Сверхвысокочастотные диоды
Сверхвысокочастотный полупроводниковый диод (СВЧ-диод) - это полупроводниковый прибор, предназначенный для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала.
Полупроводниковые СВЧ-диоды уже длительное время применяют в различной радиоэлектронной аппаратуре и измерительной технике СВЧ-диапазона, т. е. на частотах более 300 МГц
Вначале СВЧ-диоды использовали для детектирования и смешения сигналов. Для этих целей применяли точечные диоды. Созданные впоследствии новые типы СВЧ-диодов практически целиком заменили точечные детекторные и смесительные диоды.
Некоторые из рассмотренных в предыдущих параграфах диоды тоже могут работать на сверхвысоких частотах (импульсные диоды, диоды с резким восстановлением обратного сопротивления).
К СВЧ-диодам, имеющие специфический принцип действия, относятся туннельный и обращенный диоды, варикап, лавинно-пролетный диод, диод Ганна и др.
Мы рассмотрим только туннельный диод и варикап.
Туннельный диод
Рис. 7.3 УГО
Туннельный диод - это полупроводниковый прибор в котором туннельный эффект приводит к появлению на характеристике при прямом включении участка отрицательной дифференциальной проводимости.
Для изготовления туннельных диодов используют полупроводниковый материал с очень высокой концентрацией примесей (1018..-1020 см3). Следствием высокой концентрации примесей в прилегающих к p-n переходу областях является малая толщина перехода (около 10-2 мкм), т. е. примерно на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах.
В тонких переходах – высокая величина электрического поля (перекрытие валентной зоны в p области с зоной проводимости n области) и, следовательно, возможна вероятность туннелирования носителей заряда.
Рис. 7.4 Формирование ВАХ туннельного диода (зонные диаграммы)
При увеличении прямого напряжения прилагаемого к переходу уменьшается степень перекрытия валентной зоны и зоны проводимости и, одновременно уменьшается величина потенциального барьера.
Туннельный диод обладает областью с отрицательным дифференциальным сопротивлением (проводимостью) на прямой ветви ВАХ (рис. 7.4).
Используется в СВЧ технике для генерации и усиления сигналов
Варикап и варактор
Рис. 7.5 УГО
Варикап — это полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости емкости перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.
Варикап, работающий при закрытом p-n переходе, применяется для частотной модуляции и электрической перестройки частоты.
Варикап предназначен для работы при малых амплитудах колебаний.
Есть еще один п/п прибор мало чем отличающийся от варикапа - варактор.
Варактор - диод с р-n переходом, имеющий существенно нелинейную характеристику суммарной емкости (барьерной и диффузионной), как функции напряжения.
Варактор предназначен для работы при больших амплитудах колебаний, когда возможна ситуация, что одну часть периода колебаний p-n переход закрыт, другую - открыт.
Как было показано ранее, диод с p-n переходом обладает барьерной и диффузионной емкостями. Диффузионная емкость проявляется при прямом смещении диода, когда проводимость его велика и велики потери мощности из-за относительно больших активных токов через диод.
!! Варикапы используют только при обратном постоянном смещении (и малом сигнале), когда проявляется только барьерная емкость.
!! Варакторы находятся поочередно в прямом и обратном включении под действием большой амплитуды сигнала (переменного).
Варактор используется в так называемых варакторных умножителях частоты
Зависимость емкости от напряжения смещения различна для варикапов, изготовленных методом диффузии или методом вплавления примесей.
В сплавных варикапах с резким р-n переходом зависимость барьерной емкости от напряжения смещения получается более резкая.
Рис. 7.6 Концентрация примесей и структура варикапа с малым сопротивлением базы
Сопротивление базы варикапа должно быть по возможности малым.
Одновременно для большего пробивного напряжения необходимо большее удельное сопротивление слоев базы, прилегающих к р-n переходу.
Поэтому, базу варикапа делают состоящей из двух слоев (рис. 7.6). Основная часть базы n+ должна быть низкоомной (подложка). Тонкий слой базы n, прилегающий к переходу, должен быть высокоомным.
Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения Uобр.
Задавая профиль легирования в базе варикапа ND(x), можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряжения C(Uобр) - линейно убывающие, экспоненциально убывающие (рис. 7.7).
Рис. 7.7 Зависимости емкости варикапов от обратного напряжения
Пример: схема включения варикапа в колебательный контур
fк = 1/2( Lк(Cк+Cв))0,5 (7.1)
Cбл , Cр > Cк ,Cв и U~ << Eсм
Рис. 7.8 Схема включения варикапа в колебательный контур
Параметры варикапа:
- номинальная емкость Сном при номинальном напряжении смещения (обычно Uсм = 4 В);
- максимальная Сmах и минимальная Сmin емкости;
- коэффициент перекрытия k = Cmax /Cmin ;
- добротность Q, измеряемая как отношение реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь при температуре 200С;
- максимально допустимое напряжение Umах;
- и максимально допустимая мощность Рmах ;
- ТКЕ, показывающий относительное изменение емкости на 10С.
Светоизлучающие диоды (СИД), или светодиоды
Рис. 7.9 УГО
Светодиод - излучающий полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным переходом, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения.
СИД - универсальный излучатель в оптоэлектронике. Он используется в качестве индикатора включения блоков, для визуального отображения появления высоких потенциалов на выходах ИМС, является элементом цифровых и цифробуквенных мозаичных индикаторов и т.п.
Устройство СИД отличается от обычного диода, в принципе, только наличием линзы, как правило, пластмассовой.
Рис. 7.10 Устройство светодиода
В качестве полупроводника используется карбид кремния (SiC), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN), фосфид галлия (GaP) и др., см. ПРИЛОЖЕНИЕ
Рис. 7.11 Схема включения светодиода
При подаче на p-n переход прямого напряжения наблюдается интенсивная инжекция неосновных носителей заряда: электронов в р-область и дырок в n-область.
Инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в данной области полупроводника.
При рекомбинации выделяется энергия. У многих полупроводников рекомбинация носит безызлучательный характер - энергия, выделяющаяся при рекомбинации, отдается кристаллической решетке, фононам, т.е. превращается в конечном итоге в тепло.
У полупроводников, выполненных на основе вышеперечисленных материалов, рекомбинация является излучательной - энергия при рекомбинации выделяется в виде квантов излучения - фотонов. Поэтому у таких полупроводников прохождение через p-n переход тока в прямом направлении сопровождается некогерентным оптическим излучением определенного спектрального состава.
Светодиод, как элемент электрической схемы, характеризуется ВАХ.
Ход ВАХ светодиода не отличается от ВАХ обычного диода.
Светодиод, как излучатель, характеризуют:
1. Излучательной (яркостной) характеристикой - зависимостью яркости от тока
В = f(Iпр),
где В - яркость свечения [кд/м2 ];
2. Мощностной характеристикой - зависимостью мощности излучения от тока;
3. Спектральной характеристикой - зависимостью относительной спектральной плотности мощности от длины волны излучения.
Рис. 7.12 Излучательная и мощностная характеристики светодиода
Рис. 7.13 Спектральная характеристика светодиода P= ∫Sd=2/
Спектральные характеристики имеют выраженный максимум на некоторой длине волны mах. Величина mах определяет цвет излучения, зависит от материала полупроводника диода и составляет 1,7 мкм для SiC; 0,9 мкм - GaAs.
При необходимости, можно выбрать светодиод со спектральной характеристикой, близкой к кривой относительной видимости глаза.
Электрические параметры светодиода:
1. Максимальный и номинальный прямой ток Iпр max, Iпр ном (диапазон лежит до 50ma, у СИД малой мощности);
2. Номинальное прямое напряжение Uпр ном ;
3. Максимальное обратное напряжение Uобр max (4-12 В);
4. Допустимая рассеиваемая мощность Ррасс max [мВт];
5. Диапазон рабочих температур - 60°-+70°С.