Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

рез диод. В зависимости от управляющего .сигнала диод мо­

жет находиться или в открытом состоянии, закорачивая тем са­

мым СВЧ-линию, или в закрытом. В первом случае СВЧ-тракт закрыт и коэффициент отражения близок по модулю к единице,

а во втором- СВЧ-линия открыта и коэффициент отражения близок к нулю.

Переключающий диод имеет очень малую барьерную емкость

Сбар = Свыв и при прямом смещении малое суммарное сопротив­

ление, состоящее из сопротивления перехода (rдиф) и сопротивле­ ния базы и контактов (r6 ). Обратное напряжение, прямой ток и рассеиваемая мощность должны быть достаточно большими. Чем больше допустимая рассеиваемая мощность, тем больше и максимальная мощность коммутируемого СВЧ-сигнала.

Для уменьшения сбар необходимо уменьшать площадь пере­ хода, а для увеличения прямого тока, наоборот, площадь пере­ хода делается большей. Из-за противоречивости этих требова­ ний использование р-п-переходов и переходов металл - полу­

проводник не позволяет достичь наилучших параметров при

переключении. Поэтому в качестве переключающих диодов ис­

пользуются р-i-п-структуры, в которых между сильно леги­

рованными областями п+- и р+-типа располагается i-слой с ма­ лой проводимостью, близкой к собственной. Из-за малой прово­

димости i-слоя даже при нулевом напряжении он практически

полностью обеднен носителями зар.~ща. В то же время из-за вы­

сокой степени легирования п+- и р+-областей обедненный слой в

них имеет очень малую протяженность. Как результат, толщи­

на обедненного ело.я 106 приблизительно равна ширине i-слоя (единицы - десятки мкм) и барьерная емкость практически не зависит от напряжения. Следовательно, в р-i-п-диодах мож­

но получить малые, практически не меняющиеся от напряже­

ния емкости диода (десятые доли пФ) при достаточно больших напряжениях пробоя (до 1000 В) и площадях перехода, которые обеспечивают большой допустимый прямой ток (до сотен мА).

При подаче прямого смещения за счет инжекции носителей

из п+- ·и р+-областей i-слой запо.ri:няется электронами и дырка­

ми, которые при больших прямых токах образуют квазинейт­

ральную электронно-дырочную плазму. Из-за большой концент­ рации носителей сопротивление i-слоя очень мало (менее О, 1 Ом).

Для его уменьшения необходимо увеличивать время жизни но­ сителей в i-слое. Скорость накопления и рассасывания носите-

лей зависит от скорости процесса рекомбинации и дрейфовой скорости носителей. Эти процессы определяют один из основ­

ных параметров переключательных диодов - время перенлюче­

ння. Теоретически предельное время переключения есть вели­ чина порядка времени пролета через i-слой носителей заря­ да, движущихся с предельной дрейфовой скоростью, т. е. скоро­

стью насыщения.

Основные специфические параметры переключающих ди­ одов как приборов СВЧ:

-потерн пропускания в открытом состоянии тракта (десятые доли дБ);

-потерн запнрання в закрытом состоянии (десятки дБ);

-время прямого восстановления при подаче на диоды функ-

ции включения (от нескольких нс до нескольких мкс);

-время обратного восстановления при подаче обратного на­

пряжения (от нескольких нс до нескольких мкс).

Указанные параметры определяют времена переключения СВЧ-тракта с диодом из открытого в закрытое состояние или наоборот, в течение которых потери достигают заданных значе­ ний.

Характерные предельно допустимые параметры: переключае­ мая в непрерывном режиме СВЧ-мощность (до единиц Вт), импульс­ ная СВЧ-мощность (до 1 кВт) и рассеиваемая мощность.

З.З. Импульсные диоды

Этот тип диодов используется в ключевых и цифровых схемах, а также в устройствах преобразования и формирования импульс­ ных сигналов. Импульсные диоды должны иметь малую длитель­ ность переходных процессов, чтобы обеспечить импульсный ре­ жим работы. Современные импульсные диоды позволяют рабо­

тать с сигналами длительностью до наносекундного диапазона.

Основные параметры, определяющие инерционность диодов, -

это барьерная емкость и скорость рассасывания накопленного

в базе заряда носителей (см. п. 2.5):

Для уменьшения значений указанных параметров в им­

пульсных диодах делают малую площадь электрического пере­

хода и снижают время жизни неравновесных носителей заряда в базе за счет дополнительного легирования ее атомами золо­

та, которые создают в запрещенной зоне кремния уровни лову­ шек. Основными исходными материалами для изготовления

импульсных диодов являются кремний и арсенид галлия. Поми" -

мо р-п-перехода, в импульсных диодах используется контакт

металл - полупроводник. В соответствии с используемой техно­ логией импульсные диоды бывают точечные, сплавные, микро­

сплавные, диффузионные, мезадиффузионные и эпитаксиально- ·

планарные.

Основным импульсным параметром является время восста­

новления обратного сопротивления - tвос• определяемое как вре­

менной интервал от момента подачи обратного напряжения до

момента, когда обратный ток диода уменьшается до заданного

значения. Для сверхбыстродействующих диодов tвос < 0,1 мкс, а для быстродействующих - О,1 :;;;:; tвос:;;;:; 10 мкс.

Помимо tвос' другим импульсным параметром является

tуст - время установления прямоr:о сопротивления диода, которое

определяет интервал времени от начала импульса прямого тока

до момента уменьшения напряжения на диоде до 1, 2 установив­

шегося значения.

К специфическим импульсным параметрам относятся также

следующие: rимп - максимальное импульсное сопротивление, пред­

ставляющее отношение максимальной амплитуды импульса пря­

мого напряжения на диоде к току через него; !вое.макс - макси­

мальный ток восстановления, определяемый наибольшим обратным

током ~осле переключения напряжения на диоде с прямого на об­

ратное; Сд - емкость диода при заданном обратном напряжении; Qпк - заряд переключения, переносимый обратным током после

переключения диода с прямого на обратное напряжение при со­ ответствующих значениях прямого и обратного напряжений;

Ипр. и. макс - максимальное падение напряжения на диоде в прямом

направлении при заданной силе импульсного прямого тока. Наименьшее врем-я переключения имеют диоды Шоттки, в ко­

торых практически отсутствует эффект накопления неосновных

носителей заряда.

К импульсным диодам отнасятся также диоды с накоплением

заряда (ДНЗ).

Импульсные ДН3 конструируются таким образом, чтобы

они запасали заряд во время протекания прямого тока, а после

переключения пропускали ток в обратном направлении за ко­ роткое время. Таким образом, эти диоды отличаются тем, что в них при переключении с прямого напряжения на обратное дли­ тельность стадии восстановления обратного сопротивления ма-

пр.яжение стабилизации при лавинном пробое, как правило, превышает 6 В. При большой концентрации примесей возниRа­ ет туннельный пробой, напряжение стабилизации при Rотором менее 6,3 В. Как следует из БАХ (рис. 3.3, б), напряжение на участке пробоя слабо зависит от протекающего через прибор то­

Rа. Это напряжение пра:ктичесRи равно напряжению стабилизации

Ист· Минимальный ток стабилизации !ст.мин соответствует началу

пробоя, т. е. началу вертиRального участка БАХ (точRа А на рис. 3.3, б), где дифференциальное сопротивление rдиФ резко уменьшается и стано:вится малым. Максимальный ток стабилиза­

ции Iст. макс (точRа В на рис. 3.3, б) регламентируете.я допустимой

мощностью рассеивания. Напряжение стабилизации Ист опреде­

ляете.я при заданном значении тока стабилизации Jст (точка С на рис. 3.3, б) на рабочем участRе АВ стабилитрона.

Рассмотрим работу простейшей схемы стабилизации напря­ жения (см. рис. 3.3, а), Rогда напряжение на резисторе нагрузки

Rн равно Ин= Ист· Ток через ограничивающий резистор Rогр равен

I = (Е - ист)/Rогр' при этом ток через стабилитрон JCT = I - !;,_,

а TOR нагрузки JH = истfRн (точRа с на рис. 3.3', б). Предполо­

жим, что напряжение на входе схемы изменилось на величину

ЛИ". В рабочей точRе С дифференциальное сопротивление ди­

ода rдиФ много меньше общего сопротивления схемы, поэтому

тоR через стабилитрон при увеличении входного напряжения

на ЛИ" возрастет на величину ЛJ" = ЛИ"/Rогр и примет значе­

ние, соответствующее точке С". Возрастание тоRа через стаби­ литрон приведет к увеличению общего тока I, протеRающего че­

рез резистор Rогр• таRже на величину ЛJ", что приведет к воз­

растанию падения напряжения на резисторе Rогр· В результате напряжение на нагрузRе практически не изменяется. Подобные

процессы будут протеRать и при изменении напряжения на

-ЛИ'. В этом случае рабочая точка переместится в положение

С', а тоR у м е н ь ш и т с я на величину ЛJ'. Для получения хо­

рошей стабилизации дифференциальное сопротивление стаби­

литрона должно быть как можно меньше по сравнению с Rогр и

Rн. Аналогичные процессы будут происходить при изменении

значения сопротивления нагрузки. Это также будет приводить

к изменению общего тока в схеме и, следовательно, к измене­

нию падения напряжения на Rогр' что восстановит первоначаль­ ное падение напряжения Ист на Rн.

ный, переход осуществляет термокомпенсацию подобно преци­ зионному стабилитрону. Двуханодные стабилитроны, помимо

стабилизации напряжения, применяют в схемах двухсторонне­

го ограничения напряжения, в системах защиты цепей от пере­ напряжения любой полярности.

Стабилитрон, в котором для поддержания постоянства на­

пряжения используют прямую ветвь БАХ, называют стабисто­ ром. Эти приборы имеют значительно меньшее напряжение ста­

билизации (< 1 В) по сравнению с лавинными и туннельными стабилитронами, поскольку работают при пр:Ямом смещении. Для увеличения напряжения стабилизации используют после­

довательное включение нескольких отдельных стабисторов или

изготовление такого соединения внутри корпуса одного прибо­

ра, чтобы уменьшить rдиФ и сопротивления базы r 6 в стабисторах

применяют высоколегированный кремний. Напряжение стаби­

лизации в этом случае составляет величину порядка О,7 В, что

соответствует уЧ:астку относительно больших прямых токов для

одиночного р-п-перехода. Параметр аст отрицателен и ПО по­

рядку величины лежит в пределах 0,1 ... 0,4% /0 С. Стабисторы иногда используют вместе с другими типами стабилитронов в

качестве термокомпенсаторов.

3.5. Варикапы

Варикапы - это полупроводниковые диоды, использующие

при своей работе зависимость барьерной емкостир-п-перехода

от обратного напряжения. Эта зависимость называется вольт-фа­

радной характеристикой (ВФХ).

Варикапы применяются в схемах электронной перестройки

частоты колебательного контура, в усилительных параметриче­

ских схемах, в делителях и умножителях частоты, в управляе­

мых фазовращателях и других устройствах.

Основными исходными материалами для изготовления вари­ капов являются кремний и арсенид галлия. Варикапы создают­

ся на основе эпитаксиально-планарных структур, сплавных и

диффузионных технологий. Эпитаксиально-планарные варика­

пы имеют оптимальные параметры.

Важнейшей характеристикой варикапа явл~ется ВФХ, т. е.

зависимость Свар = f(U), или Сбар = f(U06P) (см. гл. 2, рис. 2.8).

В качестве важного параметра выступает коэффициент Кс, ха-

88 Раздел 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

рактеризующий относительное изме­

нение емкости и определяющий кру- .'

тизнуВФХ:

Кс = (dСбар/dИобр)/Сбар•

Величина Кс определяет относи­

тельное изменение резонансной час­

Рис. 3.5

тоты ffio колебательного контура (Ск -

емкость, Lк - индуктивность, рис. 3.5) при совместной работе

с варикапом:

На схеме, представленной на рис. 3.5, С» Сбар и управляю­ щее напряжение И подается на варикап VD, через высокоомный резистор R, уменьшающий шунтирование варикапа и колеба­

тельного контура малым сопротивлением источника питания.

При варьировании обратного напряжения происходит измене­

ние емкости варикапа, что приводит к смещению резонансной частоты колебательного контура.

К основным специфическим электрическим параметрам ва­

рикапа относятся: емкость при номинальном, максимальном и ми­

нимальном напряжениях, которая измеряется на заданной часто­ те; коэффициент перекрытия по емкости; добротность; частотный диа­

пазон; температурные коэффициенты емкости ТКСв = dC8 /(C8 dT) и добротности ТКQв = dQ8/(Qв dT).

Электрическую модель варикапа можно получить, исполь­

зуя общую модель диода (см. рис. 2.10), в которой необходимо исключить элементы VD и СдиФ и добавить индуктивности вво­

дов L 8 , емкость корпуса Скорп• сопротивление rдиФ' заменив r 6 на rпот = r6 + rк, где rк - сопрот:Ивление контактов. Для нормаль-

. ной работы емкость выводов варикапа должна. быть заметно меньше барьерной емкости.

Эквивалентная схема варикапа показана на рис. 3.6, а. При

работе на низких частотах в эквивалентной схеме можно иск­ лючить LB, скорп• пренебречь сопротивлением базы rб, в основ­

ном определяющим величину r пот• которая мала по сравнению с

емкостным сопротивлением Хе= 1/(ФС6ар); эквивалентная. схе­

ма (рис. 3.6, б) вырождается в параллельное соединение резис­ тора Rп и емкости Сбар (здесь Rп заменяет параллельное соедине-