СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ДИОДА ГАННА Советский патент 1973 года по МПК H03B7/06 

1

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 Ганва, в объеме которого, 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 ро, электронно-Дырочных пар, созданных светом, при отсутствии электрического ПОЛя однородно распределена вдоль образца. Бл1агодаря этому неоднородность в распределение полной концентрации электронов «о Ро+гд уменьшается по сраввению с неоднородностью распределения Концентрации Пд 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 генер ацИИ узок, а частотная модуляция. СВЧ колебаний при изменении концентрации электронно-дырочных пар отсутствует.

Цель изобретения - увеличение мощности, расширение частотного диапаз.он1а генерации и усиления СВЧ колебаний и осуществление частотной модуляции СВЧ колебаний и расширение частотного диапазона модулируемого электрома1гнитного излучения.

Цель достигается путем создания, например, с помощью подсветки «ли инжекции в объеме диода Гална концентрации ро электронно-дырочных пар, превышающее ее критическое значение ркр:

lEl

h+()1

кр -

L V 1 J

4ке)„|Лр

где |д,р -.подвижность дырок; цп - подвижность электронов в слабом поле; Е - поле вне домена сильного поля; Е-т - максимальное значение поля в домене сильного поля; D-a-коэффициент диффузии электронов; е-статическая диэлектрическая проницаемость м.атериала диода Ганна, е - заряд электрона.

Можно показать, что при домен сильного ПОЛЯ распространяется, со скоростью

К

ePnPul p

V

которая возрастает с увеличением ро и цревышает скорость домена в отсутствие элек30 тронно-дырочных пар, равную Vn(E)i i; при ) максимальное поле в домене не может превысить некоторое максимальное значение макс уменьшающееся с увеличением отношения , где По гад+Ро - кон.центрация электронов , % - концентр.ация доноров. В случае величива макс в GaAs составляет примерно 20 кв/см. При типичных для GaAs значениях параметров: ,5; , 1,5 кв/см, jj,n 8000 см -1в-сек, Dn 400 см /сек; г р 400 см в-сек, макс 30 кв/см (такое относительно малое значение максимального поля в домене должно реализоваться при ), - величина ркр составляет .примерно 10 см-, а величина скорости домена сильного поля, см/сек, равна ,i2i/p;. Отсюда следует, что если создать в образце концентрацию пар см-, то скорость домена возрастает по сравнению с величиной Vn{Ei) 1,2-10 см/сек примерно в 30 раз. Соответственно в 30 раз возрастет частота ганновских колебаний / -, где L - длина образца. Таким образом, предла-гаемый способ позволяет повысить частоту СВЧ колебаний диода Ганва при заданной длине диода, т. е. расширить частотный диапазон генерации СВЧ колебаний. Поскольку в режиме параметрического усиления СВЧ колебаний диодом Ганна частота усиления р.авна половине пролетной частоты диода Гавна, то при увеличении ро от вуля до см частота усиления, обеспечиваемая предлагаемымспособом .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 диода. Поскольку при ро-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 того, электронно-дырочные пары ограничивают максимальное поле в домене. п,р, 10 м аксимальное поле в домене составляет всего около 20 кв/см. При таких полях в домене пробой не р.азвивается, т. е. инжекция электронно-дырочных пар с концентрацией предотвращает пробой в домене сильного поля. В известных способах генерации и усиления СВЧ колебаний а также импульсов диодом Ганва концентрация электронов см-, так как при больших концентрациях электронов максиМ1ал1ьное поле-в домене становится столь сильным, что развивается пробой и колебания становятся шумовыми. Поскольку выходная мощность диода Ганна пропорциовальна По, то при 10 см- ова воз,растает на два порядка по сравнению По-Ю см-. Таким образом, полное увеличение мощности генерации и усиления СВЧ колебаний и генерации и усиления импульсов диода Ганна, обеспечиваемое предлагаемым способом, составляет .пять порядков. Предлагаемый способ позволяет также осуществить частотную модуляцию СВЧ колебаний диода Ганна. Действительно, изменЯя, И1апример, подсветкой или инжекцией концентрацию электроино-дырочиых пар от величины до величины , можио менять примерно в 30 раз частоту колебаний, т. е. осуществлять глубокую частотную м.одуляцию СВЧ колебаний. Другими способами удается изменять частоту СВЧ колебаний диода Ганна не более чем в два раза. Авалогично, изменяя концентрацию от нуля до см-, можно примерно в 30 раз изменять определяемую пролетным временем домева длительность имцульсов, генерируемых или усиливаемых диодом Ганва. Ограничение амплитуды домена при создании в диоде концентр.ации пар и возникновение трапецоидального домена с плюской вершиной позволяет получать домевы большой ширины. При W см- и ,l см ширина трапецоидального до мева , может более чем на порядок Превысить ширину домена d в чисто электронном образце. Поскольку максимальная длина волны модулируемого доменами электромагнитного излучения по порядку величины равна ширине домева, это обеспечивает возможность более чем на порядок увеличить длину волны (т. е. на порядок понизить частоту) электромагнитного излучения, модулируеморо доменами сил1ьно.го поля и таким образом расширить частотный диапазон модулируемого электромагнитного излучения. Пример осуществления предлагаемого способа. В диоде Ганиа на основе арсенида -галлия длиной ,l см с концентрацией доноров .10 см создают путем подсветки концентрацию электронно-дырочных .пар ро :; 10 . Скорость домена и частота колебаний f при этом возрастают на порядок, Изменяя концентрацию электронно-дырочвых пар от нуля до ро-Ю см- путем изменения интенсивности подсветки осуществляют модуляцию частоты СВЧ колебаний от fi- Мгц до Мгц. Для модуляции электромагнитного излучения прикладывают к диоду напряжение смещения в. При этом возникает трапецоидальный домен, ширина которого равва примерно 250 мкм. Бла-. годаря этому осуществляют модуляцию инфракрасного излучения длиной волны 50 Л1КЛ4, что примерно на порядок превышает длину волны инфракрасно.го света, модуляция которого доменом возможна в GaAs-диоде Ганва без подсветки, Предмет изобретени:я Спосо.б управления параметрами диода Ганна, включающий создание в его объеме электронно-дырочных пар, например, путем подсветки или инжекции, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности, расширения частотного диапазона ген1ерац.ии и усиления СВЧ колебаний, а также диапазона модулируемого электромагнитного излучения, создают концентрацию носителей тока больше критического ее значения ркр, определяемого по формуле П Y I Р eDnV-p L V-nEi ) J подвижность электронов S слабом поле; подвижность дырок; поле ;вне домена; максимальное поле в домене; коэффициент диффузии электронов; статическая диэлектрическая проницаемость;заряд электрона.