Полупроводниковые диоды для СВЧ

На сверхвысоких частотах широкое распространение получили маломощные точечные полупроводниковые диоды. Материалом для них служат германий, кремний или арсенид галлия с повы­шенным содержанием донорной или ак­цепторной примеси, благодаря чему ба­за имеет низкое удельное сопротивление. За счет этого уменьшается время жизни носителей и быстро рассасывается заряд, накапливаемый в базе при прохождении прямого тока. Кроме того, малая пло­щадь электронно-дырочного перехода обусловливает небольшую емкость пе­рехода. Именно эти особенности позво­ляют применять такие диоды на СВЧ. Однако при низком удельном сопротив­лении базы электронно-дырочный пере­ход получается очень тонким и его пробой возникает уже при обратном напряжении в единицы вольт. Во мно­гих случаях это обстоятельство не явля­ется недостатком, поскольку диоды большей частью работают на малых сигналах. Однако диоды с низким про­бивным напряжением могут легко вый­ти из строя при сравнительно неболь­ших перенапряжениях, например от за­рядов статического электричества.

Полупроводниковые СВЧ-диоды, как правило, имеют коаксиальную конструк­цию (рисунок 2.43) для более удобного их соединения с коаксиальными линиями или волноводами. Коаксиальная конст­рукция выводов устраняет вредное влияние их емкости и индуктивности.

 

Рисунок 2.43 – Коаксиальные конструкции диодов СВЧ

1 – первый электрод; 2 – кристалл; 3 – игла; 4 – изолятор; 5 – второй электрод

 

Кроме показанных на рисунке 2.43 кон­струкций встречаются и другие.

Применение диодов с n–р-переходом на СВЧ довольно разнообразно. Детекторные диоды, иначе называемые видеодетекторами, используются в при­емной и измерительной аппаратуре всего СВЧ-диапазона. Смесительные ди­оды применяются в той же аппаратуре для преобразования частоты. По срав­нению с преобразователями частоты на вакуумных диодах преобразователи ча­стоты на полупроводниковых диодах имеют то преимущество, что они могут работать на более высоких частотах, так как время пробега носителей и емкость у полупроводникового диода значительно меньше, чем у вакуумного. Кроме того, у полупроводниковых ди­одных преобразователей значительно меньше уровень собственных шумов.

Параметрические диоды чаще всего используются в параметрических мало­шумящих усилителях, где они играют роль нелинейной емкости, изменяющей­ся под действием приложенного перемен­ного напряжения. В параметрических усилителях СВЧ удается получить зна­чительное усиление колебаний при ма­лом уровне шумов. Умножительные диоды, как показывает их название, применяются для умножения частоты. Поскольку диод является нелинейным прибором, то иногда с помощью моду­ляторных диодов осуществляется моду­ляция колебаний СВЧ.

Для переключения цепей СВЧ служат переключательные диоды, причем в ряде случаев возникает необходимость таких переключений в цепях со значительны­ми мощностями. Использование полу­проводниковых диодов для переключе­ния позволяет уменьшить массу и габа­риты, увеличить надежность и долго­вечность радиоэлектронной аппаратуры. В переключательных диодах теряется очень небольшая мощность. Однако до­пустимая переключаемая мощность у таких диодов значительно меньше, чем у некоторых других переключающих устройств.

Сам процесс переключения в диодах сводится к тому, что резко изменяется полное сопротивление диода, причем под воздействием либо самого сигнала, либо дополнительного управляющего постоянного напряжения той или иной полярности, подаваемого на диод. При­меняются различные типы переключа­тельных диодов. Обычная разница меж­ду прямым и обратным сопротивлением используется в нерезонансных переклю­чательных диодах. В них должны быть минимальными емкость и индуктив­ность. Поэтому такие диоды изготовля­ются без корпуса и выводных проводов, а емкость n–р-перехода нередко компен­сируется подключением к диоду некото­рой индуктивности.

Резонансные переключательные дио­ды работают следующим образом. При прямом постоянном напряжении они представляют собой параллельный коле­бательный контур, состоящий из емкости корпуса, индуктивности выводов и со­противления потерь диода. На резонанс­ной частоте такой контур имеет боль­шое сопротивление. А при обратном напряжении диод превращается в после­довательный контур, состоящий из ин­дуктивности выводов, барьерной емко­сти и сопротивления потерь. В этом ре­жиме сопротивление диода на резонанс­ной частоте мало. Переключательный резонансный диод должен иметь пара­метры, обеспечивающие параллельный и последовательный резонанс на нужной частоте. Иногда для этого приходится подключать к диоду дополнительные реактивные элементы.

Поскольку точечные диоды позволя­ют переключать лишь малые мощности, то для мощностей в единицы ватт при непрерывном режиме применяются пло­скостные диоды. В импульсном режиме такие диоды могут переключать мощ­ности до единиц киловатт при длитель­ности импульсов в единицы микро­секунд. Время переключения при этом может быть не более 20 нс.

Специально для быстрого переклю­чения СВЧ-цепей при значительных мощностях применяются плоскостные р –i – n-диоды, изготовляемые обычно из кремния. Такие диоды имеют об­ласти р и n с относительно большой проводимостью (с большой концентра­цией примесей), отделенные друг от друга более протяженной областью ти­па i, что обеспечивает малую емкость диода (рисунок 2.44). При отсутствии пря­мого внешнего напряжения сопротивле­ние этой области велико. Оно стано­вится еще больше при обратном напря­жении, поскольку области в этом случае обедняются основными носителями. Прямое напряжение вызывает интенсив­ную инжекцию в i-область дырок из р-области и электронов из n-области. В результате этого сопротивление i-области и всего диода резко снижается (в 10³-10⁴ раз). У мощных p-i-n-диодов напряжение пробоя i-области составляет несколько киловольт, и по­этому такие диоды могут применяться для переключения мощностей до десят­ков киловатт в импульсе.

Существует множество самых раз­личных схем с переключательными ди­одами для решения разнообразных за­дач в СВЧ-устройствах. В качестве при­мера на рисунок 2.45 приведена одна из схем. Если на левый диод подано прямое напряжение, а на правый - обратное (знаки полярности без скобок), то левый диод имеет малое сопротивление, а пра­вый - большое. Поэтому сигнал из ли­нии 1 будет практически проходить только в линию 3, а четвертьволновый отрезок левой линии, замкнутый дио­дом, будет играть роль металлического изолятора. При обратной полярности управляющих напряжений (знаки в скоб­ках) диоды поменяются ролями и сиг­нал будет передаваться только в ли­нию 2.

 

 

Рисунок 2.44 – Структура p–i – n-диода

 

Рисунок 2.45 – Схема переключения с диодами

 

Для переключения и других процес­сов в технике СВЧ стали применяться диоды Шотки, или диоды на «горячих» носителях. В этих диодах используется контакт между металлом и полупровод­ником. Потенциальный барьер, образу­ющийся в таком контакте, в свое время был исследован немецким физиком В. Шотки (см. п. 1.3.4). Диод Шотки пред­ставляет собой низкоомную полупровод­никовую подложку (например, из крем­ния с электропроводностью типа n⁺) с высоким содержанием донорной при­меси, покрытую сверху тонкой пленкой того же, но уже высокоомного полу­проводника, на которую нанесен метал­лический слой. Прямое внешнее напря­жение прикладывается плюсом к метал­лу, и почти все оно действует в высоко-омной пленке. Электроны в ней разго­няются до большой скорости (становят­ся «горячими»), преодолевают потенци­альный барьер и попадают в металл. Но в металле не происходит процессов накопления и рассасывания неосновных носителей, как в базе обычного диода. Поэтому диоды Шотки обладают боль­шим быстродействием, зависящим толь­ко от времени пробега электронов через высокоомную пленку (менее 10^-11 с) и от барьерной емкости, которая при ма­лой площади контакта может быть сде­лана очень малой. В результате этого диоды Шотки могут работать на часто­тах до 20 ГГц и время переключения составляет десятые и даже сотые доли наносекунды. Обратный ток у этих диодов очень мал.

Для усиления и генерации колебаний СВЧ применяют лавинно-пролетные диоды (ЛПД), разработанные в СССР А. С. Тагером и В. М. Вальд-Перловым. Эти диоды работают в режиме электри­ческого пробоя при постоянном обрат­ном напряжении и при некоторых усло­виях обладают отрицательным сопро­тивлением переменному току. Такое от­рицательное сопротивление получается только при работе на СВЧ. На более низких частотах оно не возникает.

Пусть к ЛПД приложено постоян­ное обратное напряжение и некоторое переменное. Под действием положитель­ной полуволны обратного напряжения (имеется в виду, что эта полуволна соот­ветствует возрастанию обратного напря­жения на диоде) в режиме пробоя про­исходит лавинообразное нарастание то­ка – «электрическая лавина». Вследствие инерционности процессов в полупровод­никах, т. е. конечности времени пробега носителей через n–р-переход, этот ток достигает максимума с некоторым за­паздыванием по отношению к вызвав­шей его положительной полуволне пе­ременного напряжения. Под действием постоянного напряжения «лавина» про­должает двигаться и в течение следу­ющего, отрицательного полупериода на­пряжения. Таким образом, импульс тока, соответствующий «лавине», противопо­ложен по знаку отрицательной полу­волне переменного напряжения. Следо­вательно, для переменного тока возника­ет отрицательное сопротивление. Под­ключая ЛПД к колебательной системе СВЧ, можно за счет отрицательного сопротивления получить режим генера­ции колебаний или усиления. На более низких частотах инерционность процес­сов сказывается слишком мало и запаз­дывание импульса тока по отношению к переменному напряжению также ничтожно мало, поэтому отрицательное дифференциальное сопротивление прак­тически отсутствует. ЛПД могут иметь не только n–р-структуру, но и более сложную, например в диодах Рида ис­пользуется структура n⁺–р – i – p⁺.

В генераторах ЛПД подключается к объемному резонатору. Такие гене­раторы могут давать в непрерывном режиме полезную мощность в единицы ватт при КПД около 10%, а в импульс­ном режиме – мощность в сотни ватт и КПД в десятки процентов. Возможна также небольшая (на десятые доли про­цента) электрическая перестройка часто­ты путем изменения постоянного напря­жения, но значительно более широкий диапазон частот (десятки процентов) достигается изменением собственной частоты резонатора. При использовании ЛПД для усиления сигналов ска­зывается их недостаток – относитель­но высокий уровень собственных шу­мов.

Еще один представитель полупро­водниковых приборов с отрицательным сопротивлением на СВЧ – диод Ганна, который основан на эффекте, открытом американским физиком Дж. Ганном в 1963 г. Эффект Ганна состоит в том, что при достаточно большом напряже­нии, приложенном к полупроводнику, в этом полупроводнике возникают СВЧ-колебания. Этот эффект был тща­тельно исследован, выяснены физические процессы, происходящие в полупровод­никах при высокой напряженности дей­ствующего в них электрического поля, и разработаны получившие уже доволь­но широкое распространение приборы для генерации колебаний СВЧ.

Диод Ганна представляет собой по­лупроводниковый кристалл без n — р-перехода, в котором создано сильное постоянное электрическое поле. Для включения диод имеет два электрода: анод и катод. Должен применяться полупроводник с двумя зонами прово­димости, например арсенид галлия. Ис­следование подобных полупроводников показало, что в этих двух зонах прово­димости электроны имеют разную по­движность. В зоне, расположенной выше, т. е. соответствующей более высоким уровням энергии, подвижность электро­нов меньше.

При отсутствии внешнего поля или при сравнительно слабом поле электро­ны находятся в нижней зоне проводи­мости, где они обладают более высокой подвижностью, и поэтому полупровод­ник имеет сравнительно высокую про­водимость. Если увеличивать напряже­ние, приложенное к полупроводнику, то сначала ток возрастает в соответствии с законом Ома, но при некотором напряжении, когда напряженность поля становится достаточно высокой, боль­шая часть электронов переходит в верх­нюю зону проводимости и вследствие уменьшения их подвижности в этой зоне сопротивление полупроводника рез­ко увеличивается. Ток уменьшается, и в вольт-амперной характеристике воз­никает падающий участок, соответст­вующий отрицательному дифференци­альному сопротивлению (рисунок 2.46). Дальнейшее увеличение приложенного напряжения снова вызывает примерно пропорциональное возрастание тока.

Вследствие неизбежных неоднородностей в материале полупроводника сопротивление под действием сильного поля повышается в данный момент времени не во всем полупроводнике, а лишь в каком-то одном месте. Об­ласть такого повышенного сопротивле­ния и более сильного поля называют доменом (рисунок 2.47). Домен обычно обра­зуется около катода (минус) и не оста­ется на одном месте, а движется с большой скоростью к аноду (плюс). В самом домене скорость электронов меньше, чем на других участках, и, сле­довательно, плотность объемного заряда увеличена, т. е. домен представляет со­бой своеобразный сгусток. В нем сосре­доточено более сильное поле, а в осталь­ной части полупроводника поле более слабое и скорость электронов выше. Поэтому справа от домена электроны быстрее уходят к аноду, и возникает область, обедненная электронами. А сле­ва от домена, наоборот, к нему быстрее приходят новые электроны. Этот процесс обусловливает перемещение домена от катода к аноду.

Дойдя до анода, домен исчезает, но новый домен снова возникает около катода, движется к аноду и т. д. Про­падание доменов и возникновение новых сопровождается периодическим измене­нием сопротивления диода Ганна, вслед­ствие чего появляются колебания тока диода, частота которых при малой дли­не пути домена (расстояние анод — катод) оказывается в диапазоне СВЧ. Частота этих колебаний

F = _дом / L,                                                       (2.17)

 

где _дом – скорость домена, составляющая для арсенида галлия примерно 10⁷ см/с;

 

 

Рисунок 2.46 – Вольтамперная характеристика диода Ганна

 

 

 

Рисунок 2.47 – Домен в диоде Ганна

 

Отсюда следует, что, например, при L = 10 мкм частота колебаний f = 10⁷/10^–3 = 10¹⁰ Гц = 10 ГГц.

Важная особенность диодов Ганна в том, что «работает» весь полупровод­ник, а не только малая часть его n-p-переход. Поэтому в диодах Ганна можно допустить большие мощности. В настоящее время эти диоды уже ге­нерируют в непрерывном режиме коле­бания мощностью, достигающей десят­ков ватт, а в импульсном режиме — единиц киловатт, при КПД от единиц до десятков процентов. По теорети­ческим расчетам предполагается, что можно создать диоды Ганна на мощно­сти до сотен киловатт в импульсном режиме при частотах в десятки гига­герц.

⇐ Предыдущая123456

Поделиться: