Часть 1

будет обладать односторонней проводимостью, если на частоте сигнала выполняется условие: 1ωСбар. ? rд.обр. .

Для выполнения этого условия необходимо уменьшать емкость Cбap. , поэтому по конструкции такие диоды, в зависимости от мощности, либо точечные, либо микросплавные.

Основное отличие ВЧ диодов – обратная ветвь вольт-амперной характеристики плавно понижается (увеличивается обратный ток, постепенно переходя в область электрического пробоя) (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Типовая ВАХ СВЧ диодов

Такое понижение обратной ветви ВАХ объясняется усиленной термогенерацией собственных носителей зарядов на малой площади p-n-перехода. Обычно пробивное напряжение невелико и составляет 3 – 5 вольт [2].

Микросплавные ВЧ диоды имеют большую барьерную емкость, чем точечные, и для того, чтобы их можно было использовать на высоких частотах, вблизи p-n-перехода понижают концентрацию акцепторной и донорной примеси (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Концетрация примесей в СВЧ диодах

Понижение концентрации примеси приводит к увеличению ширины p-n-перехода, следовательно, к уменьшению барьерной емкости:

Сб = e × e0D× Sp - n .

X

91

4.7.3. СВЧ диоды

Сверхвысокочастотными называют полупроводниковые диоды, используемые для преобразования, детектирования, усиления, умножения, генерирования и управления уровнем мощности сигналов сантиметрового

имиллиметрового диапазонов волн.

Вдиапазоне СВЧ в качестве линий передачи энергии и колебательных систем применяются устройства с распределенными параметрами (волноводы, фидерные линии, резонаторы и др.). Конструкция СВЧ диодов позволяет включать их в волноводно-фидерные тракты и обеспечивает получение малых емкостей и индуктивностей вводов при незначительных потерях энергии. Эквивалентная схема диода с учетом последовательной

индуктивности Lnoc. и емкости корпуса Скор. представлена на рис. 4.21, там же показаны конструкции СВЧ диодов. В корпус диода, образованного короткими толстыми вводами 1, имеющими малую индуктивность, и изолятором 2, изготовленным из высокочастотной керамики с малыми потерями, помещается кристалл полупроводника 3 с р-n-переходом.

Вбольшинстве диодов используется точечный р-п-переход (исключение составляют некоторые переключательные диоды). Для увеличения рабочей частоты уменьшают время жизни неравновесных носителей зарядов в базе путем повышения концентрации примесей в полупроводнике. Таким образом, для изготовления p-n-перехода берется кристалл полупроводника с малым удельным сопротивлением. На поверхности такого полупроводника существуют участки с другим типом проводимости. Прижатием конца контактной пружины к одному из этих участков получают р-n- переход малой площади и, следовательно, незначительной емкости. Из-за высокой концентрации примесей ширина запирающего слоя оказывается небольшой, и пробой перехода наступает при напряжении 3...5 В. Во втором элементе обозначения диодов СВЧ используется буква А.

Малая электрическая прочность таких диодов требует особой осторожности при обращении с ними. Диоды должны храниться в закрытых металлических патронах. Необходимо исключить возможность разряда через диод, извлекаемый из патрона, статического электричества, накопленного на теле оператора, в блоках аппаратуры и т.д. Поэтому, прежде чем вынуть диод из патрона, оператор должен снять статический заряд прикосновением руки к прибору, в который устанавливается диод.

Заостренная вольфрамовая проволока в виде пружины прижимается к базе с определенным усилием, за счет чего образуется очень малой площади p-n-переход.

92

На СВЧ используются диоды Шоттки и диоды с p-n-переходом, площадь которого значительно меньше, чем у точечных.

Рис. 4.21. Эквивалентная схема, конструкции СВЧ диодов

Диоды Шоттки обладают следующими преимуществами по сравнению с кремниевыми р-n-переходами [4]:

-для получения того же тока требуется более низкое прямое напряжение;

-электропроводность создается только основными носителями (электронами), инжектируемыми из полупроводника в металл. В металле они практически мгновенно рекомбинируют, поэтому накопление неосновных носителей и время восстановления диода при переключении напряжения с прямого на обратное очень малы. Быстродействие определяется скоростью перезарядки барьерной емкости;

За счет низкого прямого напряжения и высокого быстродействия диоды Шоттки используются в выпрямительных и переключающих цепях,

атакже для увеличения быстродействия транзисторов в цифровых схемах, таких, как ТТЛ-логика.

Кнедостаткам диодов Шоттки относятся:

-температурная зависимость тока утечки несколько больше, чем у обычных диодов, использующих р-n-переход;

-максимальное обратное напряжение ниже, чем у обычных кремниевых диодов.

93

Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки такая же, как и у обычных диодов, а обратные токи составляют сотни пикоампер – десятки наноампер.

Смесительные диоды используются в супергетеродинных приемниках для преобразования сигналов СВЧ в сигналы промежуточной частоты.

На смесительный диод поступает принятый сигнал частотой fс и мощностью Рс и сигнал гетеродина Рг частотой fг. Из-за нелинейности характеристики диода в выходной цепи проходят токи различных комбинационных частот. С помощью колебательного контура, настраиваемого на промежуточную частоту fпром = fс – fг, выделяется сигнал промежуточной частоты.

Основным специальным параметром смесительных диодов являются потери преобразования (в децибелах) Ln. Например, диод 2А101А характеризуется следующими параметрами: Ln = 10 дБ, пш = 2 дБ, rвых = 250...550 Ом.

Детекторные диоды предназначены для детектирования сигналов СВЧ. Под детектированием понимают процесс выделения из модулированного напряжения высокой частоты напряжения сигнала более низкой частоты, по закону которого была осуществлена амплитудная модуляция высокочастотного сигнала.

На детекторный диод поступает модулированный высокочастотный сигнал мощностью Рс. Через детекторный диод проходит ток Iвых..

Некоторые детекторные диоды имеют характеристику, близкую к квадратичной, что позволяет использовать их для измерителей мощности колебаний СВЧ.

Параметрическими называют диоды, предназначенные для работы в параметрических усилителях. В основу работы параметрических диодов положено периодическое изменение емкости колебательной системы.

Таким образом, эти диоды являются разновидностью варикапов. Их основные параметры: емкость перехода Спер.; емкость корпуса Скор.; последовательная индуктивность Lnoc.; напряжение пробоя Uпроб.; обратный ток Iобр.; постоянная времени t, диапазон рабочих частот и температур. Напри-

мер, у диода 1А404А Спер. = 0,11 пФ, Скор. = 0,2 пФ, Lnoc. = 1,5 нГн, t = 0,85 пс, Uпроб. = 10 В.

Умножительные диоды используются в умножителях частоты и выполняют в диапазоне СВЧ роль, аналогичную роли умножительных варикапов. Основными параметрами умножительных диодов являются: емкость диода Сд; индуктивность Lnoc.; предельная частота fmах. Например, у

диода ЗА603В Сд = 0,5... 1,2 пФ, Lnoc. = 1,7 нГн, fmах = 200 ГГц.

94

Регулирующими называют полупроводниковые диоды, предназначенные для переключения, ограничения и модуляции сигналов СВЧ.

В ограничительных диодах используется зависимость полного сопротивления диода от мощности подводимого сигнала СВЧ. При больших уровнях мощности полное сопротивление диода обусловлено в основном сопротивлением базы, которое играет роль ограничителя мощности, проходящей по линии передачи. Принцип работы этих диодов основан на изменении полного сопротивления в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. Различают резонансные и p-i-n диоды.

Генераторные диоды. Диоды Ганна. В 1963 г. сотрудник фирмы IBM

Дж. Ганн обнаружил, что при приложении к кристаллу арсенида галлия напряжения, создающего напряженность электрического поля более 105 В/см, возникают колебания высокой частоты. Исследования показали, что такое явление, названное эффектом Ганна, наблюдается и у кристаллов некоторых других соединений. Этот процесс объясняется эффектом образования при критических напряженностях поля в кристалле доменов (сгустков) электронов и их перемещения от одного электрода к другому

(рис. 4.22).

Трудно получить величину L менее 10 мкм, поэтому частоты сигналов, генерируемых диодами Ганна, не превышают 1010 Гц. При этом критическая напряженность поля достигается при напряжении 5...40 В, что является препятствием для получения больших мощностей колебаний.

Исследования показали, что возможно создание генераторов Ганна мощностью 400 кВт в импульсе и частотой до 50 ГГц.

Рис. 4.22. Пояснения к работе диода Гана

Лавинно-пролетные диоды (ЛПД). Лавинно-пролетными называют диоды с отрицательным сопротивлением в диапазоне СВЧ, обусловленным лавинным размножением носителей зарядов в р-n-переходе и ограничением скорости их дрейфа. В основе действия ЛПД лежит пробой р-n- перехода. При пробое р-n-перехода возникшие электронно-дырочные пары

95

движутся в области объемного заряда (область i) в сильном электрическом полe (более 5000 кВ/м) (рис. 4.23). При такой напряженности поля скорость дрейфа электронов не увеличивается с ростом электрического поля. Это насыщение скорости вызывает сдвиг фаз между током и переменным напряжением, прикладываемым к диоду. Выбором режима и ширины области объемного заряда можно добиться сдвига фаз на 180°. Нарастанию напряжения при этом соответствует уменьшение тока, т.е. диод имеет отрицательное сопротивление. Это позволяет использовать такие диоды в качестве генераторов СВЧ колебаний.

i p

n

Рис 4.23. Структура лавинно-пролетного диода с р-i-n-переходом

Кроме рассмотренной структуры, существуют ЛПД с р-n-переходом типа p+-n-i-n+ (n+-p-i-p+). Последние были предложены Ридом в 1964 г., их называют диодами Рида.

ЛПД изготавливают из германия, кремния и арсенида галлия. Их рабочие частоты достигают сотен гигагерц при мощности колебаний до десятков ватт в импульсе. Недостатком таких диодов является низкий кпд, что обусловлено узким диапазоном амплитуды переменного напряжения, при котором существует отрицательное сопротивление.

К тоннельным относятся диоды, у которых за счет тоннельного эффекта на прямой ветви вольт-амперной характеристики существует область с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Вторым элементом их обозначения является буква И.

Тоннельный переход электронов через р-n-переход возможен, если толщина перехода мала и энергетическим уровням, заполненным электронами в одной области, соответствуют такие же свободные разрешенные энергетические уровни в соседней области.

Время тоннельного прохождения электронов через переход составляет 10-13 с. На самом деле тоннельные диоды работают с меньшим быстродействием из-за емкости диода и потерь.

В состоянии равновесия электроны могут совершать тоннельные переходы в обоих направлениях, в результате чего суммарный ток равен нулю (рис. 4.24, участок а). Небольшое прямое напряжение уменьшает высоту энергетического барьера, что отражено на рис. 4.24, участок б. В результате свободные энергетические уровни окажутся на одной высоте с

96

энергетическими уровнями электронов n-области, расположенными ниже уровня Ферми в n-области. Вследствие этого электроны будут тоннелировать из зоны проводимости n-полупроводника в валентную зону p- полупроводника. Максимальный тоннельный ток соответствует полному взаимному перекрытию рассматриваемых энергетических зон (см. рис. 4.24, участок в). Дальнейший рост прямого напряжения на диоде уменьшает взаимное перекрытие зон (рис. 4.24, участок г), что приводит в конечном счете к нулевой величине тоннельного тока. При этом существенное влияние на общий ток оказывает инжекционная составляющая, которая, как и в обычном диоде, резко увеличивается с ростом прямого напряжения (см. рис. 4.24, участки д, е).

При обратном включении рост обратного напряжения увеличивает это взаимное перекрытие. Электроны из валентной зоны p-полупроводника будут тоннелировать в зону проводимости n-полупроводника (см. рис. 4.24, участок ж). Это явление можно считать тоннельным пробоем, при котором величина обратного тока значительно превышает ток экстракции обычных полупроводниковых диодов.

По своему назначению тоннельные диоды делятся на усилительные, генераторные, переключательные. Тоннельные диоды позволяют создавать усилители, генераторы, смесители в диапазоне волн вплоть до миллиметровых. На тоннельных диодах можно строить и различные импульсные устройства: триггеры, мультивибраторы и спусковые схемы с очень малым временем переключения.

Рис. 4.24. Конструкция и вольт-амперная характеристика тоннельного диода: 1 – крышка; 2 – верхний электрод; 3 – капля; 4 – кристалл;

5 – изолятор; 6 – золоченые выводы

Обращенными называют полупроводниковые диоды, в которых вследствие тоннельного эффекта проводимость при обратном напряжении значительно больше, чем при прямом. Это достигнуто введением критической концентрации примесей в структуру тоннельного диода.

97

Рис 4. 26. Внешний вид

одного из первых диодов

Рис. 4.25. Характеристика

обращенного диода

При включении такого диода в обратном направлении за счет тон- нельного эффекта электроны из валентной зоны n-области переходят на свободные уровни зоны проводимости n-области, и через переход прохо- дит большой обратный ток. Если включить диод в прямом направлении, то перекрытия зон не происходит, тоннельный эффект не появляется и пря- мой ток определяется лишь диффузионным током. Поскольку у этих дио- дов прямой ток меньше обратного, они названы обращенными (рис. 4.25). Третьим элементом обозначения этих диодов является цифра 4.

Малая инерционность, низкий уровень соб- ственных шумов, связанные с тоннельным прохо- ждением тока, и большая кривизна характеристи- ки обусловливают целесообразность использова- ния обращенных диодов в детекторах и смесите- лях диапазонов СВЧ, в качестве переключатель- ных и т.д.

Первые отечественные серийные диоды (кристаллические детекторы)

Еще на заре зарождения радиотехники, ко- гда только начали входить в технику связи пер- вые безламповые приемники, кристаллический детектор играл важную

роль, с его помощью преобразовывались принимаемые сигналы. Сначала для детектирования употреблялись естественные кристаллы, такие как га- ленит, пирит, цинкит, оловянный камень, карборунд, арсенопирит, медный колчедан и другие.

Кристаллический детектор (рис. 4.26) пред- ставлял собой систему, включающую чашечку с впаянным в нее каким-нибудь детектирующим

кристаллом и подвижную контактную пружину с заостренным концом. При работе с таким детек- тором всегда приходилось находить на поверхно- сти кристалла нужную чувствительную точку, что было весьма неудобным. В течение несколь- ких лет кристаллические детекторы успешно при- менялись в беспроводной связи, пока не начался промышленный выпуск электронных ламп,

внесших в радиотехнику подлинную революцию. Многие были уверены, что кристаллические детекторы никогда больше не понадобятся.

98

Однако это предвидение не оправдалось. Интенсивное развитие коротковолновой и военной техники привело к тому, что пришлось снова обратиться к ним. Оказалось, что электронная лампа в силу присущих ей некоторых недостатков не может хорошо выполнять свои функции в радиотехнических устройствах, работающих на очень коротких волнах. Физики вспомнили, что кристаллические детекторы лишены этих недостатков, и начали разрабатывать новые, современные типы детекторов. Их усилия увенчались успехом, и радиотехники получили в свое распоряжение детекторы, изготовленные из кремния и германия.

Конструкции и внешний вид первых советских серийных диодов приведены на рис. 4.27 (материалы с http://www.leninburg.com/trans/).

Рис. 4.27. Первые советские серийные диоды:

1 и 3 – нижний и верхний штырьки детектора; 2 – керамический патрон; 4 – проволочные выводы; 5 – кристаллодержатель; 6 – германиевый кристаллик;

7 – контактная пружинка (к верхней схеме)

Конструкция современного кристаллического германиевого детектора несложна. Небольшой германиевый кристаллик с электронным механизмом проводимости припаивается к нижней ножке детектора. Наружная поверхность кристаллика тщательно отполировывается и затем подвергается химической обработке. В результате этой обработки тонкий поверхностный слой кристаллика приобретает новые свойства – механизм его электропроводности становится дырочным. Следовательно, вместо прежде однородного по своим электрическим свойствам кристаллика получается кристаллик, в котором электронный германий непосредственно контактирует с дырочным.

99

На рис. 4.28 показан внешний вид диодов Д2.

Рис. 4.28. Популярные диоды Д2 в двух вариантах исполнения

Контрольные вопросы

1.Перечислите признаки, положенные в основу классификации полупроводниковых диодов.

2.Расскажите о системе маркировки диодов.

3.Приведите УГО различных типов диодов.

4.Расскажите об особенностях конструкции диодов, названиях элек-

тродов.

5.Перечислите основные параметры диодов и укажите особенности диодов различного типа.

6.Чем отличается стабилитрон от стабистора?

7.Что такое TVS диод?

8.Варикап: принцип действия, схема включения, применение, па-

раметры.

9.Как ведет себя добротность варикапа с ростом частоты и почему?

10.Особенности работы, конструкции и параметры импульсных диодов.

11.СВЧ диоды: конструкция, разновидности, применение.

Список использованных литературных источников

1.Москатов, Е. А. Электронная техника / Е. А. Москатов. – Таган-

рог, 2004. – 121 с.

2.Петров, К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника : учеб. пособие / К. С. Петров. – СПб. : Питер, 2003. – 512 с. : ил.

3.Валенко, В. С. Электроника и микросхемотехника : учеб. пособие / В. С. Валенко, М. С. Хандогин. – Минск : Беларусь, 2000. – 320 с. : ил.

4.Булычев, А. Л. Электронные приборы / А. Л. Булычев и др. – М. :

ЛайтЛтд., 2000. – 416 с. : ил.

5.Шелестов, И. П. Радиолюбителям : полезные схемы. Кн. 5 / И. П. Шелестов. – М. : СОЛОН-Пресс, 2003. – 240 с. : ил.

6. Гуртов, А. В. Твердотельная электроника : учеб. пособие / А. В. Гуртов. – Петрозаводск : ПетрГУ, 2004. – 312 с.

7.Полупроводниковые приборы : справочник. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы / под общ. ред. Н. А. Горюнова. – М. : Энерго-

издат, 1987. – 743 с.

8.Полупроводниковые приборы : справочник. Транзисторы / под общ. ред. И. А. Горюнова. – М : Энергоиздат, 1985.

100