Способ управления параметрами диода ганна

 

C F.ÑG,, p,,ã. 1ю! 11 и - 1 ::;" < f",ч

О П И СА Н И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

379968

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №

M. Кл, Н ОЗЬ 7/06

Заявлено 01.! I.1971 (№ 1623226/26 25) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 20.!Ч.19?3. Бюллетень № 20

Дата опубликования описания 17.VI.1973

Комитет со делам изосретений и открытий ори Совете Министров

СССР

УДК 621 382(088.8) Авторы изобретения

Б. Л. Гельмонт и М. С. Illyp

Заявитель Ордена Ленина физико-технический институт им. A. Ф. Иоффе АН СССР

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ДИОДА ГАННА тг в Г < <>п/ Ел

Изобретение относится к радиотехнике, радиоэлектронике, радиолокации, технике СВЧ, оптике, инфракрасной технике и к смежным областям — оптоэлектронике и квантовой электронике.

Известен способ изменения параметров генератора СВЧ на диоде Ганн1а, в объеме ко= торого, например, .путем подсветки, создают электронно-дырочные пары. Наличие электронно-дырочных пар приводит к тому, что улучшается когерентность и увеличивается амплитуда СВЧ колебаний, обусловленных эффектом Ганна, Этот эффект достигается благодаря тому, что концентрация рс, электронно-дырочных пар, созданных светом, при отсутствии электрического поля однородно распределена вдоль образца. Бл агодаря этому неоднородность в распределении полной концентрации электронов пс — — р,+п„уменьшается по сравнению с неоднородностью распределения концентрации и„ электронов в неосвещенном образце, равной концентрации доноров.

Однако при использовании известного способа управления параметрами генератора на диоде Ганна, получаемая мощность сравнительно мала, частотный диапазон СВЧ генерации узок, а частотная модуляция. СВЧ колебаний при изменении концентрации электронно-дырочных пар отсутствует.

Цель изобретения — увеличение мощностй, расширение частотного диапазона генерации и усиления СВЧ колебаний и. осуществл|ение частотной модуляции СВЧ колебаний н расширение частотного диапазона модулируемого электромагнитного излучения.

Цель достигается путем создания, например, с помощью подсветки или инжекции в объеме диода Ганна кон|центрации рс электронно-дырочных пар, превышающее ее критическое значение р,р.. -,;;;;;, (;::;))

15 где рр — подвижность дырок; рп — подвижность электронов в слабом поле; Е1 — поле вне домена сильного поля; Š— максимальное значение поля в домене сильного пол я; .0„— коэффициент диффузии электронов;

20 e. — статическая диэлектрическая проницаемость материала диода Ганна, е — заряд электрона.

Можно показать, что при рс)р„р домен сильного поля распространяется со скоростью которая возр,астает с увеличением рс и превы шает скорость домена в отсутствие элек30 тронно-дырочных пар, равную v (Е ) =p /=;

379968

3 при po)pii» максимальное поле в домене не может превысить некоторое максимальное значение L., уменьшающееся с увеличением отношения pp/по, где п»=п + ро — концентрация электронов, n — концентр,ация доноров. В случае p„))n величинаЕ„,, в GaAs составляет примерно 20 кв/см. При типичных дланя GaAs значениях параметров: в=12,5;

Е, =1,5 кв/см, и.„==8000 см /в сек, D„=

= 400 см2/сек; р. „=400 см в сек, Е„,„,=, =.30 кв/см (такое относительно малое значение максимального поля в домене должно реализоваться при po)n ), — величина ркр составляет .примерно 10" см —, а величина скорости домена сильного поля, см/сек, равна

U 0,12 y/p,, Отсюда следует, что если создать в образце концентрацию пар pp10 9 см —, то скорость домена возрастает по сравнению с величиной V„(E,) = 1,2 10 см/сек примерно в

30 раз. Соответственно в 30 раз возрастет чаV стога ганновских колебаний f - —, где L—

L длина образца. Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить частоту СВЧ колебаний диода. Ганна при заданной дл|ине диода, т. е. расширить частотный диапазон генерации СВЧ колебаний. Поскольку в режиме параметрического усиления СВЧ колебаний диодом Ганна частота усиления равна половине пролетной частоты диода Ганна, то при увеличении ро от нуля до ро —- 10" см — частота усиления, обеспечиваемая предлагаемым способом .при заданной длине образца, также возрастает в 30 раз, т. е. расширяется частотный диапазон усиления, С другой стороны, выходная мощность диода Ганна пропорциональна квадрату длины 40 диода. Поскольку при pp —- 10" см — та же частота колебаний достигается при длине образца примерно в 30 раз большей, то выходная мощность диода возрастает за счет увеличения длины примерно на три порядка. Кроме 45 того, электронно-дырочные пары ограничивают максимальное поле:в домене. При п,=р,= 10" см — ))п максимальное поле в домене составляет всего около 20 квlсм. При таких Полях в домене пробой не развивается, 50 т. е. инжекция электронно-дырочных пар с концентрацией po)p» предотвращает пробой в домене сильного поля. В известных способах генерации и усиления СВЧ колебаний а также импульсов диодом Ганна концентра- 55 ция электронов по(10" см, так как при больших концентрациях электронов максим ал ьное поле в домене становится столь сильным, что развивается пробой и колебания становятся шумовыми. Поскольку выходная 60 мощность диода Ганна пропорциональна пр, то при по-р,= 10 9 см — он а возрастает на два порядка по сравнению пр 10" см — . Таким образом, полное увеличение мощности генерации и усиления СВЧ колебаний и ге- 65

4 нерации и усиления импульсов диода Ганна, обеспечиваемое предлагаемым способом, составляет пять порядков. Предлагаемый способ позволяет также осуществить частотную модуляцию СВЧ колебаний диода Ганна. Действительно, изменяя, н апример, подсветкой или инжекцией концентрацию электронно-дырочных пар от величины рр«р«» до величины pp))p,р, можно менять примерно в 30 раз частоту колебаний, т. е. осуществлять глубокую частотную модуля цию СВЧ колебаний. Другими способами удается изменять частоту СВЧ колебаний диода Ганна не более чем в два раза. Ан алогично, изменяя концентрацию от нуля до ро — — 10" см —, можно примерно в 30 раз измен ять определяемую пролетным временем домен а длительность импульсов, генерируемых или усиливаемых диодом Ганн а.

Ограничение амплитуды домена при создании в диоде концентрации пар pp)p» и возникновение трапецоидального домена с плоской вершиной позволяет .получать домен ы большой ширины. При р»=и,= 10" см — и и L =0,1 см ширина трапецоидального до мен а. d,» может более чем на порядок превы. сить ширину домена d в чисто электронном образце. Поскольку максимальная длина волны модулируемого доменами электромагнитного излучения по порядку величины равна ширинке домена, это обеспечивает возмо>кность более чем на порядок увеличить длин у волны (т. е, на порядок понизить частоту) электромагнитного излучения, модулируемого доменами сильного поля и таким образом расширить частотный диапазон модулируемого электромагнитного излучения.

Пр имер осуществления предлагаемого способа.

В диоде Ган н а на основе арсенида галлия длиной L=0,1 см с концентрацией доноров пд — 5 10 4 см — з создают путем подсветки концентрацию электронно-дырочных .пар ро—

= 10" см — ))n . Скорость домена и частота колебаний f при этом возрастают на порядок.

Изменяя концентрацию электронно-дырочн ых пар от нуля до ро- — 10" см — з путем изменения ингенсивности подсветки осуществляют модуляцию частоты СВЧ колебаний от f>—

100 Мгц до f>-1000 Мг 1. Для модуляции электромагнитного излучения прикл адывают к диоду напряжение смещения U=600 в. При этом вози икает трапецоидальный домен, ширина которого равна примерно 250 мкм. Бла:годаря этому осуществляют модуляцию инфракрасного излучения длиной волны 50 мкм, что примерно на порядок превышает длину волны инфракрасного света, модуляция которого доменом возможна в GaAs-диоде Гamia без подсветки.

Предмет изобретения .Способ управления параметрами диода

Ганна, включающий создание в его объеме электронно-дырочных .пар, например, путем

379968

Составитель А. Кот

Редактор Э, Мельниченко

Корректор Л. Вадылама

Техред Г. Дворина

Заказ 1990/17 Изд. № 1492 Тираж 780 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 подсветки или инжекции, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности, расширения частотного диапазона генерации и усил ения СВЧ колебаний, а также диапазона модулируемого электромагнитного излучения, создают концентрацию носителей тока больше критического ее значения р р, определяемого по формуле р„, " 1 + где 1а — подвижность электроиов В слабом поле; рр — подвижность pbIpoK;

Е1 — поле вн е домена;

Š— максимальное поле в домене; ,0 — коэффициент диффузии электронов; е — статическая диэлектрическая проницаемость; е — заряд электрона.