固态微波源耿氏二极管振荡器)

　　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。

　　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：

　　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。

　　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

　　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。

　　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。