МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РТЭ

5.5 балл

отчет

по самостоятельной работе №3

по дисциплине «Микроволновая электроника» Тема: Полупроводниковые приборы

Выполнил: Овсянников А.И. Группа № 8204

Проверил: Иванов В. А.

Санкт-Петербург

2021

При выполнении Задания №3 используется следующий нумерованный список полупроводниковых приборов, изучаемых в курсе. Если Ваш номер больше 11, то Nприбора=Nстудент-10

Порядковый номер прибора Nпр	Название
1	Детекторный диод (ДД)
2	РIN диод
3	Варакторный диод (ВД)
4	Смесительный диод (СД)
5	Туннельный диод, резонансный туннельный диод
6	Лавинно-пролетный диод (ЛПД) Диод Мисавы, Двухпролетный ЛПД
7	Инжекционно-пролетный диод (ИПД)
8	Диод Ганна (режимы: с бегущим доменом, со статическим доменом)
9	Биполярный транзистор (гомоструктурный)
10	Биполярный транзистор (гетероструктурный)
11	Полевой транзистор (ПТБШ)
12	Полевой транзистор (HEMT)

Задача №1.

Диоды с положительным динамическим сопротивлением.

1. Рассчитать токовую чувствительность ДД с коэффициентом идеальности, .

2. Каково будет приращение тока при подаче на диод микроволновой мощности

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

4. Охарактеризуйте основные сходства и отличия в функциональной роли, структуре, параметрах микроволновых приборов с номерами:

1 и 4 для студентов с номерами Nстудент <= 5,

1 и 2 для студентов с номерами 6<=Nстудент <=10,

1 и 3 для студентов с номерами 11<=Nстудент <=15,

3 и 4 для студентов с номерами Nстудент >=16.

5. Опишите схемотехнические модели (не схемы применения!) микроволновых диодов с положительным динамическим сопротивлением (произвольный выбор), используя доступные информационные источники Интернет, лекции, программу AWR Microwave Office и т.п.

Дано:

N_stud = 9

N_group = 4

n = 2,1 P_micro = 2,25 мВт

T_eff = 313 К

Найти: , ΔI_вых

Решение:

1. Токовую чувствительность можно определить, используя эквивалентную схему ДД (Рисунок 1). В этой схеме R_S, L_S – характеризуют параметры контактов и омических областей структуры; R_j, C_j – характеризуют параметры выпрямляющего перехода диода; C_корп – ёмкость корпуса прибора.

Рисунок 1 – Эквивалентная схема детекторного диода

С учётом этих параметров получаем:

,

где - кривизна ВАХ в рабочей точке;

g – дифференциальная проводимость в рабочей точке;

- граничная частота диода.

Примем незначительным, по сравнению с сопротивлением выпрямляющего перехода, влияние сопротивления контактов и омических областей структуры, то есть . В таком случае прибор работает в диапазоне рабочих частот и его рабочая частота . Тогда: . Следовательно, можно сделать следующие преобразования:

Значения кривизны и дифференциальной проводимости в рабочей точке определяются, используя выражение для ВАХ ДД:

,

где – ток насыщения, А;

– напряжение диода, В;

q – заряд электрона, Кл;

n – коэффициент идеальности;

k – постоянная Больцмана, Дж/К;

T – температура, К.

Для определения дифференциального сопротивления необходимо продифференцировать это выражение один раз. Кривизна ВАХ ДД определяется двойным дифференцированием:

Подставим и получим:

Примем, что температура равна комнатной T = 300 K:

2. Для нахождения приращения тока при подаче на диод микроволновой мощности необходимо воспользоваться другой формулой для токовой чувствительности:

3. Для оценки тангенциальной чувствительности ДД необходимо использовать формулу через мощность шумов:

где - минимальное значение мощности шума, Вт.

Значение мощности шумов определяется через формулы Найквиста для неравновесных условий:

И так как:

;

Получим, что:

[дБм]

Ответ: ; ; [дБм]

4. Необходимо охарактеризовать основные сходства и отличия в функциональной роли, структуре, параметрах таких микроволновых приборов, как детекторный диод (ДД) и РIN диод.

И детекторный диод, и PIN-диод являются полупроводниковыми приборами микроволнового диапазона с положительным дифференциальным сопротивлением. Их сравнительная характеристика представлена в таблице 1:

Таблица 1 – Характеристики диодов

Исследуемые характеристики	Детекторный диод	PIN-диод
Функциональная роль	Преобразование энергетически слабых микроволновых сигналов ( ) Вт в сигнал постоянного тока. Использование выпрямляющего свойства диода для выделения из модулированных по амплитуде СВЧ колебаний сигнала более низкой частоты, которые затем поступают на вход усилителя. Применяется в качестве индикационных (детекторных) устройств слабых сигналов	Принцип действия основан на изменении сопротивления при изменениях приложенного напряжения смещения или уровня СВЧ-мощности в тракте. Применяются для управления уровнем и фазой СВЧ-сигналов, для коммутации и стабилизации СВЧ-мощности в линиях передач, для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ-импульсов (ограничитель)
Структура	1. Точечный диод – структура с контактом металл–полупроводник. Рисунок 2 – Точечный диод Поликристаллической пластина кремния р типа (1) в контакте с которым находится пружина из заостренной на конце вольфрамовой проволоки (2). Электроды (3) и (4) спаяны с керамическим корпусом (5). Острие пружины приваривается к полупроводнику пропусканием импульса тока. В месте сварки образуется барьер Шоттки малой площади, что обусловливает малую емкость перехода и сравнительно высокое значение Rs. Структура несовершенна, что приводит к отклонению его ВАХ от идеальной и появлению шумов. Планарный диод – эпитаксиальная структура с напылённой металлической пленкой. Рисунок 3 – Планарный диод Металлизация (1), нанесенная методом вакуумного испарения, образует с эпитаксиальной пленкой п типа (2) барьер Шоттки, по своим свойствам близкий к идеальному. Сильнолегированная п+ подложка (3) способствует малому сопротивлению RS. Такой ДБШ обладает более высокими значениями критической частоты при меньшем уровне шумов.	Рисунок 5 – Структура PIN-диода Основной особенностью структуры является то, что между p– и n– областями полупроводника с контактами имеется высокоомная область чистого кремния (или германия) с предельно низкой концентрацией примесей (полупроводник с собственной проводимостью i–типа).
Параметры	ВАХ Рисунок 4 – ВАХ ДД 2. Токовая чувствительность 3. Тангенциальная чувствительность 4. Шумовое отношение 5. Граничная частота 6. Полное сопротивление	1. ВАХ Рисунок 6 – ВАХ PIN-диода 2.Потери на пропускание (запирание) 3. Коэффициент качества 4. Граничная частота ; 5. Время срабатывания

Из представленных материалов можно сделать вывод о том, что у детекторного и PIN диодов функциональная роль разная в общем случае. Однако, учитывая структуру PIN диода, в некоторых детекторах применяются эти диоды для регистрирования сантиметрового диапазона волн, в то время как у детекторного диода диапазон включает в себя и миллиметровые волны. При такой точности и способности работать на более коротковолновом диапазоне детекторный диод является менее устойчивым к тепловым воздействиям (очень низкая рассеиваемая мощность, порядка 0,1 Вт и меньше)^[1], в то время как некоторые образцы PIN диодов способны рассеять до 20 Вт.^[2]

[1] - http://window.edu.ru/resource/794/70794/files/rsu848.pdf

[2] - https://kit-e.ru/svch/vch-i-svch-p-i-n-diody/

5. Описание схемотехнических моделей микроволновых диодов с положительным динамическим сопротивлением (произвольный выбор), используя доступные информационные источники Интернет, лекции, программу AWR Microwave Office и т.п.

1. Детекторный диод

Рисунок 7 - Типовая схема включения ДД в СВЧ тракт

Попадая на диод через петли связи (трансформатор на схеме), СВЧ сигнал искажается в соответствии с видом ВАХ ДД и поступает на С_Н. У сигнала, снятого с диода, амплитуда отрицательного полупериода будет существенно меньше, чем положительного. Приложенное к емкости такое напряжение будет приводить к ее заряду, разряд емкости при правильном выборе ее величины в отрицательный полупериод будет практически незаметен. Синусоидальный СВЧ сигнал преобразуется в напряжение U_Сн, снимаемое с резистора R_Н. Подача на вход схемы синусоидального СВЧ сигнала приводит к возникновению постоянного напряжения на нагрузке. Итак, принцип детектирования заключается в выделении низкочастотной составляющей из поданного на вход схемы модулированного СВЧ частотой сигнала.

Диод пропускает ток только в одном направлении, осуществляя выпрямление переменного тока. При этом ток во вторичной обмотке трансформатора протекает не более половины периода фазного напряжения.

Рисунок 8 – Временные диаграммы токов и напряжений в однополупериодной схеме выпрямления

Конструкции включения детекторного диода в СВЧ тракт:

Рисунок 9 - Схема включения детекторного диода в коаксиальную ЛП при помощи волноводного штыря

Рисунок 10 – Схема включения детекторного диода в коаксиальную ЛП при помощи петли связи

При помощи петли связи на диод подается СВЧ мощность. После диода в линии передачи установлена так называемая блокирующая емкость. Она предназначена для того, чтобы разделить СВЧ тракт и источник постоянного смещения с нагрузкой по ВЧ составляющей. Первая конструкция отличается от второй наличием индуктивности, предназначенной для замыкания по постоянной составляющей контура питания диода. Во второй конструкции замыкание происходит через петлю связи. При помощи петель связи возбуждаются магнитные поля , а при помощи штырей — электрические поля .

2. PIN-диод

Рисунок 11 – Принципиальная схема аттенюатора на PIN-диода

Аттенюатор построен по принципу переключателя на два положения. Подбирая токи смещения диодов, можно менять их сопротивления так, чтобы разделить мощность входного сигнала в нужной пропорции. Для подачи на диоды тока смещения используются две дроссельные четвертьволновые линии, обеспечивающие разделение цепей смещения и СВЧ-сигнала. Для этого служат также два бескорпусных конденсатора, включенных в разрывы линии у входных разъемов, а ток смещения ограничен постоянными резисторами номиналом 1кОм. Для замыкания тока смещения на подложку использован ФНЧ, выполненный на отрезке короткозамкнутой линии с блокирующим конденсатором.

Рисунок 12 – Модель аттенюатора в среде MWO

При подаче на диод положительного напряжения смещения переходы отпираются, база диода заполняется свободными носителями, ее сопротив-ление уменьшается. Величина активного сопротивления диода зависит от тока смещения и меняется в пределах от десятков кОм до единиц и долей Ом. Таким образом, в прямом направлении PIN- диод представляет собой переменный резистор с электрическим управлением. Это свойство используют при создании электрически управляемых коммутаторов и аттенюаторов.

Источники: Презентации для лекций 10 и 10а по МЭ, «Микроволновые приборы и устройства: Лабораторный практикум.» Издательства СПбГЭТУ «ЛЭТИ» , Зи С. «Физика полупроводниковых приборов», 1984 г.