Навигация
2 ДИОДЫ С ПОЛЕВОЙ ЭМИССИЕЙ
Диоды с динамическим отрицательным сопротивлением известны в вакуумной электронике уже 60 лет. Л. Левеллин экспериментально показал возможность создания на основе такого диода генератора СВЧ. Схема подобного генератора включает диодный промежуток, ограниченный двумя электродами — катодом и анодом, к которым приложена постоянная U0 и переменная U~ разности потенциалов, и внешний колебательный контур.
С термоэмиссионного катода в диодный промежуток поступает немодулированный поток электронов. Под действием переменного поля скорость электронов изменяется, и первоначально однородный электронный поток группируется. При этом средняя (за период) энергия взаимодействия электронов с переменным полем оказывается отличной от нуля и зависящей от угла пролета электронов в диоде q = wt (t—время пролета электронов). В определенных интервалах значений угла пролета
2pn < q < (2n + 1) (n = 1, 2, ...).
Эта энергия отрицательна, т. е. происходит трансформация кинетической энергии электронов в энергию высокочастотного поля. В соответствующих диапазонах частот активное сопротивление диода отрицательно.
Однако поскольку группировка электронов и отбор высокочастотной мощности происходят в одном и том же пролетном пространстве при отсутствии в этом пространстве замедленных электромагнитных волн, эффективность такого взаимодействия невелика и абсолютная величина активного сопротивления диода много меньше величины его реактивного (емкостного) сопротивления. Поэтому для создания автогенератора в СВЧ диапазоне приходится подключать к диоду внешний контур с высокой добротностью и снимать с катода очень большие плотности тока. В связи с этим реализация подобных генераторов встретила значительные трудности и они не нашли практического применения.
Между тем существует принципиально простой способ резкого повышения эффективности диодных генераторов. Он заключается в замене модуляции электронов по скорости модуляцией по току на входе в диодный промежуток.
Допустим, что вместо термоэмиссионного катода в диоде используется какой-либо тип автоэмиссионного катода с достаточно резкой зависимостью тока эмиссии от напряженности электрического поля. В этом случае выходящий из катода поток электронов будет модулирован по плотности с частотой приложенного напряжения.
Активное сопротивление такого диода может принимать отрицательные значения и при отсутствии дополнительной группировки электронов в диодном промежутке. Это хорошо видно на пространственно-временной диаграмме движения электронов в диоде с полевой эмиссией, изображенной на рис. 4а. Сгустки электронов, вырванные из катода в моменты максимума высокочастотного поля, движутся сначала в ускоряющем, а затем в тормозящем поле, и, если угол пролета между катодом и анодом превышает p, активное сопротивление диода отрицательно и достигает максимальной величины при q » 3/2 p (рис. 1.2,а). Дополнительная группировка электронов за счет модуляции по скорости в диодном промежутке играет при этом второстепенную роль. Как условия возбуждения, так и к. п. д. такого генератора могут быть значительно лучшими, чем у диодных генераторов со скоростной модуляцией электронов.
Рис. 4а относится к случаю, когда ток эмиссии мгновенно следует за напряженностью электрического поля. Допустим теперь, что по каким-либо причинам ток эмиссии отстает во времени от напряженности электрического поля. Причины такого запаздывания эмиссии могут быть различными.
Рис. 1.1. Пространственно-временная диаграмма движения электронов в диоде с полевой эмиссией:
а) без запаздывания эмиссии;
б) с запаздыванием эмиссии.
Зависимость активного сопротивления такого диода от угла пролета электронов без учета электронного пространственного заряда схематически изображена на рис. 5б. В идеальном случае КПД такого генератора может достигать больших значений.
Рис. 5. Активное сопротивление диода с полевой эмиссией:
а) без запаздывания эмиссии;
б) с запаздыванием эмиссии.
В предыдущих рассуждениях мы исходили из чисто кинематической модели, пренебрегая влиянием объемного заряда на группировку электронов в диодном промежутке. Между тем это влияние во многих вариантах диодных генераторов отнюдь не мало. Особенно существенна роль объемного заряда в диодах с полевой эмиссией, в которых электронный объемный заряд, снижая напряженность электрического поля у катода, непосредственно влияет на ток эмиссии. По существу электронный объемный заряд создает в диоде своеобразный механизм внутренней отрицательной обратной связи. Если ток эмиссии мгновенно следует за полем, то действие этой отрицательной обратной связи сводится лишь к ограничению протекающего через диод среднего тока. Однако, если эмиссия инерционна, положение существенно меняется.
Отставание тока эмиссии от поля эквивалентно введениию в отрицательную обратную связь запаздывания, что существенно влияет на колебательные свойства системы. Обладая определенными дисперсионными свойствами, такая обратная связь на одних частотах облегчает условия возбуждения автоколебаний в системе, снижая требования к добротности внешнего резонансного контура, а на других, напротив, ухудшает эти условия вплоть до полного подавления автоколебаний. Более того, при некоторых условиях эта связь может оказаться достаточной, чтобы в диоде возникли собственные автоколебания, вообще не нуждающиеся во внешнем добротном резонансном контуре. В этом случае диодный промежуток работает как автоколебательная система, создавая во внешней активной нагрузке импульсы тока с частотой, определяемой временем запаздывания и скоростью «срабатывания» отрицательной обратной связи.
Колебательный процесс в таком генераторе можно схематически представить следующим образом (рис. 6).
Допустим, например, что время пролета электронов в диоде t не зависит от высокочастотного поля и вдвое превышает время запаздывания эмиссии. Пусть в момент времени t=0 к диоду приложена разность потенциалов U0, создающая у катода напряженность поля Е=Е(0), превышающую на DE(0) критическое значение Enp, при котором начинается эмиссия электронов.
Рис. 6. Изменение во времени поля у катода Е(0) и тока IЭ в диоде с запаздывающей эмиссией.
При t=t1=t3 возникает ток IЭ, величина которого определяется полем Е(0) и сохраняется неизменной в течение времени t3. По мере увеличения объемного заряда в диодном промежутке поле у катода снижается и, если плотность тока эмиссии достаточно высока, принимает значения, меньшие Uпр. Эмиссия из катода длится в течение времени, несколько превышающего t3, и затем прекращается. К аноду движется пакет электронов. В момент t2=t+2t3+Dt»3/2t первые электроны пакета достигают анода, поле у катода начинает возрастать. К моменту t2=t+2t3+Dt»3/2t весь пакет электронов выходит из пролетного пространства, поле у катода достигает начальной величины. Затем цикл повторяется. Длительность цикла, т. е. период колебаний, составляет, таким образом, около 2p/w. Добавление поля электронного пространственного заряда нарушает описанные выше фазовые соотношения между током эмиссии и электрическим полем в диодном промежутке, в результате чего на частотах, ниже некоторого значения, активное сопротивление диода становится положительным. Эта так называемая характеристическая частота зависит от запаздывания и крутизны изменения тока эмиссии с полем; она близка к частоте собственных автоколебаний диода.
Изложенные соображения носят общий характер и полностью применимы не только к вакуумным, но и к диодам других типов —диэлектрическим, полупроводниковым и т. п., с учетом, разумеется, специфики движения носителей заряда в твердых телах. В частности, эти соображения имеет непосредственное отношение к механизму работы лавинно-пролетных диодов.
Похожие работы
... диодах используется явление ограничения подвижности электронов в электрических полях с напряженностью выше критической, и в их вольтамперных характеристиках имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Ла-винно-пролетные диоды работают в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода. В диодах Ганна (в структуре этих приборов нет ...
... приводит к появлению сигнала на индикаторном устройстве. Минимальное регистрируемое виброперемещение зависит от собственных шумов генератора, его мощности и стабильности, а также от механической стабильности устройства. Бесконтактное измерение параметров вибраций резонаторным методом возможно и при включении приемно-передающей антенны в частотнозадающую цепь СВЧ генератора, т.е. при ...
... университете в 1986 году, в состав которого входят такие известные ученые, как профессора С.А.Гаряинов, В.П.Дьяконов, Л.Н.Степанова, Ф.Д.Касимов, Н.А.Филинюк, Л.И.Биберман и др. Автор понимает, что сделанный им исторический обзор, в связи со сложностью поставленной задачи, далеко не полный. Поэтому будет благодарен всем, кто внесет свои пожелания или критические замечания по теме статьи. Список ...
... материалы, но наибольшее распространение получили оксиды металлов переходной группы Д. И. Менделеева [от титана (порядковый номер 22) до меди (порядковый номер 29)]. Основные требования, предъявляемые к полупроводниковым материалам таких термисторов, определяются необходимостью обеспечить широкий диапазон номинальных сопротивлений, различный температурный коэффициент сопротивления, малый разброс ...
0 комментариев