За десятилетия, прошедшие со времени появления первых полупроводниковых приборов СВЧ - детекторных и смесительных СВЧ диодов, полупроводниковая электроника СВЧ утвердилась как одна из важнейших отраслей радиоэлектроники. Особенно интенсивное развитие этой отрасли как самостоятельного научно - технического направления началось в 50 - е годы после изобретения диода с переменной емкостью (Б.М. Вул, 1954 г.) и туннельного диода (Л. Изаки, 1958 г.).
К концу 50 - х годов имелся уже целый ряд полупроводниковых приборов, обеспечивавших высокочувствительный прием, усиление и преобразование СВЧ сигналов. Однако в этом ряду отсутствовало важнейшее звено - эффективные полупроводниковые источники СВЧ мощности, необходимые для создания передатчиков СВЧ, гетеродинов, генераторов накачки параметрических усилителей и т.п.
Первыми генераторными полупроводниковыми приборами, обеспечившими эффективное преобразование энергии постоянного тока в энергию колебаний СВЧ, стали ЛПД. Создание ЛПД, не уступающим по своим электрическим характеристикам традиционным вакуумным СВЧ приборам, но имеющих значительно меньшие габариты, вес, питающие напряжения, большую долговечность и т.п., позволило впервые приступить к комплексной миниатюризации СВЧ аппаратуры и разработке СВЧ устройств, целиком состоящих из твердотельных элементов. Без преувеличения можно сказать, что ЛПД произвели революцию в технике СВЧ.
Первые ЛПД были созданы в СССР на основе открытия А.С. Тагером, А.И. Мельниковым, Г.П. Кобельковым и А.М. Цебиевым в 1959 г. явления генерации и усиления СВЧ колебаний при лавинном пробое полупроводниковых диодов (Диплом на открытие № 24. Приоритет от 29. 10. 1959 г.). Позднее это явление было всесторонне изучено, определены и исследованы физические процессы, лежащие в его основе, созданы развернутая теория явления и основы технологии изготовления ЛПД, позволившие значительно (на 4 - 5 лет) раньше, чем за рубежом, начать практические разработки этого нового класса полупроводниковых приборов и СВЧ устройств на их основе.
Открытие явления генерации и усиления колебаний СВЧ при лавинной ионизации в полупроводниках было сделано в процессе экспериментального исследования нелинейных высокочастотных эффектов в германиевых диффузионных диодах в условиях лавинной ионизации и явилось результатом систематического изучения возможностей использования горячих электронов в полупроводниках для генерирования и усиления колебаний СВЧ.
Первоочередной задачей дальнейших работ было всестороннее изучение физической природы и основных закономерностей открытого явления. В результате экспериментальных и теоретических исследований А.С. Тагером с сотрудниками было показано, что открытое явление обусловлено высокочастотной неустойчивостью плазмо - горячих носителей заряда, возникающей вблизи барьерного контакта полупроводникового диода в результате лавинного процесса ударной ионизации атомов кристалла в сильных электрических полях. Неустойчивость вызвана инерционностью ударной ионизацией и конечным временем пролета носителей заряда через обедненный слой. Диоды, в которых описанный эффект приводит к формированию динамического отрицательного сопротивления (ДОС) в определенном интервале сверхвысоких частот, были названы авторами открытия лавинно - пролетными диодами.
А.С. Тагером с сотрудниками впервые развита достаточно общая физическая модель лавинно - пролетной неустойчивости, разработана теория явления, предсказан ряд новых интересных физических эффектов (возбуждение собственных автоколебаний лавинной плазмы, отрицательное дифференциальное сопротивление диодов с p – i – n структурой при лавинной ионизации и т.п.). Теоретический анализ позволил сделать важный вывод, что ЛПД могут быть созданы на основе различных полупроводниковых материалов и структур и обладать ДОС во всем диапазоне СВЧ, включая коротковолновую часть миллиметрового диапазона длин волн.
Поскольку эффект ДОС в широком диапазоне СВЧ наблюдался впервые, потребовалась разработка специальных методов его экспериментального исследования. Были созданы оригинальные методики измерения полного сопротивления и спектра шумов диодов с ДОС, а также их импульсных и тепловых характеристик, которые применяются в настоящее время при исследовании и производстве ЛПД и других СВЧ диодов с ДОС.
В результате подробного сопоставления экспериментальных и теоретических данных в различных частотных диапазонах (начиная от низких и видеочастот и кончая диапазонами сантиметровых и миллиметровых волн) удалось полностью прояснить физическую картину явления, с единых позиций объяснить все особенности наблюдаемых закономерностей и создать тем самым надежную базу для дальнейших прикладных исследований.
Эти исследования, выполненные впервые в мире, показали, что возможности практического применения явления лавинно – пролетной неустойчивости чрезвычайно многообразны. Было установлено, в частности, что ЛПД могут служить активными элементами самых различных СВЧ устройств:
- автономных генераторов монохроматических сигналов (ГЛПД), в том числе генераторов с широким диапазоном механической и электрической перестройки частоты, многодиодных генераторов повышенной мощности, использующих эффект когерентного излучения нескольких ЛПД, генераторов для активных фазированных решеток и др.;
- генераторов, синхронизируемых внешним сигналом как на основной частоте, так и на ее гармониках и субгармониках при рекордно низких мощностях синхронизирующего сигнала (СГЛПД);
- регенеративных и автопараметрических усилителей СВЧ (УЛПД);
- генераторов калиброванного шумового сигнала (ГШЛПД) и ряда других.
Предложенные А.С. Тагером и А.Д. Ходневичем схемы сложения мощностей нескольких диодов при параллельном включении в общем резонаторе, наряду со схемой Куракавы, составляют «золотой фонд» мировой электроники СВЧ.