Величина ТКUст при значительном изменении температуры (50 1000С) часто оказывается неприемлемой. Тогда применяют последовательное соединение полупроводниковых стабилитронов с диодами, работающими в прямом направлении, в которых ТКН обычно отрицателен (такое решение применнено в стабилитроне Д818).

Изменение знака ТКUст происходит при концентрации примеси около 51022 м3. В этой области (Uст = 5 6 В) изменения напряжения стабилизации с ростом температуры минимальны.

Стабилизацию постоянного напряжения можно также получить, используя диод, включенный в прямом направлении.

Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами (рис.30,б). Полупроводниковый материал для таких приборов должен содержать высокую концентрацию примеси (т.к. требуется снизить сопротивление базы диода и уменьшить дифференциальное сопротивление при прямом смещении), что понижает температурный коэффициент напряжения стабилизации стабистора и изменения прямой ветви ВАХ.

Главной особенностью этих приборов является меньшее напряжение стабилизации.

Реальные ВАХ стабисторов имеют вид рис.34, а конструктивно они оформляются так же, как и стабилитроны.

Рис.34

Кроме перечисленных выше параметров, для стабилитронов следует еще назвать:

Минимальный ток стабилизации Iст мин - здесь он определяет значение прямого тока, ниже которого крутизна ВАХ резко уменьшается, и соответственно дифференциальное сопротивление существенно увеличивается по сравнению с его значением на рабочем участке.

Максимальный ток Iст макс - наибольшее значение тока стабилизации, при котором нагрев прибора не выходит за допустимые пределы.



11. Диоды сверхвысоких частот (СВЧ)

По принципу действия полупроводниковые СВЧ диоды можно разделить на 2 группы : точечные и плоскостные.

Точечные - исторически первые СВЧ диоды (используются для детектирования и преобразования частоты).

Плоскостные (чаще диоды с барьером Шотки - ДБШ) - диод со структурой металл-полупроводник, в которой металл нанесен методом напыления. Они высокотехнологичны, с хорошей повторяемостью параметров и с ВАХ близкой к идеальной.

Условно все диоды по принципу фукнкционирования можно представить следующей схемой

Рис.35

В современной аппаратуре СВЧ диоды выполняют самые различные функции (реализованы и пленочные варианты для ГИС):

смешение (преобразование) частот (А101-199);

детектирование; (А201-299);

модуляторные (А301-399);

усиление сигналов (параметрические А401-499);

переключение высокочастотных трактов и управление (А501-599);

умножение и деление частоты (А601-699);

генерирование колебаний (А701-799) и т.д.

Первым элементом маркировки является материал, используемый для его изготовления (Г или 1, К или 2, А или 3 и т.д., как и в обычной классификации). Второй - буква русского алфавита А - СВЧ диоды, В - варикапы, И - ТД и ОД, Б - приборы на объемных эффектах и т.п. Третий элемент основное назначение 1 - смесительные, 2 - детекторные и т.д. Четвертый элемент - номер разработки.

Понятно, что такое многообразие функций обеспечивается и соответствующей номенклатурой, хотя классификация диодов по области их применения на СВЧ не всегда оправдана. Один и тот же диод может использоваться в различных устройствах, например, в аттенюаторах или фазовращателях, в умножителях, делителях, преобразователях и параметрических усилителях, а такой диод как туннельный (ТД) кроме указанных выше функций способен, кроме того, еще и генерировать СВЧ колебания.

Логичнее иногда различать СВЧ диоды по их принципу действия, по типу диодной структуры, по конструктивному оформлению и т.д.

12.Смесительные и детекторные диоды СВЧ

полупроводниковый конденсатор диод

Нелинейное сопротивление в таких диодах создается преимущественно с помощью контакта металл-полупроводник (ДБШ) в виде мезапланарной структуры, либо точечно-контактных р-п-переходов. Используются также туннельные и обращенные диоды (ТД и ОД) , представляющие р-п-переходы вырожденных полупроводников.

Смесительные диоды применяются главным образом в узкополосных приемниках супергетеродинного типа (этот принцип приема повышает чувствительность приемников на 30-40 дБ) для преобразования частоты (выделения промежуточной), которая обычно составляет десятки МГц и получается как разность частот гетеродина (местного генератора) и сигала fпч = (fг - fс). Преобразование частоты обусловлено нелинейностью ВАХ диода, которая для диода с барьером Шотки (применяемы еще в качестве детекторов, смесителей, умножителей частоты, вытесняя точечные) и контактов металл-полупроводник имеет вид.

где n - коэффициент неидеальности р-п- перехода (для ДБШ n = 1,03 1,05), n = 1,15…2,0 для точечно-контактных диодов.

Эквивалентная схема СВЧ диода приведена на рис.36 и содержит как параметры корпуса или объема полупроводника с контактными выводами, так и нелинейные составляющие - собственно полезные параметры, реализующие эффект преобразования.

Поскольку смесительные диоды работают при значительной мощности гетеродина то их эквивалентные схемы удобно представить в виде двух схем для прямого и обратного полупериодов т.е. рис.37

Рис.36 Рис.37

Тогда, предельная частота, определяемая как частота на которой отношение обратного и прямого сопротивлений уменьшается до (2)0,5, равна



Zпр = rg ; Zобр = [rg + (2Cп2)-1]0,5,

Zобр /Zпр = [rg + (2Cп2)-1]0,5/rg =(2)0,5,

Откуда

fпред = 1/2rg Cп .

Паразитные параметры схемы диода L, Ск компенсируют введением органов настройки диодных камер. В этом случае эффективность работы диода в зависимости от частоты сигнала можно оценить, исходя из учета емкости С и сопротивлений rб и rп.

Полное сопротивление диода записывается в виде

,

где круговая частота.

Мощность сигнала, рассеиваемая на сопротивлении диода с учетом принятых на рис.36 обозначений

,

где Re(1/Z) активная составляющая проводимости диода на частоте сигнала

.



Напряжение Uбв, подводимое непосредственно к нелинейной проводимости контакта, составляет некоторую величину от общего напряжения Uаб, а именно

Отношение U2бв/U2аб можно назвать коэффициентом использования мощности подводимого сигнала 2, который будет максимален при минимальной частоте сигнала, либо пренебрежимо малой емкости

.

С целью повышения коэффициента использования подводимого сигнала разрабатывают диоды, корпуса которых, совместно с унифицированными диодными камерами, составляют согласующие трансформаторы. При этом различают следующие конструктивные оформления диодов рис.37: а патронный; б коаксиальный; в волноводный; г бескорпусные в стеклянном корпусе; д - полосковые; е - типа таблетки и ж - типа «кроватка» и др.

а б в, г д,е

Рис.37



Следует отметить, что в ДБШ величина нелинейной барьерной емкости практически равна нулю, т.к. в них отсутствует инжекция неосновных носителей, а нелинейность ВАХ сохраняется до частот см и мм диапазона.

Детекторные диоды. Принцип работы и основные требования к их параметрам аналогичны смесительным диодам.

Детекторы применяются в широкополосных приемниках прямого усиления для детектирования СВЧ сигнала (выделение огибающей сигнала), а также в измерительной технике в качестве индикаторов СВЧ колебаний. Работают, из-за малого уровня сигнала в режиме квадратичного детектирования. (Это несложно доказать. Если условиться, что на входе детектора действует сигнал вида ), то подставляя его в выражение для ВАХ и разлагая полученное соотношение вряд, получим

,

где b = q/(nkT), I1 = I0 + Is. Откуда следует, что активное сопротивление перехода rn = 1/(bI1) = nkT/[e(I0 + I1)], а выпрямленный ток, обусловленный входной мощностью, пропорционален квадрату СВЧ напряжения Um на переходе

,

где СВЧ мощность, поглощенная в переходе.

Детекторный диод работает при малых уровнях СВЧ сигнала и элементами эквивалентной схемы (рис.36) пренебречь нельзя. Предельной частотой считают частоту при которой на сопротивлении растекания (сопротивление базы) рассеивается 0,5 падающей на диод мощности



Zвх = rg +(1/rп + jCп)-1 = rg + rп/(1+jCпrп) =

= rg + rп/(1+ 2Cп2r2п) - jCпrп2/(1+2Cп2rп2),

откуда

fпред = (2rпCп )-1(Rп/rg -1)0,5,

т.к. в детекторах должно выполняться условие rп >> rg , то

.

Конструктивно детекторные диоды оформляются аналогично смесительным, а их параметрами являются :

КСВ коэффициент стоячей волны (измеряется с помощью измерительной лини при мощности не более 10 мкВт, чтобы соблюдался режим малого сигнала); .

шумовое отношение определяется как отношение номинальной (т.е. отдаваемой в согласованную нагрузку) мощности шума (Рш ном) в интервале частот на выходе диода в рабочем режиме к номинальной мощности теплового шума kТ0 активного сопротивления, находящегося при комнатной температуре Т0 (Т0 = 2900К), т.е. . В определение не входит сопротивление диода, но его необходимо знать для оценки Рш ном. Данное определение, общее по форме, имеет различное содержание для детекторных и смесительных диодов. В то время как уровень шума детекторного диода определяется величиной постоянного смещения (статический режим), уровень шума смесительных - представляет собой усредненное значение за период колебания гетеродина (динамический режим). Интервал частот , входящий в формулу, соответствует полосе пропускания приемного устройства. Для детекторного диода шумовое отношение обычно относят к полосе частот 50 кГц - 1,5МГц (что соответствует спектру видеоимпульса), в то время как для смесительных диодов относят к промежуточной частоте fпч=10 - 50 МГц, при менее 10 МГц. Остальные параметры специфические, для детекторных диодов:

чувствительность по току i0 к подводимой СВЧ мощности СВЧ=i0/РСВЧ, а сопротивление цепи выпрямленного тока не должно превышать (3-5)% от наименьшего номинального значения сопротивления диода в рабочей точке (для обеспечения режима короткого замыкания);

сопротивление в рабочей точке Rвых измеряется без подачи СВЧ мощности (на диод подают около 5 мВ от звукового генератора через сопротивление, много большее сопротивления диода, а измеряемое падение напряжения на нем пропорционально его сопротивлению в рабочей точке) ламповым вольтметром проградуированным в единицах Rвых;

добротность - М вычисляется по формуле

,

где RA шумовое сопротивление реального усилителя (в пределах 1,0-1,2 КОм для БТ схем и более 1 МОм для ПТ).

Специфические параметры для смесительных диодов:

выходное сопротивление - аналогично случаю детекторных диодов, но с подведением мощности гетеродина СВЧ, в соответствующей рабочей точке,

выпрямленный ток - необходим для оценки уровня мощности СВЧ гетеродина, определяется как возникающий при этом ток в цепи смещения при сопротивлении 50-100 Ом,

потери преобразования - L вычисляются как



L = 10 lg m2PвхRн/U2, дБ или L = 10 lg(Pвх/Pпч), дБ,

где Рвх - средняя мощность СВЧ колебаний; Rн - сопротивление нагрузки в цепи ПЧ, равное среднему Rвых диода данного типа; U - действующее напряжение ПЧ (либо частоты модуляции при измерении модуляционным способом); m - глубина модуляции;

нормированный коэффициент шума F - определяется расчетным путем

F = kT0 t/(kTL-1CВЧ) = t LСВЧ.

Все перечисленные параметры диодов этого типа существенно зависят как от выбора рабочей точки, температуры, так и от уровня входного сигнала. В качестве примера на рис.38 приведены зависимости параметров Rвых, СВЧ, М, t от тока положительного смещения детекторных диодов, от температуры и параметров F, L, I, t от мощности гетеродина смесительных диодов. На рис.38,б приведен пример диода Шотки с балочными выводами, выполненными для снижения величины паразитной индуктивности.

Переключающие и ограничительные диоды

Это диоды с р-п-переходом или с р-i-n структурой. Работа переключающего диода с р-п-переходом основана на эффекте изменения импеданса (полного сопротивления) р-п-перехода в зависимости от напряжения смещения. В таких диодах при прямом смещении сопротивление р-п-перехода быстро убывает с ростом тока смещения и при токе более 10 50 мА становится малым по сравнению с сопротивлением базы, т.е. эквивалентная схема (рис.39,а) диода принимает вид рис.39,б.

При обратном смещении схема изменяется, как показано на рис.39,в т.к. величина сопротивления и ею можно пренебречь.



а б в

Рис.39

а б

Рис.40

Если диод включен так, как показано на рис.40,а, то имеем (проходной) переключатель параллельного типа, а в случае рис.40,б последовательного.

Для определения мощности на нагрузке, представим эти переключатели в виде соответствующих схем рис.41 а, и б :

а б

Рис.41

Откуда для параллельной схемы переключателя получим мощность на нагрузке в виде



,

а мощность на выходе при отсутствии нагрузки

.

Отношение полученных величин определяет потери преобразования

.

И аналогично для последовательной схемы

.

Таким образом, если ZД 0 то L . При этом для параллельной схемы закрытое состояние ZД = 0, а открытое ZД = .

Следовательно, такие схемы имеют два состояния - пропускания и запирания и могут характеризоваться потерями передачи П, определяемыми отношением падающей мощности к прошедшей. Последние отношения определяются импедансом диода Z и (в разах) имеет вид: .

Величина П должна быть по возможности большей в состоянии запирания (потери запирания Пз для диода с р-п-переходом определяются как Пз = (1-) и малой в состоянии пропускания Пп (определяются следующим образом Пп = (1+, где ).

Качество переключающего диода оценивается отношением потерь пропускания и запирания

Как и для импульсных диодов оно оценивается временем переключения (временем перехода диода из одного состояния в другое при мгновенном изменении управляющего напряжения).

В устройствах СВЧ переключающие диоды применяются для управления СВЧ мощностью, переключения каналов, фазовой манипуляции (фазовращатели), защиты входных устройств от выгорания. Следует различать управляемые (питающим напряжением) и самоуправляемые устройства (за счет падающей мощности).

В переключающих СВЧ - диодах используются в основном р-i-n-структуры. (При прямом смещении за счет инжекции электронов из n-области и дырок из р-области сопротивление i-слоя уменьшается и полупроводниковая структура представляет собой малое активное сопротивление, значение которого определяется постоянным током через диод рис.4 Частота СВЧ сигнала оказывается настолько большой, что за половину периода колебаний электроны и дырки не успевают сместиться на расстояние, соизмеримое с толщиной i-слоя (доли мм). Накопленный в базе заряд реагирует в основном на низкочастотный управляющий сигнал. При обратном смещении р-i-n-диод эквивалентен емкости с малыми потерями, а в прямом - это регулируемое током активное R, которое может изменяться от нескольких 10 КОм до нескольких Ом.

Как правило диод работает при Iпр = 100 200 мА; rпр< 2,0 Ом при этом сопротивление остается низким даже при высоких уровнях СВЧ мощности, вследствие того, что в i- слое накоплен большой заряд.

Быстродействие определяется временем восстановления, которое зависит от накопленного заряда, т.е. от толщины i-слоя, времени жизни носителей и соотношения прямого и обратного токов (для уменьшения tв используют режим с большим вытягивающим обратным полем).

Выпускают р-i-n-диоды на различную рассеиваемую мощность и быстродействие. Емкость от 0,1 до 3 пФ, тепловое сопротивление до единиц 0С/Вт, мощность от единиц мВт до Р = n 100 Вт непрерывной и несколько десятков КВт импульсной мощности, tв = 10 1 мкс.

Рис.42 Рис.43

Диоды с барьером Шотки и с р-n-переходом имеют еще большее быстродействие, но работают лишь при низких уровнях мощности, поскольку обладают выпрямительными свойствами и при больших падающих мощностях переходят в режим малого сопротивления.

Предельная коммутируемая мощность зависит от параметров диода (предельной рассеиваемой мощности), способа включения в линию передачи (с целью расширения полосы снижают индуктивность диода, согласовывают короткозамкнутыми или холостыми шлейфами).

Характерная зависимость прошедшей мощности Рпрош и потерь передачи П от величины падающей мощности Рпад при использовании ограничительного диода имеет вид рис.44, где - импеданс на основной частоте.

При малой мощности передачи, когда потери передачи близки к единице (участок 1). Затем с ростом Рпад величина резко уменьшается, и потери растут (участок II). С ростом мощности, когда выполняется неравенство << rв импеданс диода становится равным сопротивлению rв = rб + rконт, которое состоит из остаточного сопротивления базы и сопротивления омических контактов. При этом величина П остается практически постоянной (участок III).

Рис.44

Конструктивное оформление диодов аналогично, приведенным на рис.37.

К числу основных параметров переключательных диодов относят:

напряжение пробоя (Uпроб),

тепловое сопротивление,

рассеиваемую мощность,

время восстановления,

полную емкость диода, определяющую полосу рабочих частот ,

емкость корпуса, (Ск),

сопротивления r+ и r (или R0 и rб).

Переключающие диоды применяются и для построения фазовращателей. В этом случае диоды работают в двух режимах - пропускания и запирания, а изменение фазы происходит за счет изменения длины линии, которую проходит волна.

Выключатель с СВЧ диодом, на который подано модулирующее напряжение прямоугольной формы, можно использовать для формирования из непрерывного СВЧ сигнала импульсно-модулированного сигнала.

Плавное изменение смещения на диоде изменяет его сопротивление, а значит обеспечивает регулировку мощности, проходящей через участок линии с диодом - такими функциями обладает еще одно устройство СВЧ - аттенюатор, который реализуется также на вышеуказанных диодах.

13.Генераторные СВЧ диоды

Туннельные и обращенные диоды

Действие туннельных и обращенных диодов (ТД и ОД) основано на туннельном эффекте. Эффект туннелирования открыт (японцем Эсаки) в 1956г. и в 1957 г. изготовлен первый туннельный диод.

Для таких приборов необходимо создание чрезвычайно узких р-п-переходов, имеющих по обе стороны р-п-перехода изоэнергетические уровни, между которыми возможны туннельные переходы. Условие перехода реализуется в полупроводниковых материалах с высоким содержанием примеси (1024 1026 м3), т.е. с весьма низким удельным сопротивление. При этом ширина перехода (около 102 мкм) на два порядка меньше, чем в обычных плоскостных диодах. Подобные материалы называют вырожденными полупроводниками. Уровень Ферми в них лежит в разрешенных зонах, в полупроводнике п-типа - в зоне проводимости, в р-типа - в валентной зоне (за счет того, что при таких концентрациях примеси происходит расщепление примесных уровней, и эти зоны вплотную прилегают к соответствующим разрешенным зонам).

Пояснить ход ВАХ (рис.45, 46) можно, используя энергетические диаграммы перехода при различных уровнях смещения, см.рис.47.

В случае отсутствия смещения, свободные носители проходят через переход вследствие квантово-механического туннельного эффекта (точка б на ВАХ рис.45), при этом электрон, входя в р-п- переход из п-области. замедляет свою скорость под действием внутреннего диффузионного поля. Отразившись от потенциального барьера перехода, электрон возвращается в п-область. Однако имеется вероятность попадания электрона и на свободный уровень с такой же энергией в акцепторной, примесной области-р. В этом и заключается туннельный эффект.

Рис.45 Рис.46

При d = 10-2 мкм туннельный ток может достигать величины 107 А/м2, несмотря на малую вероятность туннельного перехода отдельного электрона. Аналогично отдельные носители заряда р-области путем туннелирования могут попасть в зону проводимости п-области на свободные энергетические уровни и т.д. Устанавливается динамическое равновесие.

Уровень Ферми при U = 0 в р- и п-областях проходят горизонтально, нет перекрытия свободных и занятых уровней в р- и п-областях, ток через переход отсутствует.

Рис.47

При обратном смещении (область а на рис.45) уровень Ферми в р-области смещается вверх относительно уровня Ферми в п-области на величину внешнего смещения (U = (Fр Fп)/q), при этом против заполненных состояний в р-области появляются свободные состояния в п-области, что приводит к току во внешней цепи. С увеличением обратного смещения перекрытие зон возрастает, ток растет. Крутому росту тока способствует увеличение вероятности «туннелирования» вызванное ростом поля в переходе (сокращением его длины).

При положительном смещении число перекрывающихся состояний сначала растет (участки в и г на ВАХ) до положения, когда интервал заполненных состояний в п-области и свободных состояний в р-области максимально перекрывается (, где расстояния уровней Ферми от краев соответствующих зон), при этом ток достигает максимума (точка г ВАХ), а затем убывает. При напряжении перекрытие зон заканчивается, и туннельный ток обращается в нуль.

С ростом прямого смещения происходит дальнейшее снижение потенциального барьера в р-п- переходе. Создаются условия для инжекции не основных носителей - появляется диффузионный ток (точка е на ВАХ), как в обычном диоде.

Туннельные диоды изготавливают на основе германия, арсенида галлия, антимонида индия. Диоды на основе арсенида галлия имеют преимущества перед остальными, так как выдерживают несколько больший интервал прикладываемых напряжений, имеют высокую «колебательную мощность», высокие рабочие частоты и большие амплитуды (у диодов из антимонида индия велик ток термогенерации при комнатной температуре). Вид ВАХ туннельных диодов на основе различных материалов приведен на рис.46. (Чем больше ширина запрещенной зоны материала, тем больше напряжение, при котором наблюдается максимальный ток Iм).

Для получения узких переходов применяются методы вплавления примесей (акцепторная примесь для арсенида галлия - цинк и кадмий, донорная - олово, свинец, сера, теллур и др.). Диффузионное проникновение примесей на глубину до 10Ао при общей ширине перехода 100150Ао считается приемлемым.

Наличие падающего участка на ВАХ позволяет использовать такие диоды в качестве генераторов, усилителей, переключателей, а нелинейность характеристики кроме того и в качестве умножителей, смесителей и т.п.

В этой связи важным является вопрос о его частотных свойствах. Так как инерционность за счет конечного времени пролета электроном перехода составляет около 1013 сек, то на основные ограничения накладываются конструктивные параметры : емкость перехода и корпуса, сопротивление базы (растекания), индуктивность выводов. В настоящее время диоды работают до частот порядка 30 50 ГГц в рабочем интервале температур от 00 К до нескольких сот градусов, радиационностойкие.

Эквивалентная схема туннельных диодов аналогична обычным диодам. Важной особенностью туннельных диодов является наличие в интервале напряжений Uмакс < U < Uмин отрицательного дифференциального сопротивления (определяемого углом наклона падающего участка ВАХ). Величина отрицательного сопротивления в точке перегиба R обратно пропорциональна максимальному току Iмакс и приближенно оценивается как (минимальное отрицательное сопротивление):

для германиевых диодов,

для арсенида галлиевых диодов.

Емкость р-п- перехода до второй восходящей ветки равна Ср-п (барьерная), затем она должна дополняться диффузионной (как это имеет место в обычных диодах при их открывании).

Туннельные диоды способны работать как усилители и генераторы, только на частотах, где активная составляющая импеданса диода отрицательна, т.е.

.

Откуда предельная резистивная частота, при которой неравенство превращается в равенство

или .

Максимальное значение указанной частоты (из исследования на экстремум последней формулы) получаем при . Тогда .

Основными параметрами определяющими свойства туннельных диодов (частотные свойства определены произведением rб Cб) являются:

отношение токов Iмакс /Iмин; напряжения Uмакс /Uмин;

резонансная частота f0 (на которой реактивная составляющая полного сопротивления диода без учета емкости корпуса при R обращается в нуль ).

В режиме генерации fмакс = f0, а в режиме усиления эти частоты должны быть разнесены. Максимальная выходная мощность в режиме генерации оценивается как . Типичные значения параметров германиевых туннельных диодов : Iмакс= 1,0 2,0 мА, Сб = 0,2 1,2 пФ, rб= 3 7 Ом, Iмакс/Iмин= 6 8, fмакс(ГГц) = 32 50, Lк= 0,05 0,25 нГн.

Иногда применяют параметр “удельный ток”, который равен отношению максимального тока к величине барьерной емкости, он оказывается удобным для характеристики свойства генераторных диодов - ток и емкость пропорциональны площади р-п-перехода и однозначно оценивают максимальную мощность генерации, а емкость - предельную частоту (т.к. Сд = Ск + Сб, чем меньше Сб, тем выше предельная частота).

Обращенные диоды - являются разновидностью туннельных диодов, отличаются меньшей величиной туннельного тока (Iт = 0,5 0,01 мА), используются как пассивные элементы радиотехнических устройств (детекторы, смесители, ключевые устройства для сигналов с малой амплитудой) и имеют ВАХ, приведенный на рис.48 .

Технологически они отличаются меньшими чем у туннельных диодов концентрациями примеси в р-п областях. Уровень Ферми при таких концентрациях располагается на потолке валентной зоны р-области и на дне зоны проводимости п-области (рис.49).



Рис.48 Рис.49

Из диаграммы ясно, что туннельный ток в таких приборах наблюдается при обратном напряжении на диоде (при очень малых отрицталеьных смещениях) и следовательно обратные токи значительны при малых обратных напряжениях. При прямом смещении ток обусловлен диффузией носителей через потенциальный барьер р-п-перехода и ВАХ здесь аналогична прямой ветки выпрямительного диода.

Таким образом, в прямом направлении (при малых смещениях) диод обладает значительным сопротивлением. а в обратном - малым. По этой причине он и назван обращенным (пропускает ток в обратном направлении и не пропускает в прямом направлении).

Инерционность обращенных диодов определяется временем перезаряда его емкости и зависит от параметров эквивалентной схемы (емкости и индуктивности корпуса и т.п.). Как правило, время переключения обращенного диода менее 1 нсек.

Вследствие большой кривизны ВАХ эти диоды работают при меньшем уровне сигнала и меньшем уровне гетеродина (накачка менее 100 мкВт), чем обычные детекторные и смесительные диоды. Чувствительность по току в дециметровом диапазоне у обращенных диодов в 10 20 раз выше. чем на обычном диоде.



14.Частотные ограничения присущие СВЧ диодам

Основные частотные ограничения определяется эквивалентной схемой прибора. Влияние Lд, Сп могут быть на одной частоте скомпенсированы включением подстроечных элементов, поэтому предельную частоту определяют только Сп, rп и rб . Термин предельной частоты имеет различный физический смысл.

Смесительный диод - работает при высоком Uгетер,, при этом диод представляется эквивалентной схемой для прямого и обратного напряжений. При этом предельная частотой называют частоту, при которой отношение модуля обратного сопротивления к прямому снижается до , т.е.

;

для варакторного диода - fпр - на котором собственная доброртность снижается до 1, т.к. он работает при обратном напряжении то

;

для детекторногго - fпр - частота на котором на сопротиваление растекания рассеивает половину мощности

т.к. детектор работает на малой мощности, то rп>>rб;



fпр = ;

для туннельного - fпр,- частота на которой прекращается действие отрицательного дифференциального сопротивления

rп (Rп) ;

Лавинно-пролетные диоды (ЛПД) и диоды Ганна

Эффекты, связанные с разогревом электрическим полем электронного газа в полупроводниках, составляют физическую основу большинства активных твердотельных приборов СВЧ, до 1980 года ЛПД и диоды Ганна (диоды с междолинным перебросом) были практически единственными твердотельными генераторами и усилителями в СВЧ-диапазоне. Сегодня эти диоды остаются самыми высокочастотными приборами:

диоды Ганна работают в диапазоне и свыше 150 ГГц,

ЛПД и свыше 300 ГГц.

Генерируемая мощность - десятки и даже сотни милливатт, КПД - до единиц процента и менее (поэтому используются в качестве дискретных приборов - большая рассеиваемая мощность - для ИС непригодны).

Всего через год после изобретения туннельного диода в США (1958 г. Reed) было показано, что эффект лавинного умножения (пробоя) можно использовать в сочетании с регулируемым временем пролета носителей через активную область для генерации и усиления СВЧ колебаний.

Предложенная структура технологически была чрезвычайно сложна (по тому времени) р+-п-i-п+ и была реализована в США лишь в 1965 г.

В СССР этот эффект был практически исследован и применен уже в 1959 г. Тагером для генерации на варакторах когерентных СВЧ колебаний (За цикл работ в этой области он был удостоен Нобелевской премии). В 1962 году были созданы первые генераторы и сегодня это наиболее перспективный класс приборов генераторного типа с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

ЛПД - диод с динамическим отрицательным сопротивлением

Работа ЛПД определяется, в основном, двумя физическими процессами:

дрейфом носителей (движением под действием электрического поля);

лавинным умножением (которое имеет место при электрических полях порядка (3-6)105 В/см для кремния, чтобы носители разгонялись в нем до энергий, при которых они способны генерировать электронно-дырочные пары путем ударной ионизации).

Для анализа процессов, происходящих в ЛПД, используют идеализированную модель меза-структуры с локализованным пространством умножения носителей. Считают, что это пространство заключено в узком слое в плоскости контакта полупроводников с различными типами проводимости. Указанная модель применима для анализа структур р-п, р+-п-п+, р+-п-i-п+. На рис.50 показаны структуры ЛПД и распределение электрического поля вдоль меза-структуры. В таких приборах из-за резкого изменения электрического поля в пределах запорного слоя эффект лавинного умножения сосредоточен в узкой (заштрихованной на рис.50) области вблизи максимума, при Е.> Екр.

Рис.50



Пролетные области (в структурах р-п, р+-п-п+, р+-п-i-п), в которых Е.< Екр имеют протяженность равную , причем во второй и в третьей структурах имеется лишь одна пролетная область, а в первой - две (приборы называют соответственно: однопролетными и двухпролетными).

Динамическое отрицательное сопротивление в пролетном пространстве ЛПД обусловлено инерционностью процесса ударной ионизации, приводящей к сдвигу тока,. вытекающего из слоя умножения, относительно вызвавшего его напряжения и задержкой тока за счет движения носителей в пролетном пространстве.

На примере однопролетного прибора можем видеть, что электронно-дырочные пары генерируются в области сильного поля вблизи р-п-перехода. При этом дырки сразу оказываются втянутыми в «отрицательную» р-область, а электроны инжектируют в пролетное пространство. Временные диаграммы изменения напряжения и тока в ЛПД приведены на рис. 51.

Напряжение на ЛПД контролирует амплитуду тока, вытекающего из слоя умножения. Если напряжение изменяется синусоидально, почти синфазно с ним изменяется коэффициент ударной ионизации , показывающий, какое число пар генерируется одним носителем. Но концентрация носителей в слое умножения меняется не синфазно с изменением поля, поскольку генерация их зависит от количества носителей в слое умножения. Даже когда поле, пройдя через максимум, убывает, концентрация носителей в слое умножения продолжает возрастать, т.к. поле еще превышает критическое значение Екр. Максимум концентрации приходится на момент, когда поле снижается до Екр. Таким образом переменная составляющая концентрации носителей в слое умножения отстает по фазе от коэффициента ударной ионизации, синфазно с напряжением на диоде.



Рис.51

Вытекающий из слоя умножения ток инжекции (ie) имеет форму коротких импульсов. Сгустки электронов, инжектированные в пролетную область, пролетают ее со скоростью, равной скорости насыщения (практически не зависящей от переменного напряжения на диоде). Во внешней цепи при этом протекает практически постоянный наведенный ток (iн).

Максимум отрицательного сопротивления наблюдается, когда напряжение и ток противофазны, поэтому пролетное пространство должно обеспечивать фазовый сдвиг, равный 900, что соответствует пролетному углу .

Рис.52 Рис.53 Рис.54

Как известно, наведенный во внешней цепи ток iн, связан с током, вытекающим из слоя умножения ie, соотношением



,

где - время движения носителей в пролетной области.

Разлагая ток ie в ряд Фурье и считая, что его первая гармоника i1e сдвинута по фазе относительно напряжения на диоде на угол , т.е. откуда выражение для первой гармоники

.

Максимальное отрицательное сопротивление соответствует , т.к. .

Необходимо отметить, что величина фазового сдвига равная должна рассматриваться как приближенное значение.

В действительности фазовый сдвиг между напряжением и током, вытекающим из слоя умножения будет зависеть от частоты и на низких частотах будет равен нулю. Практически, рабочая область ЛПД лежит вблизи первого максимума вещественной части отрицательной проводимости (см. рис.52), т.е. на частотах , где Vs - дрейфовая скорость носителей в режиме насыщения (для кремния это величина порядка 107 см/с), - протяженность дрейфовой области. (Например, для кремниевых ЛПД, предназначенных для работы на частоте порядка 10 ГГц, = 5 мкм).

Величина коэффициента лавинного умножения оценивается как сумма бесконечной геометрической прогрессии

.



Экспериментальная оценка величины пропорциональная Е6, где Е - напряженность электрическогополя в слое умножения, поэтому можно считать , где Uпр - пробивное напряжение диода, при котором начинается процесс лавинного роста тока, U - напряжение на диоде в рабочей точке.

ЛПД изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия. На кремниевых ЛПД миллиметрового диапазона (50 ГГц) в импульсном режиме получена мощность 0,35 Вт при КПД около 0,5 %. На более низких частотах получена колебательная мощность до нескольких сотен ватт (на 1 ГГц) при КПД до 40 %.

Особенностью ЛПД является сравнительно высокий уровень шумов (свойственный механизму лавинной ионизации), что используется для создания высокоэффективных генераторов шума.

ВАХ ЛПД на постоянном токе I = f(U) и его эквивалентная схема включенного в колебательный контур приведены на рис. 59, 60, где Ср, L,G - емкость колебательного контура с индуктивностью и проводимостью на резонансе; Gн - проводимость нагрузки; Ge, Be - электронная проводимость ЛПД на частоте автоколебаний.

Конструкция ЛПД малой мощности и характерные зависимости выходной мощности, КПД и генерируемой частоты от тока ЛПД приведены на рис.55.

Можно показать, что процесс ударной ионизации практически безынерционен (1015с), поэтому верхняя частотная граница пролетного диода определяется ослаблением в сильных полях полевой зависимости скорости ударной ионизации (насыщение) и диффузионным распылением электронных сгустков в пролетном пространстве. Диффузионный предел определяется частотой 2, где D - коэффициент диффузии. Частота fD для кремния порядка 350 500 ГГц, для арсенида галлия 130 600 ГГц для SiC (4-10)104 ГГц - последний из указанных материалов является наиболее перспективным в плане построения ЛПД СВЧ.

Рис.55 Рис.56

Диод Ганна - диод который не имеет р-п- перехода. Прибор был создан (в США промышленные образцы в 1966 г. в СССР в 1967 г.) на основе эффекта (обнаруженного в 1963 году Дж.Б.Ганном) возникновения электрических колебаний в однородном кристалле полупроводника при наложении постоянного электрического поля (величина порогового поля для арсенида галлия порядка 2 4 кВ/см). Частота возникающих когерентных колебаний оценивается как , где Vдр = 107 - дрейфовая скорость электронов при критическом поле, см/сек; длина образца.

Эти колебания связаны с прохождением через образец «доменов» сильного поля (движение «доменов» в двухдолинных полупроводниках и вызываемые этим движением явления называют эффектом Ганна).

Существует и ряд других теорий поясняющих работу таких приборов, однако описываемая здесь, наиболее распространенная.

В арсениде галлия, как и в фосфиде индия или галлия, р-германии имеется две долины в зоне проводимости, энергетический уровень которых различен (например, для арсенида галлия они отличаются на 0,36 эВ). Электроны в долине с меньшей энергией имеют намного большую подвижность, чем электроны в долине с большей энергией (это можно рассматривать как различие эффективных масс электронов m*) рис.56.

Сильные электрические поля сообщают электронам достаточную энергию для движения от одного минимума к другому. Когда верхняя долина с большей энергией более плотно заселена, чем нижняя, материал обнаруживает дифференциальное отрицательное сопротивление, т.е при увеличении напряжения большинство электронов движется в зону с малой подвижностью, и ток уменьшается, вызывая объемные нестабильности.

Самым медленным процессом, определяющим быстродействие прибора, является набор электроном энергии, необходимой для междолинного переброса и лавинной ионизации - именно они и определяют верхнюю высокочастотную границу работы. Энергия электронов должна быть порядка 0,3 - 0,5 эВ, что достигается в полях от 3 до 5 кВ/см при бесстолкновительном ускорении за 2 - 3 пс.

Полескоростная характеристика поясняет процесс появления отрицательной диференциальной проводимости - объемной нестабильности см. рис. 57,а.

Если учесть, что при равномерном поле и ток определяется как то из уравнения Пуассона видим, что ВАХ повторяет полескоростную характеристику см. рис.57,б.

В планарных диодах Ганна эпитаксиальный, активный слой арсенида галлия выращивается на высокоомной подложке и скрыт под изолирующим слоем диэлектрика (например окиси кремния). Катод и анод выполнены методами фотолитографии.

На сегодня получены образцы диодов Ганна:

максимальный КПД около 20% для арсенида галлия, 40% фосфид индия;

предельная частота соответственно 100 ГГц и до 300 ГГц;

достигнуты мощности на 3 см 1 2 Вт при КПД 14 %, 60 100 ГГц около 100 мВт при КПД несколько процентов.



Литература

1. Полупроводниковые приборы В.В.Пасынков, Л.К.Чиркин. -М.: Высш.шк. 1987. -427с.

Батушев В.А. Электронные приборы: Уч. Для высш. Шк. -М: Высш.шк. 1980. -383с.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. : Уч. Пособие для вузов. -М.: Сов. Радио 1980. -424с.

4. Игнатов А.Н. Полевые транзисторы и их применение.-М.: Радио и связь, 1984. -276с.

5. Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы. - М.: Радио и связь, 1984, -80с.

6. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник/А.Б.Гитцевич, А.А.Зайцев, В.В.Мокряков и др.; Под общ.ред.Н.Н.Горюнова.-2-е изд., перераб. М: Энергоатомиздат, 1984.

7. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник/ В.А.Аронов, А.В.Баюков, А.А.Зайцев и др.; Под общ.ред. Н.Н.Горюнова. М: Энергоатомиздат, 198

8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/А.Б.Гитцевич, А.А.Зайцев, В.В.Мокряков и др.; Под ред.А.В.Голомедова. М: Радио и связь, 1989.

9. Тиристоры: Справочник/ О.П.Григорьев, В.Я.Замятин, Б.В.Кондратьев, С.Л.Пожидаев. М: Радио и связь, 1990. (Массовая радиобиблиотека)

10. Булычев А.Л. и др. Электронные приборы. - М.: Лайт Лтд., 2000. - 416 с.

11. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Уч.пособие для вузов/ Ю.Л.Бобровский, С.А.Корнилов, И.А.Кратиров и др.; Под ред. Проф. Н.Д.Федорова. - М.: Радио и связь, 1998. -560с.

1 Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. - 2-е изд. испр. и доп. - СПб.: КОРОНА принт, 2000. - 416 с.

13. Быстров ЮА., Гамкрелидзе С.А., Иссерлин Е.Б., Черепанов В.П. Электронные приборы и устройства на их основе: Справочная книга.- М.: ИП РадиоСофт, 2002 - 656с.

14. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Ганзий Д.Д. Нелинейные микроволновые полупроводниковые устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. 354с.

15. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб.пособие для вузов/ Ю.Л.Бобровский, С.А.Корнилов, И.А.Кратиров и др., Под ред.проф.Н.Д.Федорова. М.: Радио и связь, 1998. -560с.

16. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. - М.: Наука, 1986. -240с.

17. Речицкий В.И. Акусто-электронные радиокомпонентыю Схемы, топология, конструкции. -М.: Радио и связь, 1987. -246с.

18. Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах.-М.: Радио и связь, 1983. -216с.

Размещено на Allbest.ru

...