1.2.6. Высокочастотные диоды и диоды Шоттки

Высокочастотные (ВЧ) диоды применяются в основном в качестве детекторов ВЧ сигналов, ограничителей напряжения, нелинейных сопротивлений и коммутационных элементов. Они имеют точечную структуру (рис.21), так как эффективность выпрямления ВЧ сигнала (детектирования) существенно возрастает при уменьшении площади выпрямляющего контакта и при снижении времени жизни неосновных носителей заряда [10].

Рис. 21. Точечный высокочастотный диод

Выпускаются как германиевые точечные диоды, например, Д2, Д9-14, характеризующиеся широким спектром выпрямленных токов (3–5мА) и обратных напряжений (10–150В), так и кремниевые, например Д101–106, с параметрами соответственно 10–30мА и 30–100В, и функционирующие в ВЧ устройствах в диапазоне частот до 150МГц.

Следует отметить, что вышерассмотренные плоскостные быстродействующие импульсные диоды, в частности, Д219, Д220, КД503, КД510 и другие, могут успешно конкурировать в ВЧ схемах с точечными диодами. Так как площадь p-n-перехода у точечных диодов мала, то емкость перехода составляет не более 1пФ в диапазоне частот до нескольких сотен мегагерц. Коэффициент выпрямления (детектирования) диодов определяется следующей формулой [8]:

(32)

где – падение напряжения на диоде при протекании прямого тока ; и – сопротивления диода для постоянного тока при номинальных значениях обратного и прямого напряжений соответственно; – эквивалентная емкость диода, которая для малого сигнала приблизительно равна зарядной емкости p-n перехода; – последовательное сопротивление областей полупроводникового кристалла и выводов диода; – частота сигнала.

Типичные ВАХ точечных диодов и их аппроксимации при определении прямого и обратного сопротивлений диодов изображены на рис. 22.

Из формулы (32) ясно видно, что эффективность выпрямления возврастатет при уменьшении емкости , т. е. при использовании точечного p-n перехода. Кроме того, полупроводниковый материал берется низкоомным, чтобы уменьшить .

Типовая схема включения точечного диода для детектирования амплитудно-модулированных (АМ) сигналов и формы колебаний на входе и выходе схемы показаны на рис. 23.

Рис. 22. Вольтамперные характеристики точечных диодов (а) аппроксимация характеристики при определении прямого и обратного сопротивлений диодов (б)

Рис. 23. Схема диодного детектора (а) и формы входного (б) и выходного напряжений без емкости (в) и с емкостью (г)

В этой схеме АМ колебания подводится на вход ( ) диодного детектора, например, в радиовещательном приемнике, от резонансного контура, настроенного на несущую частоту и имеющего достаточную ширину полосы пропускания для выделения АМ колебания. При этом постоянная времени подбирается на основании соотношения (33) таким образом, чтобы ВЧ составляющая отфильтровывалась, а на выходе действовала только постоянная составляющая и полезный модулирующий сигнал (рис.23,в).

(33)

где – частота несущего ВЧ колебания, Гц; – низкая частота модулирующего полезного сигнала, Гц.

В последние годы все большее применение находят диоды Шоттки (нем. физик; 23.07.1886 – 4.03.1976), рассмотренные в разделе 1.2.1, основанные на выпрямляющем свойстве перехода металл-полупроводник. В качестве металла используют золото, никель, алюминий, платину, вольфрам, молибден, ванадий и другие. Малое прямое сопротивление металла и малая барьерная емкость (не более 0,01пФ)позволяет использовать эти диоды на сверхвысоких (СВЧ) частотах вплоть до 250ГГц. Время переключения диодов – меньше 0,1нс, обратные токи – несколько микроампер, обратные напряжения лежат в интервале 10-1000В. Современные диоды Шоттки, например, арсенидгаллиевые типа АА-707А-Ж, И, К, используются в генераторах и усилителях длин волн 2 и 3см в режимах =25-140мА, =33-85В, рабочие частоты 8,3-16,7ГГц; при этом =0,3-0,8пФ [10].