Генератор с ограничением накопления объемного заряда – это генератор Ганна, работающий в режиме неполного формирования домена.
Предположим, что кроме постоянного смещения, большего
,
где – пороговая напряженность поля, к прибору приложено также синусоидальное напряжение достаточно большой амплитуды (рис. 7.8).
В этом случае часть периода напряжение на приборе будет меньше порогового значения ().
Пока мгновенные значения напряжения в приборе больше, чем пороговое напряжение Eпор l, у катода формируется домен. Однако если прибор поместить в резонатор, настроенный на достаточно большую частоту, то домен, не успев сформироваться, начнет рассасываться, так как суммарное напряжение смещения и колебаний резонатора в следующую часть периода будет меньше, чем пороговое напряжение Eпор l.
Во время формирования домена ток, проходящий через прибор, уменьшается, а во время рассасывания возрастает. Поэтому возникают периодические колебания тока, но период этих колебаний определяется уже не пролетным временем домена, а частотой резонатора. Такие генераторы называют генераторами с ограничением накопления объемного заряда (ОНОЗ). Этот режим работы генератора Ганна был обнаружен в 1966 г.
Для установления режима ОНОЗ необходимо выполнение ряда условий. Прежде всего, нужно, чтобы домен не успел сформироваться за то время, пока напряжение на генераторе превышает пороговое значение (Eпор l), период колебаний (Т) должен быть меньше (2…3), где – максвелловское время релаксации для материала в состоянии с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
За то время, пока мгновенные значения напряжения на генераторе меньше порогового напряжения (Eпор l), возникший у катода домен должен успеть полностью исчезнуть. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы период колебаний был много больше максвелловского времени релаксации для материала, находящегося в слабом
электрическом поле. Таким образом, для существования режима ОНОЗ необходимо выполнение условий:
и
или
,
где и – подвижности электронов в слабом поле и при наличии отрицательного дифференциального сопротивления.
Одним из преимуществ генераторов с ОНОЗ перед генераторами Ганна является независимость частоты генерируемых колебаний от толщины кристалла. Другое, более важное, их преимущество – возможность получения больших мощностей генерации на более высоких частотах. Генераторы с ОНОЗ могут быть изготовлены из относительно толстых пластинок высокоомного арсенида галлия, что позволяет подавать на такие приборы значительные напряжения.
С помощью генераторов с ОНОЗ можно достичь мощности непрерывных колебаний порядка десятых долей ватта в диапазоне 30…300 ГГц с КПД, равным 20 %, и сотен ватт в импульсном режиме.