10.3.2. Плазменный ЛПД (ПЛПД)

Генератор на ПЛПД обычно имеет -структуру, аналогичную структуре ЛПД, со смещением в область обратного пробоя. Условие пробоя выполняется, так что в отсутствие лавинного тока -слой обеднен носителями. ПЛПД отличается от обычного ЛПД тем, что это прибор большого сигнала, он работает в другом режиме колебаний, более эффективен (как правило, имеет эффективность около 50%) и генерирует мощность на более низких частотах.

Рис. 10.5. а — структура -ПЛПД; б - электрическое поле в -области при когда максимальное поле ниже критического поля при котором происходит лавина.

Обычно ПЛПД используют в импульсном режиме, тогда как обычные ЛПД - в непрерывном.

При рассмотрении ЛПД считалось, что поля пространственного заряда, связанные с зарядами в лавинной области, пренебрежимо малы. Эти поля в работе ПЛПД играют важную роль. Они определяют режим колебаний ПЛПД, при котором он чрезвычайно резко переключается (обычно за ) из состояния с высоким импедансом и высоким напряжением в состояние с низким импедансом и низким напряжением.

Роль полей пространственного заряда можно понять из следующего рассмотрения. Предположим, что в момент времени на -ПЛПД, структура которого показана на рис. 10.5, а, подано обратное поле смещения, близкое к электрическому полю пробоя, но в то же время максимальное иоле в -слое несколько ниже поля необходимого для лавинной ионизации. При этих условиях -слой обеднен подвижными носителями заряда, и уравнение Пуассона дает тангенс угла

наклона поля в виде

где плотность доноров в -слое. Интегрируя уравнение (10.4) и полагая, что на границе поле равно нулю, имеем

Далее полагаем, что в момент времени к ПЛПД подключают источник постоянного тока При условии что поле ниже величины -слой остается обедненным носителями, и единственный ток, который может протекать через слой, — это ток смещения

где А — площадь поперечного сечения диода. Интегрируя выражение (10.6) по и учитывая начальное условие в уравнении (10.5) для определения константы интегрирования, получаем, что поле линейно растет со временем

Выражение (10.7) позволяет выяснить, каким образом профиль поля движется по -слою. Так как, если приравняем постоянной величине Е и затем продифференцируем по времени выражение (10.7), получим, что точка постоянного поля движется в диоде со скоростью

Таким образом, профиль поля также движется в -слое со скоростью определяемой из уравнения (10.8). Увеличивая и уменьшая можно сделать эту скорость больше предельной скорости дрейфа горячих носителей.

Теперь рассмотрим, каким образом движущийся профиль поля может привести к колебаниям в диоде. Как мы уже видели, пока поле меньше пороговой величины, необходимой для образования лавины, чоофиль поля линейно зависит от временц и координаты. Но как только электрическое поле превышает плотность носителей резко возрастает в результате лавинного умножения и поле больше не зависит линейно от времени. Рис. 10.6, показывающий профиль поля в последовательные

моменты времени, иллюстрирует, что происходит, когда превышается критическое поле, при условии, что скорость больше предельной скорости носителей.

Как только поле достигает критического значения, начинается лавинный процесс. При этом значительно увеличивается число носителей, но, поскольку поле продолжает возрастать, т. е. распределение носителей не может изменяться настолько быстро, чтобы тотчас же изменилось поле.

Рис. 10.6. Профили электрического поля в -области в последовательные моменты времени

Следовательно, поле быстро достигает уровня, значительно превышающего критическую величину, и в то же время благодаря образованию лавины создает чрезвычайно большую популяцию носителей. Эти носители затем ослабляют поле позади области лавинного пробоя (следует помнить, что профиль поля чрезвычайно быстро проходит через -слой) до малого уровня, так что носители больше не горячие, но имеют линейную зависимость скорости от поля. В этой области практически выполняется условие электрической нейтральности, так как носители самоупорядочиваются в соответствии с обычным условием диэлектрической релаксации. Дырки и электроны, возникающие в результате лавинного процесса, образуют плазму, которая «улавливается» в области низкого поля позади развивающейся лавины. Область лавинного пробоя распространяется в типичном ПЛПД за Бартелинк и Шарфеттер [3] назвали ее лавинным ударным фронтом.

Падение напряжения в ПЛПД - это площадь под профилем напряженности электрического поля. Из рис. 10.6 ясно, что эта площадь очень резко изменяется (за время порядка от

высокого значения, когда прибор находится в состоянии пробоя, до низкого значения после того, как лавинный ударный фронт прошел через -слой. Как только напряжение падает, ток увеличивается, в то время как удерживаемая плазма выносится из прибора. На рис. 10.7 изображена типичная форма напряжения и тока, (которая имеет место, когда прибор соединяют с соответствующей схемой для получения колебаний [14].

Рис. 10.7. Сигналы напряжения (а) и тока (б) на клеммах ПЛПД (напряжение пробоя

Форма сигналов показывает, что при характеристической частоте ПЛПД работает как отрицательное сопротивление: основные Фурье-компоненты напряжения и тока находятся, в противофазе.

Клорфайн с сотр. [9] показали, что величина отрицательного сопротивления составляет

где напряжение пробоя и средний ток, протекающий через прибор.

Именно благодаря этому отрицательному сопротивлению ПЛПД способен генерировать мощность СВЧ.

ПЛПД — прибор, работающий в режиме большого сигнала, который нужен для того, чтобы раскачать колебания плазменной моды, по. тому что нет гарантии, что флуктуации теплового шума смогут возбудить колебания. Поэтому плазменный обычно запускается генератором на ЛПД.

Заметим, что ПЛПД по своей сути медленнее обычного ЛПД, потому что процесс перемещения относительно медленных носителей в удерживаемой плазме дольше, чем носителей, движущихся с предельной скоростью дрейфа.