固态微波源耿氏二极管振荡器)

　　砷化镓的负阻特性可用半导体能带理论解释。砷化镓是一种多能谷材料，其中具有最低能量的主谷和能量较高的临近子谷具有不同的性质。当电子处于主谷时有效质量m*较小，则迁移率μ较高，当电子处于主谷时有效质量m*较大，则迁移率μ较低。在常温且无外加电场时，大部分电子处于电子迁移率高而有效质量低的主谷，随着外加电场的增大，电子平均漂移速度也增大；当外加电场大到足够使主谷的电子能量增加至0.36eV时，部分电子转移到子谷，在那里迁移率低而有效质量较大，其结果是随着外加电压的增大，电子的平均漂移速度反而减小。

　　在耿氏二极管两端加电压，当管内电场E略大于ET（ET为负阻效应起始电场强度）时，由于管内局部电量的不均匀涨落（通常在阴极附近），在阴极端开始生成电荷的偶极畴；偶极畴的形成使畴内电场增大而使畴外电场下降，从而进一步使畴内的电子转入高能谷，直至畴内的电子全部进入高能谷，畴不再长大。此后，偶极畴在外电场作用下以饱和漂移速度向阳极移动直至消失。而后整个电场重新上升，再次重复相同的过程，周而复始地产生畴的建立、移动和消失，构成电流的周期性振荡，形成一连串很窄的电流，这就是耿氏二极管的振荡原理。

　　耿氏二极管的工作频率主要有偶极畴的渡越时间决定。实际应用中，一般将耿氏管装在金属谐振腔中做成振荡器，通过改变腔体内的机械调谐装置可在一定范围内改变耿氏振荡器的工作频率。

　　谐振腔是两端封闭的金属导体空腔，具有储能、选频等特性。常见的谐振腔有矩形和圆柱形两种，本实验采用反射式矩形谐振腔。谐振腔有载品质因数可由

　　其中f0、fs分别为谐振腔放入样品前后的谐振频率，V0、Vs分别为谐振腔体积和样品体积，Δ（1/QL）为样品放入前后谐振腔有载品质因数的倒数的变化，即

　　式中ε为复介电常数，ε0为真空介电常量，εr为介质材料的复相对介电常量，ε’、ε’’分别为复介电常量的实部和虚部。

　　由于存在驰豫，电介质在交变电场的作用下产生的电位移滞后一个相位角*，且有

　　因为电介质的能量损耗与tgδ成正比，因此tgδ也称为损耗因子或损耗角正切。

　　教学实验室常用的微波振荡器除了反射速调管振荡器外，还有耿氏（或称体效应）二极管振荡器，也称之为固态源。

　　耿氏二极管振荡器的核心是耿氏二极管。耿氏二极管主要是基于n型砷化镓的导带双谷——高能谷和低能谷结构。1963年耿氏在实验中观察到，在n型砷化镓样品的两端加上直流电压，当电压较小时样品电流随电压增高而增大；当电压V超过某一临界值Vth后，随着电压的增高电流反而减小（这种随电场的增加电流下降的现象称为负阻效应）；电压继续增大（VVb）则电流趋向饱和。这说明n型砷化镓样品具有负阻特性。

　　如果在矩形谐振腔内插入一圆柱形样品棒，样品在腔中电场的作用下就会被极化，并在极化的过程中产生能量损失。因此，谐振腔的谐振频率和品质因数将会变化。

　　根据电磁场理论，电介质在交变电场的作用下，存在转向极化，且在极化时存在驰豫，因此它的介电常数为复数：

　　如果所用样品体积远小于谐振腔体积，则可认为除样品所在处的电磁场发生变化外，其余部分的电磁场保持不变，因此可用微扰法处理。选择TE10p（p为奇数）的谐振腔，将样品置于谐振腔内微波电场最强处而磁场最弱处，即x=a/2，z=l/2处，且样品棒的轴向与y轴平行。

　　假设介质棒是均匀的，而谐振腔的品质因数又较高，根据谐振腔的微扰理论可得下列关系式