Детекторные диоды

Детекторный полупроводниковый диод предназначен для детектирования сигнала.

При детектировании используется выпрямляющее свойство диода для выделения из модулированных по амплитуде ВЧ- или СВЧ-колебаний сигнала более низкой частоты, который потом поступает на вход усилителя.

Одним из основных параметров детекторных СВЧ-диодов является чувствительность по току ₁ – отношение приращения выпрямленного тока при заданной нагрузке в выходной цепи диода к мощности СВЧ-сигнала, подводимой ко входу диодной камеры с детекторным диодом в рабочем режиме и вызвавшей это приращение [16].

В области прямых смещений чувствительность по току может быть представлена в виде:

,

где – дифференциальное сопротивление прямосмещенного диода;

R_s – сопротивление базы и контактов;

С – зарядная емкость диода.

С увеличением температуры и частоты чувствительность уменьшается. Для снижения инерционности необходимо уменьшать зарядную емкость и омическое сопротивление R_s.

Чувствительность по току детекторного диода зависит от постоянного прямого тока смещения. Наибольшие значения чувствительности по току обычно получаются при прямом токе смещения в несколько десятков микроампер, но при выборе тока смещения необходимо учитывать его влияние и на другие параметры.

Обобщенным параметром детекторного диода, учитывающим различные свойства диода и следующего за ним усилителя (видеоусилителя), является коэффициент качества детекторного диода, который характеризует чувствительность приемного устройства с детекторным диодом и определяется по формуле:

,

где r_диф – дифференциальное сопротивление диода при определенном положительном смещении; n_m – шумовое отношение СВЧ-диода; r_ш – эквивалентное шумовое сопротивление видеоусилителя, которое обычно принимают при расчетах равным 1 кОм.

Лучшие детекторные СВЧ-диоды имеют коэффициент качества более 100 Вт^–1/2. К таким диодам можно отнести, например, диоды Шоттки с планарно-эпитаксиальной структурой на основе арсенида галлия, предназначенные для детектирования в сантиметровом диапазоне длин волн.

Переключательные и ограничительные диоды

Переключательный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для применения в устройствах управления уровнем сверхвысоко-частотной мощности.

Принцип действия переключательного диода основан на большом различии полного сопротивления СВЧ-сигналу при прямом постоянном токе через диод и при обратном постоянном напряжении на диоде. Именно поэтому СВЧ-тракт (волноводная, коаксиальная или полосковая линия), следующий за переключательным устройством с диодом, может быть либо открыт, либо закрыт для СВЧ-сигнала. Например, в радиолокационных станциях с фазированными решетками, содержащими тысячи идентичных антенных элементов, переключательные диоды должны обеспечить подачу мощного СВЧ-импульса на каждый элемент в определенные моменты времени. При этом мощные импульсы передатчика не должны попадать в канал чувствительного приемника.

Отсюда ясны основные требования к переключательным СВЧ-диодам. Они должны с минимальными потерями пропускать СВЧ-мощность в состоянии пропускания и не пропускать – в состоянии запирания, обладать большой допустимой мощностью рассеяния, большим пробивным напряжением, малой собственной емкостью и достаточной большой скоростью переключения.

Эквивалентная схема переключательного диода показана на рисунке 6.28,а. При обратном смещении в диапазоне СВЧ, как правило, R >> 1/C, в связи с чем в эквивалентной схеме можно не учитывать сопротивления R (рисунок 6.28, б). При прямом смещении сопротивление p-n перехода R быстро убывает с увеличением тока смещения и при токе более 10-50 мА становится малым по сравнению с сопротивлением базы. Эквива-лентная схема диода для этого случая показана на рисунке 6.29,в. Следует отметить, что сопротивление базы может иметь разную величину при прямом (r₊) и обратном (r_–) смещениях, так как при прямом смещении может сказаться эффект модуляции сопротивления базы, а при обратном смещении – эффект модуляции толщины базы и эффект смыкания.

Устройство некоторых переключательных диодов основано на использовании этих эффектов для получения весьма малых величин r₊ и r_– . В тех же диодах, в которых указанные эффекты малы, r_–  r₊  r_д , где r_д – дифференциальное сопротивление диода при достаточно большом токе смещения.

L L L

С R C_п C C_п C_п

r_– r₊

r

а) б) в)

Рисунок 6.28 - Эквивалентные схемы диода с p-n переходом

R – нелинейное сопротивление p-n перехода; r – сопротивление базы диода, r_– - сопротивление базы диода при обратном смещении; r₊ - сопротивление базы диода при прямом смещении; L – индуктивность вывода диодной структуры; С_П – емкость патрона диода

Выключатель проходного типа. Рассмотрим работу переключательного диода, включенного в линию передачи СВЧ, как показано на рисунке 6.29. Устройство, принципиальная схема которого изображена на этом рисунке, называется выключателем проходного типа, или просто выключателем. Рассмотрение данного конкретного вида схемы включения диода позволяет вывести основные соотношения – состояние пропускания и состояние запирания. Потери передачи П, определяемые отношением падающей мощности к прошедшей мощности, связаны с импедансом диода Z выражением:

,

где W – волновое сопротивление линии передачи.

W W

Рисунок 6.29 - Схема включения диода в линию передачи

(W – волновое сопротивление линии передачи)

Величина П должна быть по возможности большой в состоянии запирания (потери запирания П_з) и малой в состоянии пропускания (потери пропускания П_п). Эффективность выключателя тем выше, чем больше П_з при заданном П_п или чем меньше П_п при заданном П_з.

Резонансные диоды. В резонансных диодах для получения резонансов используются конструкционные элементы самого диода: вывод p-n перехода, неизбежно обладающий некоторой индуктивностью, и корпус, имеющий определенную емкость. Величины индуктивности вывода L, емкости корпуса C_п и емкости p-n перехода С выбираются таким образом, чтобы в режиме прямого смещения имел место резонанс в параллельном контуре LC_п, а в режиме обратного смещения резонанс в последовательном контуре LC.

Обобщенным параметром переключательного диода является критическая частота f_кр , которая характеризует эффективность переключательного диода и определяется по формуле:

,

где С_cтр – емкость структуры; r₊ – прямое сопротивление потерь (активная составляющая полного сопротивления диода) при определенном прямом токе смещения; r_– – обратное сопротивление потерь при определенном напряжении смещения.

Для увеличения допустимой мощности рассеяния диода необходимо увеличивать площадь выпрямляющего электрического перехода, что влечет за собой увеличение барьерной емкости. Поэтому большинство переключательных СВЧ-диодов имеют p-i-n-структуру, толщина p-n перехода которой существенно увеличена из-за наличия между p- и n-областями слоя высокоомного полупроводника с собственной электропроводностью (рисунок 6.30).

Практически p-i-n структуру для переключательных СВЧ-диодов формируют на исходном кристалле кремния с проводимостью, близкой к собственной, т.е. либо с небольшой концентрацией акцепторов (-слой), либо с небольшой концентрацией доноров (-слой). Методы формирования этих структур различны: вплавление и диффузия примесей, эпитаксиальное наращивание, ионное легирование.

– +

p⁺ i или  n⁺

Рисунок 6.30 - Диод с p-i-n- структурой

Диоды с p-i-n-структурой отличаются меньшей барьерной емкостью, которая к тому же очень слабо зависит от напряжения (особенно при больших концентрациях примесей в p- и n-областях). Практическая независимость емкости структуры от напряжения оказывается важным свойством переключательных диодов, так как изменение емкости с напряжением может вызывать дополнительные частотные искажения полезного сигнала.

Пробивное напряжение диодов с p-i-n-структурой достигает нескольких сотен вольт, что существенно превышает пробивное напряжение диодов с обычным p-n переходом и с таким же уровнем легирования прилегающих областей.

Переключательный СВЧ-диод может работать при последовательном и при параллельном включении с линией передачи. В параллельной прямой схеме при прямом смещении диод имеет небольшое сопротивление, шунтирующее линию, и большая часть СВЧ-мощности отражается обратно. Таким образом, при параллельной схеме для переключения СВЧ-тракта используют разницу в отражении, а не в поглощении. В самом диоде при этом поглощается незначительная часть падающей на него СВЧ-мощности, что позволяет относительно маломощному прибору управлять десятками и сотнями киловатт импульсной СВЧ-мощности.

Недостатком переключательных СВЧ-диодов с p-i-n-структурой является инерционность процесса рассасывания носителей заряда (электронов и дырок) из i-слоя при переключении диода с прямого направления в обратное, т.к. толщина i-слоя может составлять несколько десятков микрометров, а скорость движения носителей заряда ограничена.

Значительно большую скорость переключения можно получить при использовании диодов Шотки, изготовленных на основе арсенида галлия. Однако уровень переключаемой СВЧ-мощности при этом на несколько порядков ниже, чем при применении переключательных СВЧ-диодов с p-i-n-структурой.

Особенностью ограничительных диодов является зависимость импеданса диода от величины СВЧ мощности. Таким свойством обладает диод с p-i-n переходом, электрические параметры которого подбираются определенным образом.

При больших амплитудах СВЧ-напряжения сопротивление p-n перехода становится малым по сравнению с сопротивлением базы, и последнее начинает играть основную роль. Сопротивление базы также уменьшается с возрастанием сигнала благодаря увеличению постоянной составляющей тока I₀ (эффект модуляции сопротивления базы). Так, например, при увеличении СВЧ мощности от 1 до 10 Вт сопро-тивление базы для одного из типов ограничительного диода уменьшается от 5 до 1 Ом.

В случае параллельного включения диода в линию передачи с волновым сопротивлением W потери передачи П определяются импедансом диода Z.

При малой мощности в линии передачи Z >> W , потери малы и прошедшая мощность линейно возрастает с ростом падающей мощности. При некотором значении P_пад импеданс диода начинает уменьшаться за счет эффекта модуляции проводимости базы детектированным током, пропорциональным падающей мощности. В результате потери мощности в линии возрастают пропорционально падающей мощности, а проходящая мощность ограничивается некоторой постоянной величиной.