Сверхвысокочастотные диоды

Сверхвысокочастотный полупроводниковый диод (СВЧ-диод) - это полупроводниковый прибор, предназначенный для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала.

Полупроводниковые СВЧ-диоды уже длительное время применяют в различной радиоэлектронной аппаратуре и измерительной технике СВЧ-диапазона, т. е. на частотах более 300 МГц

Вначале СВЧ-диоды использовали для детектирования и сме­шения сигналов. Для этих целей применяли точечные диоды. Созданные впоследствии новые типы СВЧ-диодов практически целиком заме­нили точечные детекторные и смесительные диоды.

Некоторые из рассмотренных в предыдущих параграфах диоды тоже могут ра­ботать на сверхвысоких частотах (импульсные диоды, диоды с резким восстановлением обратного сопротивления).

К СВЧ-диодам, имеющие специфический принцип действия, относятся тун­нельный и обращенный диоды, варикап, лавинно-пролетный диод, диод Ганна и др.

Мы рассмотрим только туннельный диод и варикап.

Туннельный диод

Рис. 7.3 УГО

Туннельный диод - это полупроводниковый прибор в котором туннельный эффект приводит к появлению на характеристике при прямом включении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

Для изготовления туннельных диодов используют полупроводни­ковый материал с очень высокой концентрацией примесей (10¹⁸..-10²⁰ см³). Следствием высокой концентрации примесей в прилегающих к p-n переходу областях является малая толщина перехода (около 10^-2 мкм), т. е. примерно на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах.

В тонких переходах – высокая величина электрического поля (перекрытие валентной зоны в p области с зоной проводимости n области) и, следовательно, возможна вероятность туннелирования носителей заряда.

Рис. 7.4 Формирование ВАХ туннельного диода (зонные диаграммы)

При увеличении прямого напряжения прилагаемого к переходу уменьшается степень перекрытия валентной зоны и зоны проводимости и, одновременно уменьшается величина потенциального барьера.

Туннельный диод обладает областью с отрицательным дифференциальным сопротивлением (проводимостью) на прямой ветви ВАХ (рис. 7.4).

Используется в СВЧ технике для генерации и усиления сигналов

Варикап и варактор

Рис. 7.5 УГО

Варикап — это полупроводниковый прибор, действие которого основано на исполь­зовании зависимости емкости перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Варикап, работающий при закрытом p-n переходе, применя­ется для частотной модуляции и электрической перестройки частоты.

Варикап предназначен для работы при малых амплитудах колебаний.

Есть еще один п/п прибор мало чем отличающийся от варикапа - варактор.

Варактор - диод с р-n переходом, имеющий существенно нелиней­ную характеристику суммарной емкости (барьер­ной и диффузионной), как функции напряжения.

Варактор предназначен для работы при боль­ших амплитудах колебаний, когда возможна ситуация, что одну часть периода колебаний p-n переход закрыт, другую - открыт.

Как было показано ранее, диод с p-n переходом обладает барьерной и диффузионной емкостями. Диффузионная емкость проявляется при прямом смещении диода, когда проводимость его велика и ве­лики потери мощности из-за относительно больших активных токов через диод.

!! Варикапы используют толь­ко при обратном постоянном смещении (и малом сигнале), когда проявляется только барьерная емкость.

!! Варакторы находятся поочередно в прямом и обратном включении под действием большой амплитуды сигнала (переменного).

Варактор используется в так называемых варакторных умножителях частоты

Зависимость емкости от напряжения смещения различна для варикапов, изготовленных методом диффузии или методом вплавления примесей.

В сплавных варикапах с резким р-n переходом зависимость барьерной емкости от напряжения смещения получается более резкая.

Рис. 7.6 Концентрация примесей и структура варикапа с малым сопротивлением базы

Сопротивление базы варикапа должно быть по возможности малым.

Одновременно для большего пробив­ного напряжения необходимо большее удельное сопротивление слоев базы, прилегающих к р-n переходу.

Поэтому, базу ва­рикапа делают состоящей из двух слоев (рис. 7.6). Основная часть базы n+ должна быть низкоомной (подложка). Тонкий слой базы n, прилегающий к переходу, должен быть высокоомным.

Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения U_обр.

Задавая профиль легирования в базе варикапа N_D(x), можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряжения C(U_обр) - линейно убывающие, экспоненциально убывающие (рис. 7.7).

Рис. 7.7 Зависимости емкости варикапов от обратного напряжения

Пример: схема включения варикапа в колебательный контур

f_к = 1/2( L_к(C_к+C_в))^0,5 (7.1)

C_бл , C_р > C_к ,C_в и U_~ << E_см

Рис. 7.8 Схема включения варикапа в колебательный контур

Параметры варикапа:

- номинальная емкость С_ном при номинальном напряжении смещения (обычно  U_см = 4 В);

-  максимальная С_mах  и минимальная С_min  емкости;

-  коэффициент перекрытия k = C_max /C_min ;

-  добротность Q, измеряемая как отношение реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь при температуре 20⁰С;

- максимально допустимое напряжение U_mах;

-  и максимально  допустимая мощность Р_mах ;

-   ТКЕ, показывающий относительное изменение емкости на 1₀С.

Светоизлучающие диоды (СИД), или светодиоды

Рис. 7.9 УГО

Светодиод - излучающий полупроводниковый прибор с одним электрон­но-дырочным переходом, предназначенный для непосредственного преобразо­вания электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения.

СИД - универсальный излучатель в оптоэлектронике. Он используется в качестве индикатора включения блоков, для визуального отображения появле­ния высоких потенциалов на выходах ИМС, является элементом цифровых и цифробуквенных мозаичных индикаторов и т.п.

Устройство СИД отличается от обычного диода, в принципе, только наличием линзы, как правило, пластмассовой.

Рис. 7.10 Устройство светодиода

В качестве полупроводника используется карбид кремния (SiC), арсенид гал­лия (GaAs), нитрид галлия (GaN), фосфид галлия (GaP) и др., см. ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. 7.11 Схема включения светодиода

При подаче на p-n переход прямого напряже­ния наблюдается интенсивная инжекция неос­новных носителей заряда: электронов в р-область и дырок в n-область.

Инжектирован­ные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в данной области полупроводника.

При рекомбинации выделяется энергия. У многих полупроводников рекомбинация носит безызлучательный характер - энергия, выделяющаяся при реком­бинации, отдается кристаллической решетке, фононам, т.е. превращается в конечном ито­ге в тепло.

У полупроводников, выполненных на основе вышеперечис­ленных материалов, рекомбинация является излучательной - энергия при ре­комбинации выделяется в виде квантов излучения - фотонов. Поэтому у таких полупроводников прохождение через p-n переход тока в прямом направлении сопровождается некогерентным оптическим излучением определенного спек­трального состава.

Светодиод, как элемент электрической схемы, характеризуется ВАХ.

Ход ВАХ светодиода не отличается от ВАХ обычного диода.

Светодиод, как излучатель, характеризуют:

1. Излучательной (яркостной) характеристикой - зависимостью яркости от тока

В = f(I_пр),

где В - яркость свечения [кд/м² ];

2. Мощностной характеристикой - зависимостью мощности излучения от тока;

3. Спектральной характеристикой - зависимостью относительной спектральной плотности мощности от длины волны излучения.

Рис. 7.12 Излучательная и мощностная характеристики светодиода

Рис. 7.13 Спектральная характеристика светодиода P= ∫S_d=2/

^

Спектральные характеристики имеют выраженный макси­мум на некоторой длине волны _mах. Величина _mах определяет цвет излуче­ния, зависит от материала полупроводника диода и составляет 1,7 мкм для SiC; 0,9 мкм - GaAs.

При необходимости, можно выбрать светодиод со спектральной характеристикой, близкой к кривой относительной видимости глаза.

Электрические параметры светодиода:

1. Максимальный и номинальный прямой ток I_{пр max}, I_{пр ном} (диапазон лежит до 50ma, у СИД малой мощности);

2. Номинальное прямое напряжение U_{пр ном} ;

3. Максимальное обратное напряжение U_{обр max} (4-12 В);

4. Допустимая рассеиваемая мощность Р_{расс max} [мВт];

5. Диапазон рабочих температур - 60°-+70°С.