Выполнил: Даниленко А.А.

Группа: 4207

Задача №1.

Диоды с положительным динамическим сопротивлением.

1. Рассчитать максимальное значение выпрямленного тока для ДД с коэффициентом идеальности, при микроволновой мощности

2. Оцените тангенциальную чувствительность (выразить в ), если эффективная шумовая температура диода составляет , а полоса усилителя .

3. Охарактеризуйте основные сходства и отличия в функциональной роли, структуре, параметрах микроволновых ДД, СД, ВД и PIN диодов.

4. Опишите популярные схемотехнические модели микроволновых ДД и СД, используя доступные информационные источники Интернет, лекции, программу Microwave Office и т.п.

Дано: n=1,95; P_micro=5 мВ; T_eff=312 К; Δf=5 МГц

Решение:

1. Определим токовую чувствительность β:

Отсюда, при I₀=0 и при Т=300 К, получим выражение для максимального значения тока:

2. Тангенциальная чувствительность определяется как:

Где P_min определяет тепловой шум. Согласно формуле Найквиста тепловой шум:

Тогда

Детекторный диод

Структура:

На данном рисунке показана структура точечного детекторного диода, который состоит из поликристаллического кремния p-типа (1), в контакте с которым находится пружина из заостренной на конце вольфрамовой проволоки (2). Кремниевый образец и пружина припаяны к электродам (3 и 4), которые в свою очередь спаяны с керамическим корпусом (5). Острие пружины приваривается к полупроводнику пропусканием импульса тока. В месте сварки образуется барьер Шоттки с малой площадью (единицы мкм²), что обусловливает малую емкость перехода и сравнительно высокое значение R_s. Неидеальность ВАХ точечного диода свидетельствует о значительном количестве дефектов кристаллической структуры и наличии посторонних примесей.

Эти недостатки отсутствуют в эпитаксиальных структурах. Пример такой структуры показан на рисунке слева. Такой ДБШ представляет собой меза-структуру из арсенида галлия. Металлизация (1), нанесенная на монокристалл арсенида галлия методом вакуумного испарения, образует с эпитаксиальной пленкой п-типа (2) барьер Шоттки, по своим свойствам близкий к идеальному. Сильно легированная n⁺ подложка (3) обуславливает малое сопротивление R_S. Поэтому, несмотря на большую по сравнению с точечным диодом емкость, такой ДБШ обладает более высокими значениями критической частоты при меньшем уровне шумов.

На этом рисунке показан диод планарной конструкции, используемый в интегральных схемах. Барьер образуется в месте контакта металлического электрода с полупроводником n-типа. Покрытие контактов золотом обеспечивает стабильность работы таких приборов во времени.

Функциональная роль: преобразование слабых микроволновых сигналов 10^-6..10^-2 Вт в постоянный ток и выделение низкочастотной огибающей сигнала. Детекторный диод выполняет функцию выпрямителя переменного тока, работающего в микроволновом диапазоне.

Параметры:

• ВАХ:

ВАХ детекторного диода

ВАХ детекторного диода в логарифмическом масштабе

• Токовая чувствительность: - представляет собой отношение приращение выпрямленного тока к приращению мощности СВЧ–сигнала, поступающей на диод

• Тангенциальная чувствительность: - представляет минимальное значение мощности Р_ВХ , при котором возможно выделить полезный сигнал на уровне шумов, при дальнейшем уменьшении мощности шумы будут заглушать полезный сигнал.

• Шумовое отношение: - показывает, насколько диод “шумит” больше, чем резистор с сопротивлением, равным его дифференциальному сопротивлению в данной рабочей точке.

• Граничная частота: - характеризует максимальную частоту, на которой может работать прибор. В данной формуле R_s – параметр омических областей; С_j – параметр выпрямляющего перехода.

• Полное сопротивление: – сумма активной и реактивной составляющей сопротивления.

Смесительный диод

Структура:

Крестообразная структура металлического электрода, образующего барьер Шоттки, обеспечивает снижение емкости перехода в сравнение с кругом и улучшение механических свойств соединения с полупроводниковой структурой. Концентрация примеси в низколегированной n-области не превышает 10¹⁷ см^-3. Концентрация примеси в n⁺ обычно составляет порядка 10¹⁹…10²⁰ см^-3.

Функциональная роль: Нелинейность ВАХ детекторного диода можно использовать не только для получения сигналов постоянного или НЧ огибающей, но и для переноса сигнала на другую несущую частоту. Дополнительный генератор с частотой ω_г называют гетеродином.

Диоды, осуществляющие перенос сигнала с одной частоты на другую, называются смесительными.

Параметры: ВАХ смесительного диода аналогична ВАХ детекторного. Также аналогичны такие параметры, как шумовое отношение, граничная частота, полное сопротивление.

Варакторный диод

Структура:

Меза-структура состоящая из n⁺ подложки (5), с выращенной на ней эпитаксиальной пленкой n-типа (4). С помощью диффузии в этой пленке образован p-слой (2). Между n- и p- областями возникает обедненный p-слой (3). На p-слой и подложку нанесены омические контакты (1). В варакторах также может быть использован барьер Шоттки.

Функциональная роль: В основе принципа действия лежит зависимость ёмкости обратно смещенного р–п перехода или барьера Шоттки от напряжения. Эта ёмкость связана с изменением толщины обедненной области (с изменением заряда, связанным с ионизированной примесью) и носит название барьерной. На варакторных диодах создаются устройства электрической перестройки частоты, умножители частоты и параметрические усилители. В приемо-передатчиках эти диоды используются в перестраиваемых по частоте гетеродинах и перестраиваемых фильтрах.

Параметры:

• Вольт-фарадная характеристика (зависимость барьерной ёмкости от напряжения смещения):

где m- коэффициент, определяющий профиль легирования (m = 0 для резкого, m > 0 для плавного и m < 0 для сверхрезкого перехода)

• Ёмкость при нулевом напряжении смещения:

где S- площадь поперечного сечения перехода.

• Коэффициент перекрытия:

где C_min- минимальное значение ёмкости при предельном обратном смещении (ограничено напряжением пробоя).

• Добротность и частота отсечки:

Определяется отношением реактивной энергии, запасенной в ёмкости C(U), к мощности, рассеиваемой в сопротивлении R_s.

PIN-диод

Структура:

Структура представляет собой полупроводник (чаще всего Si), имеющий две сильно-легированные области p⁺ и n⁺-типа (10¹⁸ см^-3), между которыми расположена i-область (база). Удельное сопротивление этой области составляет 10³…10⁴ Ом*см. На внешней стороне p⁺ и n⁺-областей находятся омические контакты. Площадь активной части диода находится в диапазоне 10^-1..1 мм².

Функциональная роль: Для коммутации мощных сигналов разработаны pin-диоды. Между p- и n- областями находится i-область (нелегированная). Наличие i-области уменьшает значение барьерной ёмкости диода, в связи с чем поперечное сечение диода может быть увеличено, что дает возможность диоду работать с большими мощностями.

Естественно инерционность такого прибора резко возрастает из-за влияния множества факторов, в частности времени пролета носителей, диффузионной емкости, времени рекомбинации носителей в i-области. Такой прибор можно использовать как выпрямитель на низких частотах, но нельзя использовать как детектор слабых сигналов микроволнового диапазона.

Параметры:

• ВАХ

Ветви ВАХ pin-диода сдвинуты в сторону более высоких напряжений. Наличие i-области уменьшает напряженность и способствует увеличению пробивного напряжения при обратном смещении.

• Граничная частота:

Граничная частота определяется ёмкостью плоского конденсатора (барьерная ёмкость):

• Время срабатывания:

Это время определяется временем заряда и разряда реактивностей внешней цепи.

• Потери пропускания и запирания:

где P_п – потери пропускания (переключатель в состоянии пропускания, диода закрыт).

P_з – потери запирания (переключатель в состоянии запирания, диода открыт).

• Коэффициент качества:

Где P_п – потери пропускания, P_з – потери запирания.

Вывод: Руководствуясь представленными выше данными можно заключить, что у всех диодов:

• схожая структура;

• в работе всех диодов основную роль играет потенциальный барьер;

• все рассмотренные диоды имеют положительной дифференциальное сопротивление;

• все диоды имеют различную функциональность в зависимости от их предназначения.