Плазменные приборы

1.2 Плазменные приборы

Ряд исследователей высказывал предположение, что для генерирования и усиления субмиллиметровых волн вместо обычной замедляющей системы ЛОВ может быть применен плазменный волновод.

В изучение приборов, использующих электронно-ионную плазму, большой вклад внесли советские ученые В.Л. Гинзбург, Л.Д. Ландау, Г.А. Бернашевский, З.С. Чернов и др.

Расчеты показывают, что мощность колебаний плазменных субмиллиметровых генераторов и усилителей может достигать десятков ватт. В электроннолучевом плазменном приборе в отличие от ЛОВ высокочастотное поле не ослабевает по мере приближения к центру пучка. Участие всего пучка в процессе взаимодействия с полем плазменных колебаний обеспечивает более высокий к. п. д. и позволяет повысить выходную мощность за счет увеличения диаметра пучка. Однако при реализации таких устройств встречается ряд весьма серьезных затруднений, Из-за столкновения электронного пучка с ионами и нейтральными атомами энергия пучка рассеивается в плазме, появляются шумы. Этот эффект ограничивает рабочую частоту и требует увеличения степени ионизации плазмы.

Для увеличения рабочей частоты необходимо преодолеть две серьезные трудности:

1) получить плазму чрезвычайно высокой плотности (1014 — 1016 ион/см3) при ионизации больше 50%; чем плотнее плазма, тем выше должен быть процент ионизации;

2) найти эффективный способ ввода и вывода энергии.

Возможно, последнюю трудность удастся преодолеть путем использования таких явлений, как распространение поверхностных волн вдоль плазменного столба и волн в плазме, помещенной в магнитное поле.

1.3 Полупроводниковые генераторы

Трудности, возникающие при разработке полупроводниковых СВЧ генераторов и электровакуумных, одни и те же: мелкоструктурность элементов, сложность отвода тепла. Создание полупроводниковых приборов осложняется еще худшей теплопроводностью и меньшей допустимой рабочей температурой полупроводниковых материалов.

Несмотря на это, разработаны приборы на туннельных и лавинно-пролетных диодах, которые генерируют колебания небольшой мощности в миллиметровом диапазоне длин волн. Указанные ограничения делают невозможной работу классических полупроводниковых генераторов в субмиллиметровом диапазоне. В этом диапазоне могут использоваться умножители на полупроводниковых диодах и, очевидно, импульсные генераторы на лавинно-пролетных диодах (ЛПД). Были получены колебания на частоте  = 340 ГГц с помощью генератора на ЛПД, работающего в импульсном режиме при больших импульсных токах. Можно предположить, что для работы в субмиллиметровом диапазоне могут быть созданы генераторы на туннельно-пролетных диодах.

Исследования последних лет указывают на большую перспективность использования объемных эффектов для генерации СВЧ колебаний. Первым таким эффектом, позволившим создать генераторы близкого к миллиметровому диапазона, явился эффект Ганна.

Применение так называемого режима ограничения накопления пространственного заряда (ОНПЗ) в диодах из арсенида галлия, предложенного Дж. Коуплендом, позволяет надеяться на создание высокоэффективных генераторов субмиллиметрового диапазона мощностью в несколько ватт.

Природа возникновения отрицательного дифференциального сопротивления в диоде из арсенида галлия, работающего в режиме ОНПЗ, та же, что и для режима, открытого Ганном.

В диоде Ганна отрицательная проводимость существует только в узкой области (домене) арсенида галлия с повышенной напряженностью поля, который дрейфует от отрицательного к положительному электроду. Область сильного поля разрушает большую часть отрицательной проводимости, и энергию в нагрузку отдает только часть электронов объема полупроводника. Частота в генераторе Ганна определяется длиной образца.

Режим ОНПЗ не связан с эффектом времени пролета, и частота генератора зависит в первую очередь от частоты настройки внешнего резонатора. Имеется возможность увеличить размеры прибора. При этом почти весь объем материала диода будет обладать отрицательной проводимостью. Вследствие этого мощность генераторов на диодах в режиме ОНПЗ увеличится на 4 - 6 порядков. Способ ограничения накопления пространственного заряда (режим ОНПЗ) основан на следующих явлениях.

Нарастание и спад (рассасывание) пространственного заряда происходят за конечное время, которое обратно пропорционально степени легирования материала полупроводника или концентрации носителей. Время нарастания пространственного заряда при величине поля, превышающей критический уровень возникновения отрицательной проводимости 3000 В/см, значительно больше, чем время спада (рассасывания), которое происходит, когда напряженность поля становится ниже критической. Таким образом, изменяя напряженность поля в диоде до уровня ниже критического на время, составляющее малую часть периода колебаний, можно осуществить рассасывание пространственного заряда, накопленного во время работы при напряженности, обеспечивающей появление отрицательного сопротивления.

Арсенидогаллиевый диод работает в режиме ОНПЗ, если выполняется условие

2*10142*1015 шс/см3 (1.1)

Следовательно, необходимо обеспечить весьма узкий интервал допустимых уровней концентрации примесей в материале диода.

Вторым условием установления режима ОНПЗ является высокий импеданс внешних по отношению к диоду резонансных цепей, обеспечивающих получение больших амплитуд колебаний на диоде. При этом необходимо, чтобы напряженность поля, приложенного к диоду, в 3 - 4 раза превышала значение напряженности поля, которому соответствует эффект Ганна. Достаточно высокие значения добротности могут быть получены установлением слабой связи резонатора с нагрузкой в момент возникновения колебаний; после этого нагрузку резонатора, выходную мощность и к. п. д. можно заметно увеличить. Отрезок линии передачи между резонатором и нагрузкой может обеспечить задержку момента нагружения резонатора.

Поскольку рабочая частота генератора в режиме ОНПЗ не зависит от толщины образца, можно увеличить длину и объем образца в несколько раз. При этом возрастает и приложенное напряжение. Так как мощность пропорциональна квадрату приложенного напряжения, то появляется возможность значительного повышения выходной мощности. Диод, работающий в режиме ОНПЗ, может быть сконструирован для работы при любом напряжении от 25 до 500 В.

Увеличению выходной мощности диодов с ОНПЗ препятствуют в основном трудности обеспечения хорошего теплоотвода и поддержания постоянной напряженности электрического поля по всей длине диода.

Кроме задач, связанных с разработкой самих диодов, стоят также задачи создания специальных конструкций генераторов, в особенности для субмиллиметровых волн, где найдут применение открытые резонаторы.

Примером тому может послужить генератор субмиллиметрового диапазона, в котором используются объемные эффекты в арсениде галлия. Основой генератора служит пластина арсенида галлия длиной 3 мм, шириной 1 мм и толщиной 0,5 мм с концентрацией носителей 1,2*1016 см-3. На концах пластины создаются оловянные омические контакты. На одной стороне пластины в середине ее вырезана канавка шириной 1 мм и глубиной 0,15 мм. На дне канавки нанесена пленка титаната бария, на которую напылен слой проводника. С другой стороны пластины нанесены пленки из титаната бария, на которых напылен слой проводящего материала. Емкостный электрод в канавке соединен с одним из омических контактов.

К крайним выходным электродам на другой стороне пластины подсоединен отрезок замкнутого накоротко коаксиального кабеля. При подаче на контакты импульсов длительностью 60 нсек с амплитудой 80—100 В возникали колебания, частота которых зависела от длины отрезка кабеля и изменялась в больших пределах. В частности, наблюдались колебания с частотой 380 Ггц. По мнению разработчиков, этот эффект не связан с режимом ОНПЗ. Предполагается, что колебания вызывает слой нейтрализуемого объемного заряда. В момент приложения напряжения к омическим контактам начинает образовываться и распространяться объемный заряд. Однако развитию этого процесса препятствует сильное поле, создаваемое управляющим электродом, что обеспечивает отрицательное сопротивление всего объема материала.