным, т. е. меньшим заряда в полностью сформированном домене. Для получения такого режима период колебаний должен быть много меньше времени формирования домена (T<<t_Ф).

Предположим, что к образцу приложено постоянное напряжение U₀, больше порогового значения (U₀>U₀_п), и переменное напряжение с амплитудой U₁>(U₀—U₀_п), как показано на рис. 8.7. Когда результирующее напряжение превысит U_0п, начинает образовываться домен. Если в ту часть периода, пока U₀>U₀_п. домен не успевает сформироваться (условие режима ОНОЗ), то зависимость тока от поля не совпадает с вольт-амперной характеристикой прибора с доменной неустойчивостью, как в прежних режимах, а повторяет вольт-амперную характеристику образца без домена, т. е. зависимость дрейфовой скорости от поля. При этом ток сначала уменьшается, а затем растет до значения I_маx при U₀=U₀_п. В эту часть периода t' образец ведет себя как отрицательное сопротивление и происходит передача мощности в СВЧ - цепь. В оставшуюся часть периода t' = T - t' U < U_on по определению режима объемный заряд должен рассасываться. Если он не успевает исчезнуть, то за несколько периодов накопится такой заряд, что прибор выйдет из режима ОНОЗ. В интервале t" прибор ведет себя как положительное сопротивление (поглощение мощности), а ток изменяется в соответствии с начальной ветвью вольт-амперной характеристики. Таким образом, изменение тока имеет сложный вид, определяемый характеристикой v(E).

СВЧ - мощность, создаваемая в единице объема при амплитудах первой гармоникой тока I₁ и напряжения U₁=E₁ℓ (E₁— амплитуда напряженности поля), равна Р=U₁I₁/2. Отрицательное дифференциальное сопротивление образца

(8.20)

Используя формулу (8.20), получаем

. (8.21)

т. е. в режиме ОНОЗ произведение мощности на сопротивление не зависит от частоты и определяется амплитудой переменной составляющей поля в домене Е₁ и длиной образца ℓ.

Режим ОНОЗ особенно эффективен на высоких частотах (f ³ 3^.10 ГГц), так как в нем, в отличие от других режимов, нет ограничения на время пролета и время формирования домена. Однако имеется принципиальное ограничение для частоты, связанное с тем, что, как уже отмечалось, на частотах более 20 ГГц зависимость дрейфовой скорости от поля заметно отличается от статической зависимости. Расчеты показывают, что максимальная частота генерации не может превысить 200 ГГц. Наибольшая достигнутая частота в режиме ОНОЗ составляет 160 ГГц. Отмеченное принципиальное ограничение приводит к падению КПД с ростом частоты.

Максимальное значение КПД на частоте около 20 ГГц составляет 20—25%. Значение КПД можно несколько увеличить (до 30%), если обеспечить получение несинусоидальной формы напряжения на приборе. Подобное влияние гармоник на КПД проявляется и в других приборах. Для создания несинусоидальной формы напряжения необходимо, чтобы резонатор возбуждался колебаниями тока как на рабочей частоте, так и на ее гармониках.

Рис. 8.7. Вольт-амперная характеристика в режиме ограниченного накопления объемного заряда

Режим ОНОЗ характеризуется большой амплитудой колебаний. Однако ввод в этот режим представляет значительные трудности.

В режиме ОНОЗ частота колебаний определяется внешней цепью (резонатором), при этом применяют как механическую, так и электрическую перестройку последнего с помощью варакторного диода.