固態(tài)微波源（耿氏二極管振蕩器）

1、 固態(tài)微波源（耿氏二極管振蕩器)：教學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的微波振蕩器除了反射速調(diào)管振蕩器外，還有耿氏（或稱體效應(yīng)）二極管振蕩器，也稱之為固態(tài)源。耿氏二極管振蕩器的核心是耿氏二極管。耿氏二極管主要是基于n型砷化鎵的導(dǎo)帶雙谷高能谷和低能谷結(jié)構(gòu)。1963年耿氏在實(shí)驗(yàn)中觀察到，在n型砷化鎵樣品的兩端加上直流電壓，當(dāng)電壓較小時(shí)樣品電流隨電壓增高而增大；當(dāng)電壓V超過某一臨界值Vth后，隨著電壓的增高電流反而減?。ㄟ@種隨電場(chǎng)的增加電流下降的現(xiàn)象稱為負(fù)阻效應(yīng)）；電壓繼續(xù)增大（VVb）則電流趨向飽和。這說明n型砷化鎵樣品具有負(fù)阻特性。砷化鎵的負(fù)阻特性可用半導(dǎo)體能帶理論解釋。砷化鎵是一種多能谷材料，其中具有最低能量的主谷

2、和能量較高的臨近子谷具有不同的性質(zhì)。當(dāng)電子處于主谷時(shí)有效質(zhì)量m*較小，則遷移率較高，當(dāng)電子處于主谷時(shí)有效質(zhì)量m*較大，則遷移率較低。在常溫且無外加電場(chǎng)時(shí)，大部分電子處于電子遷移率高而有效質(zhì)量低的主谷，隨著外加電場(chǎng)的增大，電子平均漂移速度也增大；當(dāng)外加電場(chǎng)大到足夠使主谷的電子能量增加至0.36eV時(shí)，部分電子轉(zhuǎn)移到子谷，在那里遷移率低而有效質(zhì)量較大，其結(jié)果是隨著外加電壓的增大，電子的平均漂移速度反而減小。在耿氏二極管兩端加電壓，當(dāng)管內(nèi)電場(chǎng)E略大于ET（ET為負(fù)阻效應(yīng)起始電場(chǎng)強(qiáng)度）時(shí)，由于管內(nèi)局部電量的不均勻漲落（通常在陰極附近），在陰極端開始生成電荷的偶極疇；偶極疇的形成使疇內(nèi)電場(chǎng)增大而使疇外電

3、場(chǎng)下降，從而進(jìn)一步使疇內(nèi)的電子轉(zhuǎn)入高能谷，直至疇內(nèi)的電子全部進(jìn)入高能谷，疇不再長(zhǎng)大。此后，偶極疇在外電場(chǎng)作用下以飽和漂移速度向陽極移動(dòng)直至消失。而后整個(gè)電場(chǎng)重新上升，再次重復(fù)相同的過程，周而復(fù)始地產(chǎn)生疇的建立、移動(dòng)和消失，構(gòu)成電流的周期性振蕩，形成一連串很窄的電流，這就是耿氏二極管的振蕩原理。耿氏二極管的工作頻率主要有偶極疇的渡越時(shí)間決定。實(shí)際應(yīng)用中，一般將耿氏管裝在金屬諧振腔中做成振蕩器，通過改變腔體內(nèi)的機(jī)械調(diào)諧裝置可在一定范圍內(nèi)改變耿氏振蕩器的工作頻率。微波介質(zhì)特性的測(cè)量諧振腔是兩端封閉的金屬導(dǎo)體空腔，具有儲(chǔ)能、選頻等特性。常見的諧振腔有矩形和圓柱形兩種，本實(shí)驗(yàn)采用反射式矩形諧振腔。諧振腔

4、有載品質(zhì)因數(shù)可由Q=(1)測(cè)定。其中f0為諧振腔諧振頻率，f1、f2分別為半功率點(diǎn)頻率。如果在矩形諧振腔內(nèi)插入一圓柱形樣品棒，樣品在腔中電場(chǎng)的作用下就會(huì)被極化，并在極化的過程中產(chǎn)生能量損失。因此，諧振腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)將會(huì)變化。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，電介質(zhì)在交變電場(chǎng)的作用下，存在轉(zhuǎn)向極化，且在極化時(shí)存在馳豫，因此它的介電常數(shù)為復(fù)數(shù)：=r0=0(-j).(2)式中為復(fù)介電常數(shù)，0為真空介電常量，r為介質(zhì)材料的復(fù)相對(duì)介電常量，、 分別為復(fù)介電常量的實(shí)部和虛部。由于存在馳豫，電介質(zhì)在交變電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的電位移滯后一個(gè)相位角*，且有tg=/.(3)因?yàn)殡娊橘|(zhì)的能量損耗與tg成正比，因此tg也稱為損耗因子或損耗角正切。如果所用樣品體積遠(yuǎn)小于諧振腔體積，則可認(rèn)為除樣品所在處的電磁場(chǎng)發(fā)生變化外，其余部分的電磁場(chǎng)保持不變，因此可用微擾法處理。選擇TE10p（p為奇數(shù)）的諧振腔，將樣品置于諧振腔內(nèi)微波電場(chǎng)最強(qiáng)處而磁場(chǎng)最弱處，即x=a/2，z=l/2處，且樣品棒的軸向與y軸平行。假設(shè)介質(zhì)棒是均勻的，而諧振腔的品質(zhì)因數(shù)又較高，根據(jù)諧振腔的微擾理論可得下列關(guān)系式= -2(-1)，= 4 。（4）由此可求得=+1， =其中f0、fs分別為諧振腔放入樣品前后的諧振頻率，V0