18. Классификация диодов с положительным динамическим сопротивлением. Функциональная роль (на примере типового приемо-передатчика). Омические и барьерные контакты в структурах диодов.

Рис. 1 Классификация полупроводниковых приборов

Функциональная роль

Диоды с положительным динамическим сопротивлением для преобразования сигналов и управления их прохождением в микроволновом тракте.

Рис. 2. Блок-схема приемо-передатчика

Антенный переключатель

служит для переключения антенны со выхода передатчика на вход приемника, позволяет регулировать долю проходящей энергии и таким образом сохранять чувствительные элементы от сгорания

Блок защиты приемника

Защищает приемник от сильных помех, угрожающих чувствительным элементам. Диоды соединены в схему, которая не позволяет сигналу пройти дальше.

Полосно-пропускающий фильтр с перестройкой

вырезает влияние помех (S=4kT∆f уменьшаем полосу частот – уменьшается мощность шумов)

Малошумящий усилитель

сигнал не подается прямо на детектор, а предварительно усиливаем специальным прибором, которые имеют малый коэффициент шума. “Береги честь смолоду, а сигнал со входа”. МШУ с данной точки схемы усиливает сигнал, тогда влияние шумов последующих каскадов на коэффициент шума системы будет нивелировано.

Смеситель

позволяет перейти с высокой частоты на более низкую (так как шум в основном белый, то можно уменьшить до частоты 10^5, и будет такой же уровень шумов, как и на свч, зато переносим сигнал на более низкую промежуточную частоту)

Гетеродин

Служит, чтобы перенести полезный спектр на более низкую частоту

отдельный генератор, который дает какую-то стабильную часоту, когда не требуется перестройка или это генератор с перестраиваемой частотой, но он должен быть синхронизирован с частотой, пропускаемой фильтром. Частота гетеродин может управляться внешним напряжением (стрелка на рисунке).

Автоматическая регулировка усиления

Если идет большой сигнал, нелинейности будут сильнее сказываться. С помощью АРУ аттеньюатором уменьшаем сигнал.

В выходной части то же самое, но отражено зеркально.

Иногда, чтобы получить достаточный сигнал ставят линейный усилитель, а потом чтобы кпд было большим ставится прибор усиливающий сигнал (усилитель мощности) до нужной величины.

Омические и барьерные контакты в структурах диодов.

Рис. 3. Граница металл-полупроводник

В зависимости от соотношения работ выхода между металлом и п/п может образовываться обедненный слой, обогащенный слой или инверсный слой. Чаще всего используют обедненный слой, обладающий однонаправленной проводимостью.

Так же как и в p-n переходе, образуется обедненный слой, в котором сосредоточены со стороны п/п ионы легирующей примеси (на картинке как + обозначены), а со стороны металла – электроны (таким образом не будет образовываться диффузионная емкость). Появляется запирающий слой. Эффективная ширина (W) этого слоя обычно определяется контактной разностью потенциалов и приложенным напряжением, но важнейшим элементом, определяющим ЗЗ является энергия носителей, они не будут находиться точно на границе обедененного слоя. Электроны будут двигаться туда-сюда в соответствии с его энергией (3/2kT/q выделено красным на слайде), т. е. тепловым потенциалом (характеризует масштаб зарядовой неоднородности). Итого ширина будет +- половина длины Дебая.

Ток через такую структуру определяется формулой Ричардсона-Дэшмана (с учетом больцмановского распределения электронов по скоростям – решение экспоненциальное). Ток определяется некоторым тепловым током js. A – постоянная Ричардсона.

Так как присутствует двойной заряженный слой, то есть емкость, которую тоже нельзя точно определить т.к. будет размытие зарядовой области. Важно понимать, что если мы прикладываем достаточное напряжение, то может произойти дополнительный разогрев носителей, что может изменить значение емкости.

Рис. 4. Гомогенный p-n переход

В отличие от барьера Шоттки присутствуют 2 типа носителей, которые могут образовывать диффузионную емкость (изменение количества подвижных носителей заряда от напряжения). Такая емкость плоха тем, что носителям, попадавшим в область вне обедненного слоя, нужно время на рассасывание (время жизни носителей). (Если они попадают в область базы и там нет поля, то они будут существовать и образовывать диффузионную емкость достаточно длительное время, что не очень хорошо для СВЧ). Самая большая диффузионная емкость будет, когда подвижные носители будут находиться близко к обедненному слою.

Рис. 5. Омический контакт

Здесь присутствует контакт металл -п/п и барьер n+-n

Второй очень тонкий – возможно туннелирование, плотность тока туннельного эффекта зависит от концентрации доноров в этом слое. Носители будут преодолевать барьер в обе стороны.

Омическим контакт называется потому что работает по закону Ома: пропускает и в одну и в другую сторону.

19. Диоды с положительным динамическим сопротивлением: детекторные диоды: конструкция, ВАХ, ВЧ параметры, эквивалентная схема. Связь физико-топологических параметров прибора с его статическими и динамическими (ВЧ) параметрами.

Конструкция ДД.

1. Точечный диод

Рассмотрим диод с барьером Шоттки (обладает односторонней проводимостью), исторически первый вариант которого представляет собой структуру с контактом Ме-п/п, созданным в точке соприкосновения Ме-ой проволоки с поверхностью поликристаллической пластины кремния p-типа.

Рис. 1. Конструкция точечного диода

1 – Поликристаллический образец кремния p-типа;

2 – Пружина из заостренной на конце вольфрамовой проволоки;

3,4 – Электроды;

5 – Керамический корпус (радиопрозрачная керамика), к которому припаяны электроды.

Особенность: так как острие пружины приваривается к п/п пропусканием импульса тока, в месте сварки образуется барьер Шоттки достаточно малой площади, что обуславливает малую емкость перехода и сравнительно высокое , что приводит к отклонению ВАХ от идеальной и появлению избыточных шумов. Данные недостатки отсутствуют в планарной диоде.

2. Планарный диод.

Представляет собой эпитаксиальную структуру с напыленной Ме-ой пленкой (меза-структура из GaAs).

Рис. 2. Конструкция планарного диода

1 – Металлизация, нанесенная методом вакуумного испарения;

2 – Эпитаксиальная пленка n-типа, которая образует с (1) барьер Шоттки, по своим свойствам близкий к идеальному;

3 – Сильнолегированная n+ подложка, которая способствуют малому .

Me-n+ хороший омический контакт, затем идет барьер Me-п/п.

Особенность: имеет большую по сравнению с точечным диодом емкость, но при этом обладает более высокими значениями критической частоты при меньшем уровне шумов.

Эквивалентная схема.

Рис. 3. Эквивалентная схема ДД

Элементы и характеризуют параметры выпрямляющего перехода диода, элементы (сопротивление контактов) и далее обычно идут проводники на контакты, имеющие индуктивное сопротивление — емкость корпуса прибора.

В «+»-ый полупериод СВЧ-колебаний (при «+»-ом смещении p-n перехода) главный фактором, влияющим на работу прибора является , так как уходит барьер и если брать идеальный случай паразитных параметров нет. При «-»-ом смещении - (из-за расширения ОПЗ, емкость перехода убывает).

Ток будет одинаковым в положительный и отрицательный полупериод, когда емкостное сопротивление примерно равно активному сопротивлению. из этого условия определяется граничная частота. чтобы сделать диод работающий на высокой частоте нужно уменьшать Rs и Cj. Этого можно добиться уменьшением площади контактов.

Для уменьшения Rs должна быть высокой низкополевая подвижность и сравнительно высокое легирование.

Также нужно учитывать угол пролета. (Чтобы шел ток, нужно чтобы носители прошли обедненную область, при высоких концентрациях обедненный слой будет небольшим и соответственно время пролета будет малое, меньше, чем период, на котором работает система)

Основные параметры и характеристики.

1. Вольт-амперная характеристика (ВАХ).

По своему виду схожа с ВАХ любого выпрямляющего контакта.

а) б)

Рис. 4. ВАХ диода а) в линейном масштабе, б) в логарифмическом

Разберем отрицательную ветвь. При небольших обратных смещениях ток через диод практически не меняется и определяется током неосновных НЗ (которые попали в область тянущего ЭП из диффузионных областей перехода) – тепловой ток (I_s). Увеличивая обратное смещение ток, протекающий через диод очень резко возрастает, это происходит из-за того, что диод переходит в режим лавинного пробоя, и если диод долго работает в таком режиме, он может выйти из строя.

Прямая ветвь

Посмотрим на начальный участок прямой ветви: закону Ричардсона-Дэшмана подчиняется второй участок, 1 и 3 отклоняются.

Первый участок

При маленьких напряжениях носители заряда не могут преодолеть потенциальный барьер 0,7..0,9 В, но течет ток. Он обусловлен тем, что у каждого прибора есть поверхность – несовершенный п/п и ток течет по поверхности (ток утечки).

Третий участок

При больших напряжениях начинают сказываться сопротивления. Мы прикладываем напряжение смещение к внешним контактам, но имеющееся сопротивление между барьером и контактными площадками, создает падение напряжения, которое забирает часть приложенного и ток не подчиняется экспоненте.

Теоретическая формула для ВАХ представлена выше (4). В ней — постоянная Ричардсона; — «встроенное» напряжение или контактная разность потенциалов ; — коэффициент неидеальности ( для идеального диода, для реального); — напряжение смещения диода.

ВЧ параметры (динамические)

1) Токовая чувствительность.

Эффективность преобразования микроволновой мощности в выпрямленный ток оценивается токовой чувствительностью.

Рис. 5. Детектирования СВЧ-колебания

Выходной сигнал поднимается на ∆I0.

Рис. 6. Токовая чувствительность

Ток представлен в виде ряда. Взяв вторую производную, получим токовую чувствительность, которая будет зависеть от сопротивления нагрузки, если она равна 0, то самая высокая токовая чувствительность. Она определяется и крутизной ВАХ.

,

данное значение соответствует идеальному диоду при температуре 300 (К), а также оно является принципиальным ограничением (на величину токовой чувствительности) для любого ДД.

В реальных диодах нужно учитывать коэффициент идеальности n, который снижает значение токовой чувствительности. В современных устройствах коэффициент идеальности 1,2-1,5.

Также токовая чувствительность зависит от условий согласования ДД с СВЧ трактом. Она max-на, когда вся падающая мощность рассеивается диодом и отражения min-ны.

Тангенциальная чувствительность.

Характеризует насколько малую мощность (малый сигнал) прибор можно уловить

Рис. 6. Обобщенная СВЧ цепь

Рис. 7. Случаи уровня мощность, установленной на генераторе

На первой картине, когда отсутствует сигнал, видно только шумы.

На второй хорошо различим сигнал, мощность больше минимальной.

На третьей при минимальной мощности сигнал еле различим.

2. Шумовое отношение.

Рассмотрим эквивалентную «шумовую» схему:

Рис. 8. Эквивалентная «шумовая» схема

На данной схеме величина резистора R_диф соответствует диф. сопротивлению диода в выбранной рабочей точке. Источник напряжения – источник шумов, которые создает диод сверх тех, что создавал бы резистор R_диф.

Шумовое отношение:

Оно показывает то, насколько диод шумит больше, чем резистор с сопротивлением, равным его диф. сопротивлению в данной рабочей точке.

3. Граничная частота.

Как уже ранее говорилось, элементы и характеризуют параметры выпрямляющего перехода диода, элементы и — параметры контактов и омических областей структуры, — емкость корпуса прибора.

Выражение характеризует max-ую частоту, на которой может работать прибор, и определяется постоянную времени RC-цепи, которую физически можно представить как последовательное соединение резистивных областей диода и емкости его перехода.

4. Полное сопротивление.

Как и для любого прибора (в СВЧ-цепи) импеданс ДД:

Данная величина определяет коэффициент отражения СВЧ мощности от прибора. Мощность, рассеиваемую диодом также можно связать с его полным сопротивлением:

Для согласования строят устройство, приводящее для внешнего тракта полное нормированное сопротивление диода к 1 с 0-ой реактивностью. Из-за разброса параметров полное сопротивление (ПС) для группы диодов – набор точек, который лежит в опр. области, именно поэтому для идеального согласования сначала определяют ПС экспериментально, а потом проводят согласование.