книги из ГПНТБ / Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие

■ Одобрено методическим Советом. Рязанского радиотехничес­ кого института 21 декабря І??2 года-.

В пособии рассматриваются принципы действия и возможные режимы работы полупроводниковых приборов, используемых для

генерирования, усиления и преобразования колебаний СБЧ в

современных радиоэлектронных устройствах. Основное инима - ние уделено приборам, основанным на использовании явлений в объема полупроводника: лавинно-пролетным диодом и прибо­ ром с мекдолиныым перекосом электронов.

Учебное пособие предназначено для студентов радиотехни­ ческих специальностей, изучающих дисциплину "Электронные и

Александр Николаевич БАЛЛ5ИН

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ПРИБОРЫ СВЧ

Учебное пособие

ПРЕДИСЛОВИЕ

Количество периодической научно-технической лите­

ратуры, посвященной теоретическому и экспериментально­

работ представляют результаты исследования узких проб­ лем, связанных- с созданием отдельных типов откх при - боров и их применением. В таких условиях студентам,

изучающим приборы СЕЧ указывается затруднительно разоб раться в существующем многообразий типов ПП СВЧ и по­ нять основные направления их развития.

В 1972 г.' в налей стране вышел перевод книги "СВЧ

полупроводниковые приборы и их применение",написанной под редакцией Г.УотсонаКнига позволяет получить до­ статочно серьезное научное представление о физических принципах работы всех основных ПП С?Ч и методах их расчета. Однако Ънв ухе стала редкостью.

Настоящее пособие ставит своей целью познакомить

студентов с принципами действия основных типов совре­ менных ПП СВЧ и режимами их работы в радиоэлектронной

ровные приборы". Наибольшее внимание уделено приборам, основанным на использовании явлений в объеме полупро­ водника: лавинно-пролетным диодам и приборам 'с междо­ линным переносом электронов.

-4 -

ВВ Е Д Е Н И Е

Впервые твердотельные приборы ( ТТП ) в диапазоне СВЧ появились в 1940 г. Это были точечные W S i -диоды,

предназначенные для детектирования и преобразования частоты. Почти в течение £0 лет они оставались единст­ венным типом твердотельных приборов СВЧ. •**

Достижения'в технологии транзисторов,в изучении

"поведения" полупроводников в сильных электрических полях в начале 6и-х годов позволили создать твердотель­

ные приборы,работающие на дециметровых,сантиметровых и даже миллиметровых волках. Темпы проникновения полу­

проводниковых приборов в область СВЧ были особенно зна­ чительны в период 1966-59 гг .

Общее представление о состоянии уровня техничес­

лителей СЕЧ, работающих в импульсном и непрерывном ре­ жимах. Для сравнения следует указать-, что'максимальное значение•этого параметра для вакуумных электронных

материалов. Повышение выходной мощности за счет пзрал-

- D

лельного включения кескояьк /дс С;динаковых приборов так—

же ограничено. Из-за очень малого сопротивления таких

Рис Л . Максимальные значения мощности,получен­ ные с помощью твердотельных прибороз С5Ч

к концу 1571 г.

1-генеоаторы на туннельных диодах; 2-заоактсрные ум­ ножители; 3-транаисторы в непрерывном режиме; 4- траыэисторы в импульсном режиме; о-генеоаторы на ^МЭП-приборах в непрерывном режиме; б-генераторы на ■МЭП-прибошх в импульсном режиме; 7-ЛПД пролетные

колебания' в непрерывном режиме; 8-ЛПД пролетные колебания в импульсном режиме; 9-неггоерызный режим 0Н03; 10-импульсный режим 0Н03; 11-ЛДД ' колебания с бегущей лавиной . •

сложных систем оказывается затруднительным согласование

их со схемами СВЧ, з результате чего теряется значитель­

ная часты мощности генератора-. Поэтому в дальнейшем

развитие мощных СЕЧ вакуумных и твердотельных приборов,

вероятно,•будет идти параллельно. Возможен также путь

создания гибридных приборов СИ, ■сочетавших достоин­ ства вакуумных и твердотельных приборов.

По принципу действия все твердотельные приборы» используемые для генерирования,усилении а преобразова- 'ния колебаний СБЧ, могут быть разделены на две группы: приборы.основаиные на использовании физических явлений в переходах, и приборы, основанные на .использовании явленій з объеме однородного полупроводника. На рис.2 приведена классификация "основных типов. ТТП СВЧ, рассмат риваемых.далее, основанная на таком делении.

\

\

I

_ р, -

Раздел первый СВЕРХЗКСОКСЧАСГОТНЫЕ ДИОДЫ И ТРАНЗИСТОРЫ ■

1 .СМЕСИТЕЛЬНЫЕ И ДЕТЕКТОРНЫЕ ДИОДЫ С№ Сваристоры)

В настоящее время лучшими преобразовательными и детекторными диодами на СВР являются точечные диоды (прижимкой контакт между металлом и полупроводником) и диоды с барьером Шоттки ( металл,осажденный на поверх­ ности полупроводника ) .

Точечные диоды и .диоды с барьером Шоттки приме­ няются для преобразования частоты и детектирования в дециметровом,сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн. В качестве полупроводника используются кремний, германий к арсенид галлия. Контактные пары металл-слв- болэгирозакный полупроводник обеспечивает выпрямляю­ щий эффект вследствие-потенциального барьера в месте контакта. о

Устройство и примерные размеры современных вариа­ торов показаны на рис.З .В точечных диодах (рис.3,в‘) контактная пара образуется путем прижатия острия воль­ фрамовой пружинки к поверхности эпитаксиального слоя

р-кремния, Б месте прижатия-металлического острия

■образуется погенгпалькый барьер. Физические процессы, связанные с откм барьером, в настоящее время еще не полностью ясны.

. Диоды с барьером Шоттки.изготовляются по планар­

ной технологии ( рис.З,й), Контакт образуется путем

напыления или гальванического осаждения металла на эпи­

ный барьер на границе металл-полупроводник,однако физи­ ческие процессы в этом случае соответствуют процессам барьера Шоттки.

Выпрямленный ток в точечных .диодах и диодах Шоттки определяется выражением

где Q -заряд электрона, U -напряжение на переходе,

П -коэффициент неидеальности.ВАХ диода, И -постоянная Больцмана, ^-абсолютная температура. Еольтамперные характеристики диодов показаны на ри с.4.

Эквивалентная схема варистора приведена на рис.5. Переход металл-полупроводник представляется параллель­ ным соединением емкости перехода Сп и нелинейной актив