МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

КАФЕДРА МВЭ

4 Балл. Работайте основательно, а не «копировательно»!

отчет

По индивидуальному заданию №3

по дисциплине «Микроволновая электроника»

Тема: «ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ»

Студент гр.
Преподаватель		Иванов В.А.

Санкт-Петербург

202X

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.

Решение

1.1.

Токовая чувствительность ДД определяется выражением [1]:

1.2.

Приращение тока рассчитывается по формуле:

отсюда

1.3.

Тепловой шум определяется :

Зная , можно найти тангенциальную чувствительность:

Ответ: , .

1.4. Сравнение варакторного диода (ВД) и смесительного диода (СД).

Варакторный диод

Рис. 1. Структура ВД

Рассмотрим структуру (рис. 1) и параметры варакторного диода [2].

ВД состоит из n⁺ подложки (5) с выращенной на ней эпитаксиальной пленкой n-типа (4). С помощью диффузии в этой пленке образован p-слой (2).

Между n- и p- областями возникает обедненный p-слой (3). На p-слой и подложку нанесены омические контакты (1). Также может быть использован барьер Шоттки.

Функциональная роль заключается в изменении своей емкости в зависимости от приложенного обратного напряжения. Эта зависимость обусловлена изменением толщины обедненной области, связанной с ионизацией примесей в полупроводнике. Благодаря этому свойству варакторные диоды используются в качестве элементов электрической перестройки частоты, умножителей частоты и параметрических усилителей.

ВД применяются в перестраиваемых гетеродинах и фильтрах, позволяя изменять рабочую частоту без механической перенастройки.

Параметры ВД

- ВФХ (зависимость барьерной емкости от напряжения смещения) (рис. 2):

где m – коэффициент, определяющий профиль легирования (m = 0 для резкого, m > 0 для плавного и m < 0 для сверхрезкого перехода)

Рис. 2. Вольт-фарадная характеристика ВД

- Емкость при нулевом напряжении смещения:

где S – площадь поперечного сечения перехода.

- Коэффициент перекрытия:

где C_min – минимальное значение емкости при предельном обратном смещении (ограничено напряжением пробоя).

- Добротность и частота отсечки:

Смесительный диод

Рис. 3. Структура СД

Структура СД представлена на рис. 3.

Крестообразная структура металлического электрода, образующего барьер Шоттки, обеспечивает снижение емкости перехода в сравнение с кругом и улучшение механических свойств соединения с полупроводниковой структурой. Концентрация примеси в низколегированной n-области не превышает 10¹⁷ см^-3. Концентрация примеси в n⁺ обычно составляет порядка 10¹⁹…10²⁰ см^-3.

Нелинейность ВАХ детекторного диода можно использовать для получения сигналов постоянного или НЧ огибающей и для переноса сигнала на другую несущую частоту. Для этого на диод необходимо подать сигнал с дополнительного генератора, работающего на частоте ω_г, отличающейся от несущей частоты.

Параметры СД

- ВАХ (рис. 4) [3]

Рис. 4. ВАХ детекторного диода

- Токовая чувствительность:

(отношение приращения выпрямленного тока к приращению мощности СВЧ-сигнала, поступающего на диод).

- Тангенциальная чувствительность:

Р_min – минимальное значение мощности, при котором возможно выделить полезный сигнал на уровне шумов. При дальнейшем уменьшении мощности шумы будут заглушать полезный сигнал.

- Шумовое отношение:

Шумовое отношение показывает, насколько диод шумит больше, чем резистор с сопротивлением, равным его дифференциальному сопротивлению в данной рабочей точке.

- Граничная частота:

где R_s – параметр омических областей; С_j – параметр выпрямляющего перехода. Граничная частота характеризует максимальную частоту, на которой может работать прибор.

- Полное сопротивление – сумма активной и реактивной составляющей сопротивления:

Сходства ВД и СД

- оба диода работают при обратном смещении;

- ВД и СД обладают нелинейными характеристиками, что позволяет им выполнять различные функции обработки сигналов.

Различия ВД и СД

- Разная структура. СД имеет структуру металл-полупроводник с относительно низким барьером. ВД имеет структуру p-n-перехода с относительно высоким барьером.

- Различающиеся параметры. Емкость ВД изменяется в зависимости от напряжения. Емкость СД относительно постоянна.

- Разные функции. СД используется для смешивания двух или более сигналов с целью изменения их частот, ВД используется для изменения своей емкости в зависимости от приложенного обратного напряжения.

- СД используются в смесителях частоты, детекторах и модуляторах, а ВД – в перестраиваемых по частоте генераторах, фильтрах и умножителях частоты.

1.5. 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

Детекторный диод (ДД)

Рис. 5. Эквивалентная схема ДД

В эквивалентной схеме на рис. 5 свойства барьера отображаются нелинейными элементами C_j и R_j. Они соответствуют емкости и сопротивлению барьера Шоттки.

Сопротивление R_s равно сумме нейтральной части полупроводника и контактного сопротивления.

C_j и R_j определяют ВАХ и ВФХ диода.

Рис. 6. Схема включения ДД

В схеме включения на рис. 6 трансформатор обозначает элемент связи, за счет которого сигнал подается на диод.

Синусоидальный сигнал преобразуется в постоянный с помощью емкости. Сопротивление является нагрузкой.

Схемы включения ДД см. на рис. 7, 8.

Рис. 7. Схема включения ДД в коаксиальную линию при помощи емкостного штыря

Рис. 8. Включение ДД в коаксиальную линию при помощи петли связи

Смесительный диод (рис. 9-12)

Рис. 9. Эквивалентная схема смесительного диода

Рис. 10. Балансный смеситель

Рис. 11. Смеситель на ПТШ

Рис. 12. Двойной балансный смеситель

1 балл

Задача №2.

Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением.

1. Нарисовать типовое распределение по координате легирующей примеси, концентрации подвижных носителей заряда, статического поля и скорости дрейфа для двух структур из списка диодов с отрицательным динамическим сопротивлением (выбор произвольный 6, 7, 8 из вышеприведенного списка, но один прибор должен быть с использованием арсенида галлия, а второй – кремневый).

2. Используя зависимость напряженности статического электрического поля представьте прибор как слоистую структуру с разной дифференциальной подвижностью.

3. Определите частоту генерации ЛПД и ДГ с бегущим доменом при одинаковой длине активной области приборов .

2.1. На рис. 13 представим типовое распределение по координате легирующей примеси, концентрации подвижных носителей заряда, статического поля и скорости дрейфа.

Выбор: ДГ на GaAs.

Рассмотрим распределение поля при режиме катодного статического домена [4].

Рис. 13. Типовое распределение по координате статического поля (а), типовое распределение по координате скорости дрейфа (b)

Рис. 14. Типовое распределение по координате концентраций подвижных носителей заряда

Рис. 15. Типовое распределение по координате легирующей примеси

Выбор: ЛПД (диод Рида) на Si

На диод подается обратное напряжение.

Рис. 16. Типовое распределение по координате концентраций подвижных носителей заряда

Рис. 17. Типовое распределение по координате легирующей примеси

Рис. 18. Типовое распределение по координате скорости дрейфа

Рис. 19. Типовое распределение по координате статического поля

2.2. Представим ДГ и диод Рида как слоистую структуру (рис. 20, 21).

Рис. 20. Диод Ганна, как слоистая структура

В данном устройстве для усиления и генерации сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний используется аномальная зависимость скорости электронов от напряженности электрического поля. При этом основные процессы происходят непосредственно в объеме полупроводника, а не на p-n переходах. Эти процессы связаны с переходом электронов из центральной энергетической долины в боковые долины, которые имеют более высокую эффективную массу и меньшую подвижность. Края полупроводника имеют более высокую степень легирования для создания омических контактов [5].

Рис. 21. Диод Рида, как слоистая структура

Диод Рида использует принцип пробоя обедненной области, возникающего при подаче высокого обратного напряжения. Он состоит из области лавинного умножения, где происходит экспоненциальное увеличение носителей заряда, и области дрейфа, где электроны движутся с постоянной скоростью, создавая ток.

В отличие от обычных ЛПД, в данной структурной разновидности области лавинного умножения и дрейфа физически разделены. Диод состоит из четырех областей с различными уровнями легирования.

Сильное электрическое поле локализуется в узкой области p+-n перехода, инициируя лавинное умножение носителей заряда при достижении порогового напряжения. Высвободившиеся электроны перемещаются через нелегированную i-область со скоростью, близкой к скорости насыщения.

2.3 Определим частоту генерации ЛПД и ДГ с бегущим доменом при длине активной области. .

Решение

ЛПД:

отсюда

ДГ:

Ответ: