Сверхвысокочастотные диоды
В
технике сверхвысоких частот (для работы в сантиметровом и миллиметровом
диапазонах волн) применяются особые германиевые и кремневые
сверхвысокочастотные диоды (СВЧ диоды). По своему назначению СВЧ диоды делятся
на видео детекторные, предназна-чены для детектирования СВЧ колебаний,
переключательные, пред-назначенные для применения в устройствах управления
уровнем СВЧ мощности, параметрические, предназначенные для примене-ния в параметрических
усилителях СВЧ колебаний, и преобразова-тельные. В свою очередь,
преобразовательные диоды, в которых ис-пользуется нелинейность вольтамперной
характеристики перехода, делят на смесительные, используемые для преобразования
СВЧ сигнала и сигнала гетеродина в сигнал промежуточной частоты,
ум-ножительные, используемые для умножения частоты СВЧ сигнала, и модуляторные,
используемые для модулирования амплитуды СВЧ сигнала.
В
СВЧ диодах обычно используется точечный контакт. Переход в таких диодах не
формуется. Выпрямляющий контакт осуществля-ется простым прижимом к полированной
поверхности полупровод-ника острия металлического контактной пружины. Эти диоды
изго-товляются из очень низкоомного материала (время жизни носителей заряда
мало) и имеют весьма малый радиус точечного контакта (2-3 мкм), что
обеспечивает хорошие высокочастотные свойства. Однако напряжение пробоя СВЧ
диодов очень низкое (всего 3-5 В), а пря-мое напряжение относительно высокое.
Обратный ток у них хотя и мал, но начинает возрастать практически с нуля за
счет туннельного эффекта носителей через переход (рис.1).
Конструкция
СВЧ диодов обычно приспособлена к сочленению с элементами коаксиального или
волноводного тракта, с измерительными головками и другими деталями системы СВЧ.
В длинноволновом участке СВЧ диапазона (3-10 см) основными типами корпуса
являются металлокерамический или металлостеклянный патронного типа. В диапазоне
волн 1-3 см габариты и емкость этих корпусов становятся недопустимо большими, и
поэтому выпрямляющий контакт монтируется в корпу-се коаксиального типа. В
диапазоне миллиметровых волн использу-ются волноводную конструкцию.
Помимо
длинны волны, на которой СВЧ диоды имеют парамет-ры, гарантированные нормами
технического задания и максимально допустимых данных, СВЧ диоды также
характеризуются электриче-скими параметрами, отражающими основное значение.
Так, смеси-тельные СВЧ диоды характеризуют потерями преобразования (от-ношение
мощности СВЧ на входе к мощности промежуточной час-тоты на выходе диода),
шумовым отношением (отношение мощно-сти шумов на выходе диода в рабочем режиме
к мощности тепловых шумов активного сопротивлению диода), нормированным
коэффи-циентом шума, характеризующим обобщенную чувствительность приемного
устройства, и дифференциальным выходным сопротив-лением. В ряде случаев
электрический параметр определяет не толь-ко свойства самого СВЧ диода, но и
свойства конкретного СВЧ уст-ройства, в котором установлен данный диод.
Следует
иметь в виду, что мощность, при которой происходит "выгорание" диода,
сопровождающееся необратимыми ухудшения-ми вольтамперной характеристики или
пробоем, весьма мала. По-этому необходимо исключить всякие непредусмотренные
воздейст-вия и принять нужные меры защиты как при работе, так и при хра-нении
СВЧ диода (например, недопустим разряд через диод стати-ческого электричества,
накопленного на теле оператора; хранение диода в металлическом патроне и др.).
В
устройствах миллиметрового диапазона волн (особенно инте-гральных) для
построения мощных СВЧ усилителей широко приме-няют лавинно-пролетные диоды, а
для построения СВЧ генераторов диоды Ганна. В этих диодах используется явление
ограничения подвижности электронов в электрических полях с напряженностью выше
критической, и в их вольтамперных характеристиках имеется участок с
отрицательным дифференциальным сопротивлением. Ла-винно-пролетные диоды
работают в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении
электрического перехода. В диодах Ганна (в структуре этих приборов нет выпрямляющего
пе-рехода) используется эффект возникновения электрических колеба-ний в
пластине из арсенида галлия при приложении к ней постоян-ного напряжения,
создающего электрическое поле с напряженно-стью более 105 В/м.
Выпускаемые
промышленностью лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна рассчитаны на
выходную СВЧ мощность в непре-рывном режиме в несколько десятков милливатт. В
импульсном ре-жиме эта мощность может быть повышена на несколько порядков. Для
увеличения выходной мощности нужны лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна с
большей площадью электронно-дырочного перехода и большей площадью тонкой пленки
полупро-водника. При этом они должны быть однородны не только по тол-щине, но и
по площади.
Рабочие
частоты современных кремниевых СВЧ диодов при-ближаются уже к теоретическому
пределу. Поэтому, чтобы еще улучшить частотные свойства, нужно использовать
другой матери-ал, а также разрабатывать полупроводниковые приборы с другим
принципом действия.
Список литературы
1.
Ю. В. Виноградов, "Электронные приборы".
2.
Справочник по электротехническим материалам том 3.
3.
Справочник "Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные
приборы" 2-е изд., стереотипное: под ред. А. В. Голомедова. - М.: КубК-а,
1997. - 592 с.
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://mini-soft.net.ru/