1.6. Варикапы
Варикапом называется диод, используемый в качестве ёмкости, управляемой напряжением. Для этого используется барьерная ёмкость p-n-перехода. Диффузионная ёмкость не может применяться из-за малого сопротивления диода при прямом смещении. Вольт-фарадная характеристика показана на рис. 1.20.
Основными параметрами варикапов
являются: Cmax- максимальная емкость при минимальном
напряжении смещения,Cmin-минимальная емкость при максимальном
напряжении,Cном-
номинальная ёмкость при номинальном
напряжении;
- коэффициент перекрытия по ёмкости,Qном - номинальная
добротность, отношение реактивного
сопротивления варикапа к полному
сопротивлению потерь при номинальном
смещении, температурные коэффициенты
ёмкости и добротности.
Варикапы применяются для электронной перестройки частоты колебательных контуров, в схемах деления и умножения частоты, в схемах частотной модуляции.
Электронно-дырочный переход варикапов имеет сложную структуру. В качестве варикапов используются p-n-n+,p-i-n, МДП, диод Шоттки.
1.7. Свч диоды
Сверхвысокочастотный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки СВЧ сигнала.
Условиями для получения необходимых частотных свойств СВЧ – диодов являются:
отсутствие инжекции неосновных носителей через p-n-переход в базу;
малое время жизни носителей в базе;
малая величина барьерной емкости и сопротивления базы.
СВЧ-диоды изготавливаются из германия, кремния, арсенида галлия.
Смесительные диоды. Смесительными называются СВЧ-диоды, предназначенные для преобразования СВЧ-сигналов в сигнал промежуточной частоты.
К смесительному диоду подводится сигнал и переменное напряжение от специального генератора – гетеродина. Вследствие нелинейности ВАХ диода происходит образование сигнала разностной (промежуточной) частоты. Дальнейшее усиление входного сигнала происходит на этой промежуточной частоте.
Детекторные диоды. Они предназначены для детектирования СВЧ-сигнала. Они используются для выделения из модулированных по амплитуде ВЧ или СВЧ колебаний сигнала более низкой частоты.
Для удобства соединения с коаксиальными линиями или волноводами СВЧ-диоды имеют, как правило, коаксиальную или постронную конструкции.
В качестве СВЧ-диодов широко применяются диоды Шоттки.
1.8. Диоды Ганна
Диод Ганна – это полупроводниковый диод, действие которого основано на появлении отрицательного объемного сопротивления под действием сильного электрического поля и предназначенный для генерирования и усиления СВЧ-колебаний.
Эффект Ганна наблюдается только в кристаллах полупроводников, имеющих в зоне проводимости побочный минимум (долину), расположенный выше основного, в котором эффективная масса электронов в несколько раз больше, чем в основном. К таким материалам относятся GaAs,InSb,InAs,ZnSe,InPиCdTe. В арсениде галлия СВЧ колебания возникают при напряженности электрического поля 1000 В/см.
Генераторы на диодах Ганна имеют значительно меньше шумов, чем генераторы на ЛПД. Диоды Ганна допускают перестройку частоты.
Эффект Ганна наблюдается в основном у двухдолинных полупроводников, зона проводимости которых состоит из одной нижней долины и нескольких верхних долин. На рис. 1.21 показана зонная структура арсенида галлия n-типа.
Рис. 1.21
При слабом электрическом поле электроны находятся в нижней долине, где они имеют малую эффективную массу и высокую подвижность. Поэтому полупроводник имеет сравнительно высокую проводимость. С ростом напряжения ток пропорционален напряжению. Когда напряженность электрического поля становится достаточно высокой, большая часть электронов переходит в верхнюю долину, где они обладают большей эффективной массой и меньшей подвижностью. Вследствие этого сопротивление в этой зоне полупроводника возрастает. Из-за неоднородности материала сопротивление возрастает под действием сильного электрического поля не во всем полупроводнике, а лишь в определенной области. Область такого повышенного сопротивления и более сильного электрического поля называют доменом. Обычно домен образуется у катода и движется с большой скоростью к аноду. Вследствие разности скоростей электронов в полупроводнике и в домене в нем образуется сгусток электронов. Дойдя до анода, домен исчезает, но возникает новый домен у катода, который начинает двигаться к аноду и т.д. Пропадание доменов и возникновение новых сопровождается периодическим изменением сопротивления диода Ганна с появлением СВЧ-колебаний.
Генераторы Ганна из арсенида Галлия работают в диапазоне 1-50 ГГц. КПД составляет от 1 до 30%. Мощность СВЧ-колебаний в непрерывном режиме десятки ватт, в импульсном режиме единицы киловатт. Возможность перестройки частоты путем изменения прикладываемого напряжения не превышает нескольких десятых долей процента.