при использовании такого перехода в качестве инжектора сгустков электронов в дрейфовое пространство, где действует СВЧ-поле, можно обеспечить передачу энергии электронов этому полю. Схема взаимодействия в таких приборах с PC изображена на рис. 2.16, б. У катода располагается р^-/г-переход (знак плюс означает повышенную концентрацию носителей в областях полупроводника с примесной электропроводностью и более высокой степенью легирования), который называется слоем лавинного умножения. За p-rt-ne-реходом располагается область полупроводника с собственной г-электропро-водностью. Эта область имеет протяженность s и является дрейфовым (пролетным) пространством, где и происходит взаимодействие электронов с полем. У анода располагается узкая область с электропроводностью /г^-типа. В этой области имеет место малое падение напряжения.

Когда к диоду прикладывают постоянное напряжение, несколько большее и„р, распределение электрического поля в приборе имеет вид, изображенный на рис. 2.16, в. В области р'-л-перехода поле имеет

максимальное значение, близкое к пробивному. В пролетном пространстве поле значительно меньше, но превышает значение поля, при котором происходит насьицение дрейфовой скорости электронов.

п п

ж гж зж ж cot

Рис. 2.16. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода (а), схема взаимодействия в лавинно-пролет-ных приборах (б) и распределение в них электрического поля (в), про странствеино-временные диаграммы движения электронов (г); временные зависимости конвекционного (1) и наведенного (2) токов (с*)

Когда к диоду прикладывают еще и переменное напряжение Ui = Ui sin со/, то пробо11 наступает при отрицательной фазе этого напряжения: равномерный электронный поток небольшой плотности превращается в электронный поток, состоящий из сгустков электронов. Процесс образования сгустков имеет инерционный характер. На низких частотах (НЧ) эта инерция не проявляется и процесс образования сгустка по фазе не отстает от напряжения (напряженности), поэтому на НЧ сгусток начинает образовываться в момент, когда со/ л/2. На СВЧ наблюдается отставание по фазе процесса формирования сгустков от поля приблизительно на со/ га я/2, поэтому сгусток образуется в момент, когда со/ = я (рис. 2.16, г). Этот сгусток инжектируется в пролетное пространство s (см. ток конвекции / на рис. 2.16, д). Далее происходит его дрейф (что изображено на рис. 2.16, г пространственно-временными диаграммами). При движении сгусток создает во внешней цепи наведенный ток 2 (рис. 2.16, д).

Следует заметить, что в результате ионизации образуются электронно-дырочные пары. Дырки, двигаясь к катоду, в данном случае не участвуют в полезном энергообмене.*

В пролетном пространстве напряженность электрического поля значительно меньше пробивного значения и ударная ионизация здесь практически отсутствует. Однако поле в этой области превышает значение, при котором происходит насыщение дрейфовой скорости носителей. Поэтому можно считать, что все электроны дрейфуют с одинаковой скоростью и имеют одинаковое время пролета т„р.

Условия передачи энергии электронов СВЧ-полю будут наилучшими, если угол пролета 6 = оп р = ojs/u,p = я или / = Удр/(25). В этом случае электроны дрейфуют в пространстве S при тормозящей фазе напряжения и отдают свою энергию СВЧ-полю.

Рассмотренный режим работы прибора называется пролетным. В приборах с лавинным пробоем можно реализовать и другие режимы работы (см. § 10.3).

* На практике используют приборы с двумя пролетными пространствами: одно для электронов, другое для дырок. Тогда дырки, так же как и электроны, участвуют в полезном энергообмене.

§ 2.4. СОЗДАНИЕ ПОТОКОВ ЭЛЕКТРОНОВ В ПРИЕОР.\Х СВЧ

Электронные потоки в приборах СВЧ создают с помощью катодов или электронных пушек (в вакуумных приборах) и с помощью полупроводниковых структур (в твердотельных приборах).

В катодах используется явление термоэлектронной или вторичной электронной эмиссии. Они испускают электроны или в результате подогрева (подогревной или термоэлектронный катод), или в результате его бомбардировки первичными электронами (х о -л о д н ы й катод). Катод является важнейшим конструктивным элементом электронных приборов СВЧ, обычно определяя срок их службы.

Катод характеризуется следующими параметрами: работой выхода (эВ); рабочей гемпературой (К); эффективностью (мА/Вт); плотностью тока (А/см); сроком службы (ч).

Катод состоит из основания (корпуса или керна), активного покрытия и подогрева 1еля (у подогревного катода). Керны выполняют из листового никеля или молибдена, обычно они имеют форму трубочек круглого или прямоугольного сечения.

Подогреватели изготовляют из вольфра.мовой (иногда с примесью молибдена) проволоки в виде спиралей различной формы (обычной, бифилярной, складчатой, двойной и т.д.). Активное покрытие наносят сверху на керн. Тип катода и его основные параметры определяются преимущественно активным [юкрытием.

В катодах приборов СВЧ используют оксидные покрытия на основе соединений бария, кальция, стронция с добавлением тория. Следует заметить, что эмиссионную активность определяет в основном барий, а остальные компоненты добавляют для получения заданных механических свойств.

Обычные оксидные катоды имеют очень малую работу выхода (1,1-1,3 эВ), очень большую эффективность (60- 80 мА/Вт), обеспечивают сравнительно большие плотности тока (0,5 А/см в непрерывном режиме и 300 А/см в импульсном). Однако они легко окисляются, чувствительны к бомбардировке ионами или электронами. Кроме того, с увеличением частоты сопротивление таких катодов возрастает и достигает максимума (1-10 Ом при X = \0 см) Это вызывает дополнительные потери в генераторах.