Полупроводниковые диоды СВЧ

Виды диодов. Высокочастотные диоды в лучшем случае имеют предельную частоту порядка сотен мегагерц. Для работы на сверхвысоких частотах разработаны специальные конструкции диодов, особенностями которых являются малые индуктивности вводов и емкости, обеспечиваемые как выбором исходного полупроводникового материала, так и своеобразной формой корпуса прибора. На рис.1 показано устройство диодов СВЧ патронной (рис.1а), коаксиальной (рис.1б), волноводной (рис.1в) и

таблеточной (рис.1г) конструкции, хорошо сопрягающейся с используемыми в диапазоне СВЧ линиями передачи сигналов, при­чем на рисунке обозначено:1 - полупроводник, 2 - контактная пружина, 3 - герметизирующая заливка, 4 - керамическая втулка. Полупроводниковые диоды СВЧ по своему назначению подразде­ляются на несколько специализированных групп, объединяющих сме­сительные, детекторные, модуляторные, переключательные, умножительные, усилительные и генераторные диоды.

Смесительные, детекторные и умножительные диоды. Назначе­ние смесительных диодов - преобразование частоты колебаний, осу­ществляемое путем использования нелинейности вольтамперной ха­рактеристики диода. Можно показать, что при действии на элект­родах диода напряжений двух частот ток диода помимо гармоник частот возбуждающих колебаний содержит ряд гармоник комбинаци­онных частот. Обычно из этого ряда гармоник выделяется гармони­ка с частотой, равной сумме или разности частот возбуждающих колебаний.

Смесительные диоды часто используются в приемниках СВЧ, и в этом случае при действии двух колебаний СВЧ выделяются коле­бания разностной высокой частоты (обычно 30 или 60 МГц), назы­ваемой промежуточной частотой. В дальнейшем усиление сигналов в приемнике ведется на промежуточной частоте.

Высокая чувствительность такого приемника определяется во многом шумами смесительного диода, поэтому одним из важнейших параметров диода является шумовое отношение t_ш, которое для различных диодов колеблется в пределах 1-6.

Эффективность преобразования диодом частоты оценивается с помощью потерь преобразования, определяемых отношением мощнос­ти подводимого СВЧ сигнала Р_свч к мощности сигнала промежу­точной частоты Р_пч: L = lg (Р_свч/Р_пч), где L выражается в децибелах. Лучшие смесительные диоды имеют потери преобразова­ния меньше 6 дБ.

Детекторные диоды СВЧ предназначены для выпрямления пере­менного тока. Важнейшим параметром детекторного диода является чувствительность по току, определяемая отношением выпрямленно­го тока к поданной на диод мощности СВЧ колебаний при коротком замыкании цепи выпрямленного тока. Современные детекторные ди­оды СВЧ имеют чувствительность порядка единиц ампер на ватт.

Полупроводниковые диоды, предназначенные для умножения частоты колебаний, называются умножительными. Преобразование сигнала с умножением частоты в таких диодах

основано на исполь­зовании либо нелинейности вольтамперной характеристики, либо нелинейности вольтфарадной характеристики (зависимости емкос­ти от напряжения), либо нелинейности сопротивления, появляющей­ся в динамическом режиме вследствие эффекта накопления и расса­сывания неосновных носителей заряда.

Наиболее широкое применение для умножения частоты нашли диоды с нелинейной емкостью. Все более широко используются для этих целей также диоды с накоплением заряда (ДНЗ), в которых нелинейность возникает в динамическом режиме при резком восста­новлении обратного сопротивления.

Зависимость тока ДНЗ от времени богата высшими гармониками частоты сигнала, поэтому с помощью ДНЗ можно осуществлять эф­фективное умножение частоты.

Коэффициент умножения частоты диодов может достигать 30 -40, однако при таких больших значениях коэффициента амплитуда гармоник тока диода становится малой и эффективность умножите­ля существенно снижается.

Максимальная мощность, которая может быть получена от ум­ножителя, ограничивается максимально допустимым обратным напря­жением диода U_обр.max, являющимся вследствие этого важным параметром умножительного диода. Другими параметрами умножительных диодов являются емкость р - n перехода С, сопротив­ление потерь r_s , обратный ток I_oбр, постоянная времени дио­да t_s=Cr_s , максимальная частота f_max= 1/2π t_smin .

Постоянная времени умножительных диодов составляет десятые доли пикосекунды и единицы пикосекунд, емкость диода - десятые доли пикофарада и сопротивление потерь - единицы ом. Максималь­ная частота соответственно имеет порядок десятков и сотен ги­гагерц.

В некоторых случаях для увеличения мощности оказывается полезным использование прямого смещения диода в течение неболь­шой части положительного полупериода напряжения сигнала. Эффек­тивность умножителя при этом повышается за счет диффузионной емкости, которая добавляется к барьерной. Такой режим работы диода, очевидно, целесообразен при пониженной рабочей частоте (из-за увеличения среднего значения емкости) и достаточно большой величине сигнала (из-за увеличения шумов, связанных с инжекцией в базу диода неосновных носителей).

Для целей умножения частоты могут быть использованы и другие, не специализированные по этому назначению диоды СВЧ с нелинейной вольтфарадной характеристикой и малым сопротивлением потерь, в частности так называемые параметрические диоды, основным назначением которых является усиление колебаний СВЧ. Параметрические диоды по существу являются варикапами диапазона СВЧ и обладают хорошими умножительными свойствами.

Ценным свойством маломощных смесительных, детекторных и умножительных диодов является их взаимозаменяемость.

Усилительные и генераторные диоды. Полупроводниковые диоды позволяют осуществлять усиление и генерирование колебаний диа­пазона СВЧ. При этом используется либо эффект параметрического усиления, либо явления, связанные с наличием отрицательного со­противления переменному току.

Параметрическое усиление достигается при изменении емкости параметрического диода с помощью генератора накачки, частота колебаний которого связана определенным соотношением с частотой усиливаемого сигнала. Недостатками параметрического усиления являются необходимость в генераторе накачки и относительно уз­кая полоса частот усиливаемых колебаний. Однако чрезвычайно низкий уровень шумов (до 2 дБ и менее), обусловленный малыми сопротивлением и обратным током, компенсирует указанные недо­статки.

Усиление и генерирование, основанные на использовании от­рицательного сопротивления переменному току, могут быть осуществлены с помощью туннельных диодов, лавинно-пролетных диодов и диодов Ганна. Для этого полупроводниковый диод помещается в колебательную систему со специально-подобранными параметрами. Возбуждение колебаний обеспечивается подачей такого напряжения смещения, при котором появляется отрицательное сопротивление диода переменному току.

Переключательные диоды. Переключение цепей в диапазоне СВЧ может быть осуществлено с помощью переключательных диодов, прин­цип действия которых основан на использовании нелинейной зави­симости сопротивления полупроводникового диода от напряжения смещения.

Работу переключательного диода можно рассмотреть на приме­ре выполнения им функции выключателя в линии

передачи (рис. 2) Полное сопротивление диода Z

может изме­няться путем подачи на его электроды соответствующего напряжения смещения, благо­даря чему выключатель может иметь два ' основных состояния: состояние пропус­кания, при котором мощность СВЧ колебаний попадает в нагрузку, и состояние запирания, при ко­тором нагрузка отключается от источника.

Эффективность выключателя с диодом характеризуется потеря­ми передачи, которые определяются как отношение падающей мощ­ности к прошедшей мощности. Потери передачи в состоянии запи­рания L_з, должны быть по возможности большими, а в состоянии пропускания L_п - малыми.

Наибольшая эффективность выключателя достигается при исполь­зовании в каждом состоянии резонансов в колебательном контуре, который образуется либо с помощью элементов самого диода, на­зываемого в этом случае резонансным, либо включением специаль­ных настроечных элементов СВЧ тракта, обеспечивающих резонанс на заданной частоте. Состояние пропускания при использовании резонансов соответствует параллельному контуру, а состояние запирания - последовательному контуру. Эквивалентность диода и настроечных элементов тому или иному контуру может быть обес­печена как прямым, так и обратным смещением р - n перехода.

Для оценки переключательных свойств диода используется па­раметр К , называемый качеством диода и определяемый соотношением К =(√ L_з - 1) / (√ L_п + 1).

Качество переключательных диодов обычно бывает порядка сотен (например, 500 для диода 1A504A), потери пропускания составляют десятые доли децибела, а потери запирания - десятки децибел.

Важными параметрами переключательного диода являются время установления и время восстановления, определяемые примерно так же, как и для импульсных диодов, и составляющие 10 - 10 с.

Повышенные значения переключаемой максимальной мощности достигаются в диодах с pin -структурой. Диоды такой конструк­ции отличаются от диодов с р - n переходом наличием между низкоомными слоями с р - и n -проводимостью высокоомного i -слоя с собственной или слабо выраженной проводимостью определенного типа (рис. 3а).

Тонкий высокоомный слой позволяет "разнести" слои

объемного заряда, образующие р-n переход, на расстояние, примерно равное ширине слоя, и тем самым увеличить допустимое обратное напряжение, а значит, и максимальную мощность СВЧ колебаний, выделяющуюся на

смещенном в обратном направлении переходе, и уменьшить емкость перехода. Иными словами, введение высокоом­ного слоя позволяет увеличить площадь перехода без увеличения его емкости, т.е. увеличить допустимое значение прямого тока, обратном и нуле­вом смещении перехода значительно больше, чем при прямом сме­щении. Резкое снижение сопротивления i -слоя при прямом сме­щении перехода объясняется модуляцией сопротивления слоя электронами и дырками, инжектированными из соответствующих низкоомных областей структуры.

На рис.2б показано распределение концентрации носителей заряда в pin - диоде вдоль оси х в равновесном состоянии.

При прямом смещении диода (рис.3в) концентрации электронов и дырок в i -слое увеличиваются и становятся практически одинаковыми ввиду вза­имной нейтрализации заряда электро­нов и дырок. Убывание концентрации к середине слоя объясняется рекомбинацией диффундирующих в противо­положных направлениях электронов и дырок.

Распределение концентраций но­сителей заряда при обратном смеще­нии отличается от равновесного

рас­пределения в основном только коли­чественно (рис.3г). Концентра­ция носителей заряда в i -слое вследствие экстракции носителей из приграничных областей уменьшается в большей степени, чем при нулевом смещении. Емкость pin-диода при обратном смещении не зависит от напряжения, так как расстояние между "обкладками" эквивалентного конденсато­ра остается постоянным и равным ширине i -слоя.

При использовании pin-диода в качестве выключателя его рабочий режим выбирается часто таким, чтобы одному состоянию ди­ода соответствовало прямое, а другому - нулевое смещение пере­хода. Время переключения в таком режиме определяется в основном рекомбинацией носителей заряда в i-слое и может составлять десятки микросекунд.

С целью уменьшения времени переключения на pin-диод це­лесообразно подавать импульсы обратного напряжения и прямого тока. В первом случае уменьшается время восстановления, так как накопленные в i - слое носители заряда быстро экстрагиру­ются из слоя электрическим полем, а во втором - время уста­новления.

Возможность изменения в широких пределах сопротивления pin - структуры при прямом смещении позволяет использовать такой режим для регулирования уровня мощности, т.е. использо­вать pin - диод в качестве электрически управляемого аттенюа­тора.

Диоды с pin - структурой могут рассеивать значительно боль­шую мощность СВЧ колебаний, чем диоды с р-n структурой. Поэто­му и максимальная средняя мощность, при которой обеспечивается работоспособность диода, у pin -диодов значительно выше. Вслед­ствие большой величины максимально допустимого обратного напря­жения pin -диоды остаются работоспособными при воздействии им­пульсной мощности 10 кВт и более при условии, что средняя мощ­ность не превышает максимально допустимую.

Диоды с pin-структурой обычно имеют металлокерамический корпус, но могут быть и бескорпусные конструкции, предназначен­ные для использования в полосковых линиях СВЧ. Существуют также конструкции диодов с nipin - структурой,в которых два pin -диода включены навстречу друг другу, так что средний р - слой является общим для обоих диодов и имеет общий вывод.

Среди переключательных диодов особое место занимают огра­ничительные диоды, предназначенные для ограничения уровня мощ­ности СВЧ колебаний. Эти диоды управляются самим СВЧ сигналом и не требуют для своей работы подведения напряжения смещения. Электрические параметры р – n структуры ограничительного ди­ода подбираются таким образом, чтобы наблюдалась сильная за­висимость сопротивления диода от мощности СВЧ колебаний. При малом уровне мощности СВЧ колебаний сопротивление диода вели­ко и ограничения не наблюдается. При увеличении уровня сигна­ла сопротивление диода падает, потери передачи растут, а мощ­ность, передаваемая в нагрузку, достигает некоторого значения и в дальнейшем практически не увеличивается.

Переключательные диоды в технике СВЧ способны выполнять и другие задачи. В частности, переключательные диоды могут ис­пользоваться в качестве фазовращателей, стабилизаторов уровня сигнала, импульсно-кодовых модуляторов и т.д.

Транзисторы СВЧ

Биполярные транзисторы СВЧ обычно выполняются в виде полосковых структур (рис.4), позволяющих устранить вредные последствия эффекта оттеснения тока эмиттера от центральных областей эмиттера к периферии, получить достаточное отношение периметра эмиттера к его площади и тем самым обеспечить требуемый ток эмиттера. В мощных транзисторах СВЧ это достигается путем применения многоэмиттерных структур, у которых эмиттер состоит из большого числа (десятков - сотен) отдельных

эмиттерных областей, соединенных параллельно с помощью металлизированных полосок. Применяют в основном два типа структур - ре­шетчатую и полосковую. В решетчатой структуре эмиттерные области, располагаемые горизонтально в теле базы, имеют квадратную форму. В полосковой структуре эмиттер, контактные площадки выводов базы и эмиттера имеют гребенчатую форму (рис.5). С целью предотвращения теплового пробоя локальных участков эмиттерных переходов в эмиттерные цепи мощных транзисторов СВЧ включают в виде элементов токоограничивающие резисторы. Они обеспечивают равномерное распределение эмиттерного тока между отдельными областями и препятствуют росту тока эмиттера прислучайных понижениях высоты потенциального барьера на локальных участках эмиттерных переходов областей, возникающих, в частности, из-за флюктуации параметров материала транзисторной структуры (удельного сопротивления, ширины запрещенной зоны и др.). Полевые транзисторы СВЧ изготовляются на основе кремния или арсенида галлия и преимущественно с

каналом n -типа (из-за большей по сравнению с дырками подвижности электронов в канале). Для увеличения мощ

ности полевых транзисто­ров применяют многоканаль­ные структуры, в которых однотипные электроды тран­зистора

соединяют параллельно. Помимо однозатворных полевых транзисторов в диапазоне СВЧ находят применение также двухзатворные полевые транзисторы - полевые тетроды СВЧ. Эти приборы имеют два параллельно расположенных затвора, помещенных между истоком и стоком. При включении та­ких транзисторов по схеме с общим истоком входное напряжение подводится к первому затвору, а на второй подается управляющее напряжение, с помощью которого регулируется коэффициент усиления транзистора. Полевые тетроды СВЧ по сравнению с однозатворными транзисторами имеют больший коэффициент усиления, а также обладают повышенной стабильностью работы ввиду меньшей обрат­ной связи между входом и выходом прибора.

Транзисторы СВЧ как усилительные приборы характеризуются диапазоном рабочих частот, выходной мощностью, КПД, коэффициентами усиления и шума.

В режиме малого сигнала свойства транзисторов СВЧ как линейных четырехполюсников описывают с помощью S-параметров, которые определяются, как правило, экспериментально и выражаются через комплексные амплитуды напряжений, действующих на входе и выходе транзистора. На рис.6 показана схема, поясняющая определе-

Рис.6

ние S-параметров транзистора СВЧ, где ρ - вол­новое сопротивление подключенных к транзистору СВЧ линий, Z -внутреннее сопротивление генератора ЭДС, Z_H – сопротивление нагрузки, U_1пад , U_2пад.- комплексные амплитуды напряжений падающих волн, U_1отр, U_2отр - комплексные амплитуды напряже­ний отраженных волн. Из рисунка для S -параметров следует:
S₁₁ = U_1отр / U_1падпри U_2отр= 0 или Z_H = ρ,

S₂₂ = U_2пад / U_2отр при U_1пад= 0 или Z_i = ρ

S₁₂ = U_1отр / U_2отрпри U_1пад= 0 или Z_i = ρ,

S₂₁ = U_2пад / U_1пад при U_2отр= 0 или Z_H = ρ

Современные транзисторы СВЧ позволяют получить выходную мощность в непрерывном режиме от десятых долей ватта до сотен ватт. Коэффициент усиления транзисторов составляет 5 - 15 дБ, коэффициент шума - единицы децибел, КПД - 25 - 70%.