Полупроводниковые диоды для СВЧ
На сверхвысоких частотах широкое распространение получили маломощные точечные полупроводниковые диоды. Полупроводниковые диоды для СВЧ, как правило, имеют коаксиальную конструкцию (рис. 3.19) для более удобного их соединения с коаксиальными линиями или волноводами. Коаксиальные выводы диодов устраняют вредное влияние емкости и индуктивности этих выводов.
Рис. 3.19. Коаксиальные конструкции диодов СВЧ
Детекторные диоды используются в приемной и измерительной аппаратуре всего СВЧ-диапазона. Смесительные диоды применяются в той же аппаратуре для преобразования частоты. У полупроводниковых диодных преобразователей значительно меньше уровень собственных шумов.
Параметрические диоды (варикапы) чаще всего используются в параметрических малошумящих усилителях. В таких усилителях эти диоды 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, применяют для умножения частоты. Поскольку диод является нелинейным прибором, то с помощью модуляторных диодов осуществляют модуляцию колебаний СВЧ.
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 (рис. 3.20). При отсутствии внешнего напряжения сопротивление этой области велико. Оностановится 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 в целом резко снижается (в 103 — 104 раз). У мощных р — i — n-диодов напряжение пробоя i-области составляет несколько киловольт, и поэтому такие диоды могут применяться для переключения мощностей до десятков киловатт в импульсе.
Рис. 3.20. Структура p – i – n диода
Существует множество самых различных схем использования переключательных диодов для решения разнообразных задач в СВЧ-устройствах. В качестве примера на рис. 3.21 приведена одна из схем.
Рис. 3.21. Схема переключения с p – i – n диодами
Если на левый диод (рис 3.21) 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 почти накоротко диодом, будет играть роль металлического изолятора. При обратной полярности управляющих напряжений (знак в скобках) диоды поменяются ролями и сигнал будет передаваться только в линию 2.
Для переключения и других процессов в технике СВЧ применяются диоды Шотки. Они обладают большим быстродействием, зависящим только от времени пролета электронов через высокоомный слой полупроводника (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 15 — 20 ГГц и время переключения у них составляет десятые и даже сотые доли наносекунды.
Лавинно-пролетные диоды
Для усиления и генерации колебаний СВЧ могут успешно применяться лавинно-пролетные диоды (ЛПД или IMPATT – Impact Avalanche and Transit Time). Эти диоды работают в режиме электрического пробоя при постоянном обратном напряжении и при известных условиях могут обладать отрицательным сопротивлением для переменного тока. 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 в режиме пробоя происходит лавинообразное нарастание тока — электрическая лавина. Вследствие конечного времени пролета носителей через p – n – переход, эта лавина достигает максимума с некоторым запаздыванием по отношению к вызвавшей ее 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 получается также ничтожно малым, поэтому отрицательное дифференциальное сопротивление практически отсутствует. ЛПД могут иметь не только p – n – структуру, но и более сложную, например в диодах IMPATT используется структура п+ - p - i - p+,
При применении ЛПД для усиления сигналов сказывается их недостаток — относительно высокий уровень собственных шумов.
Диод Ганна
Эффект Ганна состоит в том, что при достаточно большом напряжении, приложенном к полупроводнику, в этом полупроводнике возникают СВЧ-колебания.
Диод Ганна представляет собой полупроводниковый кристалл без p – n –перехода, в котором создано сильное постоянное электрическое поле. Для включения диод имеет два электрода: анод и катод. Должен применяться такой полупроводник, который имеет две зоны проводимости, например арсенид галлия. 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 на вольт-амперной характеристике возникает падающий участок, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению (рис. 3.22).
Рис. 3.22. Вольт-амперная характеристика диода Ганна
Дальнейшее увеличение приложенного напряжения снова вызывает примерно пропорциональное возрастание тока.
Вследствие неизбежных неоднородностей в полупроводнике рассмотренное повышение сопротивления под действием сильного поля происходит 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 (рис. 3.23).
Рис. 3.23. Домен в диоде Ганна
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 электронный 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, частоты которых при соответствующей достаточно малой длине пути домена (расстоянии анод — катод) оказываются в диапазоне СВЧ. Частота этих колебаний:
, (3.19)
где 
— скорость перемещения домена, составляющая для арсенида галлия примерно 107 см/с; L—длина полупроводника (обычно единицы микрометров для диодов Ганна).
Отсюда следует, что, например, при L= 10 мкм частота колебаний f = 107/10-3 = 1010 Гц = 10 ГГц.
Биполярные транзисторы