CC BY
9W
Электроника СВЧ
УДК 621.373
Ю. И. Алексеев
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Амплитудная зависимость адмиттанса лавинно-пролетного диода миллиметрового диапазона
Обсуждается амплитудная зависимость полной проводимости серийного лавинно-пролетного диода миллиметрового диапазона. Приводятся графики, существенно дополняющие технические условия на диод необходимой информацией и облегчающие тем самым возможность проведения расчетов активных устройств на лавинно-пролетных диодах.
Лавинно-пролетный диод, адмиттанс, частотная зависимость, амплитудная зависимость, генератор на ЛПД, усилитель на ЛПД
Расчет малосигнальной проводимости лавинно-пролетного диода (ЛПД) в его рабочем частотном диапазоне при известных электрических параметрах кристалла, на основе которого создан ^-и-переход, и при ряде необходимых констант с достаточной для инженерной практики точностью может быть проведен с помощью аналитических соотношений, предложенных, например в [1]. Эта проводимость представляет исходный материал при разработках генераторов и усилителей на ЛПД. Рассчитанный по методике [1] линейный адмиттанс серийного ЛПД 2А717А показан на рис. 1, где для различных значений рабочего тока ¡о представлены активная 0д и реактивная Вд компоненты полной проводимости в рабочем для упомянутого диода частотном диапазоне 31.. .38 ГГц.
Следует заметить, что проводимость ЛПД, представленная на рис. 1, является необходимым, но не достаточным материалом, используемым разработчиками генераторов и усилителей на ЛПД. На основании этих графиков можно рассчитать параметры "холодной" колебательной системы генератора (или усилителя) при эквивалентном представлении такой системы в виде параллельного колебательного контура, как это принято в инженерной практике [2], [3]. Если считать, что тип передающей линии, на основе которой разрабатывается усилительная или генераторная камера, известен (определяется рабочим диапазоном), то с помощью графиков рис. 1 можно определить, например длину резонатора, резонансная частота которого достаточно близка к частоте колебаний проектируемого генератора и даже равна ей в первом приближении.
Однако информация о полной проводимости ЛПД в малосигнальном приближении, представленная частотной зависимостью компонент Од и Вд (рис. 1), для дальнейшего
© Ю. И. Алексеев, 2005
63
30
32
34
-10 -20
-30 -40 G, мСм
Диодная структура без корпуса 36 /, ГГц В, мСм
Т
I0 = 80 мА
30
32
250
34
70
60
50 40
-20 -30
-40 -50 G, мСм
30
Диодная структура в корпусе 36 /, ГГц В, мСм
32
34
36
f, ГГц
I0 = 80 мА
250
f, ГГц
Рис. 1
расчета генератора является неполной, поскольку малосигнальная проводимость диода позволяет рассчитать только коэффициент регенерации колебательной системы и определить на его основе пусковые характеристики генератора. Рассчитать, например, основной параметр генератора - колебательную мощность в стационарном режиме генерации - с помощью характеристик, представленных на рис. 1, не представляется возможным, поскольку для такого расчета необходима амплитудная зависимость проводимости ЛПД.
Амплитудная зависимость адмиттанса учитывается также при расчете амплитудной и динамической характеристик усилителя, позволяющих определить динамический диапазон входных сигналов, в котором происходит линейное (неискажающее) усиление. Таким образом, для подробного расчета активных устройств на ЛПД необходимы сведения о нелинейных свойствах полной проводимости диода, которые принято представлять в виде условных колебательных характеристик ОД = / (и), Вд = / (и), где и - амплитуда
СВЧ-напряжения на диоде [2], [3].
В фундаментальных работах [1], [4] амплитудные свойства проводимостей ЛПД получили достаточно полное освещение и в обобщенном виде могут быть представлены следующими соотношениями:
О (ю) = юСрЛ Ф (х ) х (в); В (ю ) = юС [1 -р^Ф (х) X (в )], (1)
где ю - частота колебаний; С - емкость обедненной области; Рл = ¡о/ 1х (Iо - величина тока питания; ¡х - характеристический ток); Ф (х) = 2/ (х)/х/о (х) (/о (х), / (х) - модифицированные функции Бесселя нулевого и первого порядков соответственно); х = Р =
= в2 (©CUx/Io ) = aCU^Ix ; х(&) = [l - cos (S)]/d; 1 (в) = (т5/т) - (sin S/S) (в - фазовый угол пролета; т§ - время пролета слоя умножения; т - время пролета запорного слоя).
На рис. 2 представлены колебательные характеристики серийного ЛПД миллиметрового диапазона 2А717А, рассчитанные по соотношениям (l) с учетом паразитных параметров корпуса при следующих значениях констант (относящихся как к собственно диоду, так и к материалу ^-«-перехода диода): скорость носителей заряда vs = 105 м/с, ширина обедненного слоя W = 1.46 мкм, ширина эквивалентного слоя умножения 5 = 0.25W,
—9 2
емкость обедненной области C = 0.35 пФ, площадь перехода s = 5 -10 м , коэффициент
аппроксимации m = 6, коэффициент резкости ^р-и-перехода Z = 1.
2
Из рис. 2 следует, что при малых U значения проводимостей G и B совпадают с малосигнальными (линейными) значениями компонент проводимостей, представленными на рис. 1, что свидетельствует о корректности проведенных расчетов.
Графики рис. 2 считаются основным информационным материалом при расчете колебательной мощности разрабатываемого генератора и совместно с графиками рис. 1
-10
-20
-30
0.1 1
U , В
G, мСм
-20
U , В
-30
-40
G, мСм
-20 -30
-40
-50
G, мСм
2 B, мСм
100
U , В
2 B, мСм
U2, В
2 B, мСм
f = 31.5 ГГц
2
U2, В
2
U2, В
2
Рис. 2
представляют необходимый и достаточный набор исходных данных, позволяющий провести полный расчет генератора (или усилителя) на ЛПД. Представленный на рис. 2 ад-миттанс ЛПД типа 2А717А учитывает количественный разброс проводимостей в рабочем частотном диапазоне диода и существенную зависимость проводимостей от рабочего тока
диода. Амплитудная зависимость адмиттанса показана в координатах Gд = f (и2 ), BJl = f (и2), что весьма удобно при расчете колебательной мощности: пересечение графика GJl = f (и2) графиком проводимости нагрузки генератора GH (которая при расчете
2
известна), дает значение U1 для определения мощности генератора.
Амплитудная зависимость активной компоненты Gд ЛПД 2А717А сильная и, согласно принятой авторами [1] аппроксимации, всегда имеет "мягкий" характер возбуждения, хотя на практике в зависимости от выбранного рабочего тока диода амплитудная зависимость Gj может иметь и "жесткий" характер. В этом проявляется недостаток соотношений, определяющих теоретические значения составляющих проводимости. Частотный разброс Gj в рабочем диапазоне диода незначителен. Изменение рабочего тока диода приводит только к количественным изменениям, не меняя характера зависимости Gд = f (и2).
Амплитудная зависимость реактивной компоненты B^ ЛПД 2А717А слабая, однако
ее частотный разброс значителен, что необходимо учитывать при проектировании широкополосных активных устройств на ЛПД.
Таким образом, на примере серийного ЛПД 2А717А показано, что при известных электрофизических константах материала диода можно определить полную проводимость диода, на основании которой возможно рассчитать основные параметры активных устройств на ЛПД.
Библиографический список
1. Тагер А. С., Вальд-Перлов В. М. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М.: Сов. радио, 1968. 479 с.
2. Кэррол Дж. СВЧ-генераторы на горячих электронах. М.: Мир, 1972. 390 с.
3. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ / Под ред. М. Хауэса, Д. Моргана. М.: Мир, 1979. 448 с.
4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. 455 с.
Yu. I. Alekseev
Taganrog state university of radio engineering
Amplitude dependence of millimeter waves IMPATT diode admittance
Amplitude dependence of millimeter waves IMPATT diode admittance is considered. Graphs, which essentially complete technical specifications of diode with necessary information and make easier calculation of IMPATT diode based active devices are presented.
IMPATT diode, admittance, frequency dependence, amplitude dependence, IMPATT diode generator, IMPATT diode amplifier
Статья поступила в редакцию 31 марта 2004 г.
