Особенности принципов работы и устройства

В качестве полупроводниковых приборов СВЧ (ПП СВЧ) находят применение специальные полупроводниковые диоды СВЧ. Диод – двухэлектрод-ный прибор (di – дважды, греч.). При подаче на него разнополярных напряжений электроды называют катод (-) и анод (+).

Диоды можно разделить на две группы:

− на основе р-п-переходов и эффектов в них (лавинно-пролетные диоды – ЛПД, туннельные диоды – ТД, диоды с накоплением заряда – ДНЗ);

− на основе специфических физических эффектов в полупроводниках определенной проводимости (без р-п-переходов) (диоды Ганна – ДГ, акустоэлект-ронные эффекты в полупроводниках).

В ЛПД, применяемых как автогенераторы и усилители СВЧ (в них частота колебаний определяется резонатором), использован принцип отдачи энергии в тормозящей фазе электрической составляющей ЭМП сгустками электронов, обра-зующимися в р-п-переходе в моменты лавинного пробоя при превышении про--бивного обратного напряжения суммой постоянного и мгновенного значения СВЧ-напряжений (эффект Тагера-Рида, 1959 г.). Наибольшее применение в ЛПД находит структура диода Рида (p⁺- n-i-n⁺) с областью дрейфа электронов в слое нейтрального (i) полупроводника с собственной (intrinsic) проводимостью. Используются и другие структуры (обычный р-п-переход, выполняемый техно-логически как структура p⁺-p-n-n⁺ с двумя областями дрейфа: электронов в n-области и дырок в p-области, а также p⁺-i-n⁺ и p⁺- n-n⁺ – структуры). Типовой режим работы с дрейфом носителей через соответствующий слой называется пролетным (IMPATT – Impact Avalanche Transit Time). При больших токах через ЛПД, когда сумма постоянного и СВЧ-напряжений значительно превышает пробивное напряжение (U_проб), в ЛПД образуется большая область электронно-дырочной плазмы (с распространением в ней лавинно-ударного фронта), быстро заполняющая область дрейфа с задержкой выхода их неё носителей по причине резкого уменьшения падения напряжения на малом плазменном сопротивлении ЛПД. Такой режим называется аномальным или режимом с «захваченной плазмой» (TRAPATT – Traped Plasma Avalanche Triggered Transit). В этом режиме частота колебаний ниже, а генерируемая мощность и КПД в несколько раз больше (используется импульсный режим).

Применяются ТД как генераторы и усилители СВЧ-колебаний (частота определяется внешним резонатором), имеющие вольт-амперную характеристику со спадающим участком N-типа. Работа диода основана на туннельном эффекте прохождения (за время порядка 10^-13 с) электронов через потенциальный барьер вырожденного р-п-перехода (с узкой областью объемного заряда), включенного в прямом направлении. В данном курсе ТД не рассматриваются.

Вариант туннельного диода с отсутствием N-характеристики (но также с большим обратным током) называется обращенным ТД и используется как детекторный или смесительный диод СВЧ.

Находят применение на СВЧ и другие диоды с эффектами в р-п-переходах, например диоды с накоплением заряда (ДНЗ), в которых используется диф-фузионный р-п-переход с плавным распределением примесей и в котором «вытя-гивание» инжектированных в базу носителей («дырок») при переключении диода с прямой полярности напряжения на обратную происходит за очень малое время, создавая большой импульс обратного тока с крутым фронтом. Эти диоды исполь-зуются как формирователи импульсов и умножители частоты (УЧ) в диапазоне СВЧ. Они также в этом курсе не изучаются.

Диоды Ганна применяются как автогенераторы и усилители СВЧ-колебаний. Эффект Ганна (1963 г.) представляет собой явление объемной неустойчивости в «двухдолинных» полупроводниках (обычно п-типа из арсенида галлия, фосфида индия и др.) при подаче на них напряжения U_питбольше некоторого порогового значения U_пор. При U_пит ≥ U_пор в цепи возникают импульсы тока в диапазоне СВЧ. Для того чтобы частота колебаний определялась внешним резонатором, исполь-зуются режимы с задержкой (ЗД) или с подавлением домена (ПД) пространст-венного заряда (сильного поля), а также бездоменный режим ограничения накоп-ления объемного заряда – ОНОЗ (LSA – Limited Space Accumulation).

В акустоэлектронных усилителях (АЭУ) используются электрострикция в полупроводниках и взаимодействие электронов с акустоэлектрической волной (по аналогии с ЛБВ-0 и ЛБВ-Е).

Кроме перечисленных, характеризующих принципы работы каждого вида диода, существует ряд особенностей, которыми отличаются работа и конструкции ПП СВЧ от большинства ЭП СВЧ:

− использование внешних КС или ЗС для генерации и усиления колебаний СВЧ;

− малость геометрических размеров по сравнению с длиной волны λ генерируемых или усиливаемых колебаний СВЧ;

− отсутствие использования магнитного поля, что позволяет применять для анализа лишь часть уравнения Лоренца, как это делается в отражательном клистроне:

, (6.1)

(обычно т=const, так как υ_е<<с);

− широкое применение бескорпусных диодов СВЧ в интегральных схемах и микросхемах СВЧ;

− широкое использование в качестве перестраиваемых магнитным полем КС и фильтров на монокристаллах ферритов (парамагнетиков) с явлением ферромагнитного (парамагнитного) резонанса железисто-иттриевого граната (типа ЖИГ) и др.

Полупроводниковым приборам СВЧ свойственны общие особенности, кото-рые отмечены и для электронных приборов СВЧ:

− использование взаимодействия с полем СВЧ свободных электронов (но в теле полупроводника);

− соизмеримость времени пролета τ_пр и периода Т колебаний СВЧ, использование понятия угла пролета Θ=ωτ_пр;

− применение для получения различных видов модуляции (АМ, ИМ, ЧМ) воздействия на режим работы диодов;

− использование для расчета понятий наведенного тока i_нав.