МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра микроволновой электроники 9.5 балл. Спасибо, обрадовали хорошей работой на фоне засилия копирования!!

отчет по заданию № 3 по дисциплине «Микроволновая электроника»

Студент гр. 300 ____________________ Darkholm Van Преподаватель ____________________ Иванов В.А.

Санкт-Петербург 2024

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
7	Лавинно-пролетный диод (ЛПД) Диод Мисавы, Двухпролетный ЛПД
6	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. Сравните основные сходства и отличия в функциональной роли, структуре, параметрах микроволновых приборов с номерами:

1 и 3 для студентов с номерами Nстудент <= 5,

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

1 и 4 для студентов с номерами 11<=Nстудент <=15,

3 и 4 для студентов с номерами 16<= Nстудент <=20.

3 и 2 для студентов с номерами Nстудент >=21.

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.

Примечание: весовой коэффициент задачи 4балла

1. Расчет токовой чувствительности

Дано:

Коэффициент идеальности

Решение:

Для детекторных диодов максимальная токовая чувствительность , что является идеальным случаем для диода при . Для диодов с коэффициентом неидеальности , токовая чувствительность находится как [1]

(1)

Тогда, для

2. Расчет, приращения тока при подаче на диод микроволновой мощности

Дано:

Микроволновая мощность

Решение:

Величина токовой чувствительности равна отношению приращения выпрямленного тока к величине поданной микроволновой мощности

(2)

Откуда приращение тока при заданной чувствительности

3. Расчет тангенциальной чувствительности

Дано:

Эффективная шумовая температура

Полоса усилителя

Решение:

Тангенциальная чувствительность выраженная в дБм, то есть отнесенная к уровню 1 мВт

(3)

Значение мощности шумов определяется по формуле Найквиста

(4)

Тогда,

4. Сравнение основных сходств и различий в функциональной роли, структуре, параметрах микроволновых приборов с номерами 3 и 2 для Nстудент >= 21: PIN и варакторный диоды

• Функциональная роль

pin диоды и варакторные диоды принципиально разные приборы, основным сходством данных устройств можно считать одностороннюю проводимость характерную для всех диодов по причине использования в них p-n перехода, при этом pin диод обладает выпрямляющим свойством на низких частотах по сравнению с варакторным, так как из-за большой толщины i-слоя увеличивается время пролета через диод, что и ограничивает частоту. Однако выпрямление переменного тока не является основным назначением обоих приборов.

Использование варакторных диодов основано на изменении емкости диода в зависимости от приложенного к диоду напряжения, то есть управление реактивным сопротивлением диода с помощью напряжения. Использование pin диодов основано на изменении импеданса под действием внешнего управляющего напряжения. Тем самым к сходству можно отнести также тот факт, что функции обоих приборов заключаются в изменении сопротивления с помощью внешнего напряжения.

Отличие в принципе работы заключается в характере изменения импеданса. В pin диоде сопротивление почти скачком изменяется от минимального к максимальному, так как при переходе из включенного состояния (проводимость максимальна) при котором i-область заполнена твердотельной плазмой в выключенное состояние (проводимость минимальна) i-область обедняется полностью за некоторое время рассасывания накопленных в i-области носителей. То есть из-за наличия i-области сопротивление диода либо максимально, либо минимально. Эта особенность обуславливает использование данного диода как переключателя и ограничителя. В варакторном диоде используется изменение реактивного сопротивления в широких пределах, так как реактивные свойства приборов характеризуются изменением фазовых отношений между током и напряжением (для емкостного сопротивления напряжение отстает от тока по фазе), то изменение реактивного параметры во времени вызывает параметрический эффект: гармоническое изменение во времени емкости варактора под действием изменяющегося во времени напряжения вызывает появление высших гармоник в изменяющемся токе рисунок 1.

Рисунок 1 – Появление высших гармоник в спектре тока [2]

Параметрический эффект в варакторе используется в умножителях частоты, непосредственно изменение емкости в варакторе используется в устройствах электронной перестройки частоты согласно формуле

(1)

То есть частота контура содержащего варактор зависит от напряжения на нем , так емкость варактора зависит от приложенного к нему напряжения

К функциональному отличию данных приборов можно отнести тот факт, что варакторные диоды работают преимущественно в режиме обратного смещения (рис.2 а), так как именно в этом режиме обедненный слой существует в широком диапазоне напряжений, соответственно емкость запорного слоя меняется в широких пределах, кроме того отсутствует диффузионная емкость связанная с движением подвижных носителей заряда и имеющая инерционный характер.

Диапазон рабочих напряжений для pin диодов лежит преимущественно на прямом участке ВАХ (рис.2, б): открытое состояние диода соответствует участку на прямой ветви, закрытое состояние диода соответствует малому участку на обратной ветви. Закрытие диода происходит при малом обратном напряжении, из-за того, что i-область является слаболегированной и полностью обедняется даже при малом обратном напряжении. Тем самым режим работы варакторного диода характеризует ВФХ, а режим работы pin диода – ВАХ.

Uраб

Uраб

1. (б)

Рисунок 2 – Сравнение режимов работы варактора (a) [3] и pin диода (б)

• Отличия в структуре диодов

Отличия в структуре диодов представлены на рисунке 3.

Как видно в pin диоде (б) между сильно легированными областями p и n типа 1 и 3 находится высокоомная область 2 чистого полупроводника с предельно низкой концентрацией примеси (i-область). Металлические контакты 4 создают омические контакты с сильнолегированными областями. Толщина i-слоя составляет от 60 до 400 мкм. В варакторе (a) отсутствует область собственной проводимости, при этом дополнительно введена сильнолегированная область n⁺ для создания омического контакта и обеспечения механической прочности.

(а) (б)

Рисунок 3 – Сравнение структуры варакторного (а) и pin диода (б) [2]

Различие в структурах объясняется принципом работы, в варакторе – изменение барьерной емкости запорного слоя на рисунке область, обозначенная цифрой 3, а в pin диоде – проводимость i-области. При этом i-область выполняется достаточно большой толщины, обусловлено тем, что во-первых, pin диоды должны выдерживать большие СВЧ мощности, во-вторых, большая толщина i-слоя соответствует малой емкости, что эквивалентно большому значению импеданса в закрытом состоянии для СВЧ диапазона.

Так же следует отметить, что варактор может быть выполнен на барьере Шоттки, вместо p-n перехода.

• Сравнение микроволновых параметров

Так как диоды используют разные функции, то и параметры, характеризующие их будут отличатся, к с параметрам варактроных диодов относят: добротность, частота отсечки, коэффициент перекрытия, диапазон рабочих напряжений, профиль легирования, предельная мощность и т.д. к параметрам pin диодов относят: предельная мощность, постоянный прямой ток, постоянное обратное напряжение, время обратного восстановления, время включения и т.д.

Сравнить данные диоды можно по таким параметрам как мощность – pin диоды рассчитаны на гораздо большие мощности в отличие от варакторных.

Сравнивая ВАХ диодов, можно сказать, что pin диоды имеют прямую ветвь сдвинутую в область более высоких напряжений, напряжение пробоя так же больше (сотни вольт) по сравнению с варакторами (пара десятков вольт). Диапазон рабочих напряжений для варакторов составляет десятки вольт, для pin диодов – сотни вольт.