шпоргалка / Шпоры по электрон распечатано

11. ВЧ и СВЧ диоды

ВЧ и СВЧ-диоды бывают выпрямительными, переключательными и преобразовательными. Характерной особенностью p-n-переходов диодов СВЧ-диапазона является их малая емкость, что достигается уменьшением площади перехода. Конструкция приборов на основе р-n-переходов и технология их изготовления должны обеспечивать точное и воспроизводимое выполнение как поперечных размеров перехода, так и толщины слоев полупроводниковых материалов, а также требуемый уровень и профиль легирования. Первые СВЧ-диоды были изготовлены точечно-контактным методом. Для этого к предварительно отполированной и протравленной пластине Si или Ge прижималась игла из вольфрама или фосфористой бронзы (часто в виде пружины) с диаметром острия от нескольких микрометров до 20 — 30 мкм. При электроформовке, заключающейся в разогреве области контакта при пропускании мощных коротких импульсов тока, образовывался контакт типа барьера Шоттки. Диффузионный метод создания переходов основан на диффузии в полупроводник примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазе. В зависимости от глубины залегания перехода он может быть плавным или резким. При малой толщине р-области переход можно считать резким со ступенчатым изменением концентрации примеси. Эквивалентная схема СВЧ диода кроме сопротивления растекания r_s, емкости перехода C_бар и сопротивления перехода r_пер включает в себя индуктивность контактной пружинки L_s и емкость корпуса С_корп. Представить диод в виде системы с сосредоточенными параметрами можно, только если линейные размеры (толщина перехода, радиус перехода) по сравнению с длиной волны малы. Толщина выпрямляющего слоя в СВЧ диодах имеет величину порядка долей микрона и не определяет частоту, до которой можно пользоваться данной схемой. Полусферическая область кристалла, определяющая сопротивление r_s, примыкает к точечному контакту и имеет радиус в несколько десятков микрон при радиусе контактного острия в несколько микрон. Следовательно, сопротивление растекания r_s можно представить в эквивалентной схеме в виде сосредоточенного параметра даже до длин волн порядка миллиметра. Размеры конструктивных элементов СВЧ диода уже в диапазоне волн 3 см становятся соизмеримыми с длиной волны. Важной характеристикой СВЧ диодов является коэффициент шума, который можно определить как изменение отношения сигнала к шуму на входе и выходе рассматриваемой схемы.

11. Диоды Шотки

Рассмотрим особенности работы диода с барьером Шоттки на основе контакта металла с полупроводником n-типа для случая, когда работа выхода металла больше, чем работа выхода полупроводника. При образовании контакта электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, в результате чего уровни Ферми металла и полупроводника выравниваются. При этом полупроводник оказывается заряженным положительно, а возникающее внутреннее электрическое поле препятствует переходу электронов в металл. Между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов. Благодаря разности работ выхода металла и полупроводника между ними происходит обмен электронами. Электроны из полупроводника, имеющего меньшую работу выхода, переходят в металл с большей работой выхода. В равновесном состоянии металл заряжается отрицательно, в результа­те чего возникает электрическое поле, прекращающее однородный переход электронов. Из-за резкого различия концентраций свободных электронов по обе стороны от контакта практически все падение напряжения приходится на приконтактную область полупроводника. Приложенное внешнее напряжение изменяет высоту барьера лишь со стороны полупроводника. Электроны зоны проводимости отталкиваются возникшим контактным нолем. Создается обедненный слой с пониженной концентрацией подвижных носителей. Около контакта вследствие изгиба границ зон полупроводник n-типа переходит в полупроводник p-типа. Распределение электрического поля и объемного заряда в этом случае описывается теми же уравнениями, что и для резкого p-n-перехода. В полупроводнике возникает область, обедненная основными носителями заряда с пониженной проводимостью, ширина которой зависит от уровня легирования полупроводника. В состоянии равновесия поток электронов (основных носителей полупроводника) в металл уравновешивается потоком электронов из металла в полупроводник. При прямом смещении потенциальный барьер со стороны полупроводника понижается и число переходов электронов в металл увеличивается. При обратном смещении, напротив, ток из полупроводника уменьшается, стремясь с ростом напряжения к нулю. Ток электронов из металла все время остается неизменным: роль его незначительна при прохождении прямого тока, им же обусловлен ток утечки при обратном смещении. Величина этого обратного тока в приборах с барьером Шоттки порядка единиц микроампер. В реальных контактах линейная зависимость высоты барьера от работы выхода металла наблюдается редко ввиду того, что на поверхности полупроводника из-за ее неидеальности имеются поверхностные заряды. Кроме того, на свойства контакта металл — полупроводник влияют токи утечки, токи генерации — рекомбинации носителей заряда в обедненной области и возможность туннельного перехода электронов в случае сильнолегированного

11. Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения в схемах; на их вольтамперной характеристике (рисунок) имеется участок с высокой крутизной, где напряжение на диоде слабо зависит от тока через диод. В РЭА применяют стабилитроны общего назначения, прецизионные, импульсные, двуханодные и стабисторы. Стабилитроны общего назначения используются в схемах стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня напряжения и др. Прецизионные стабилитроны применяют в качестве источника опорного напряжения с высокой точностью стабилизации и термокомпеисации уровня напряжения. Импульсные стабилитроны используются для стабилизации постоянного и импульсного напряжения и ограничения амплитуды импульсов напряжения малой длительности, а двуханодные — в схемах стабилизаторов, ограничителей напряжения различной полярности, и т.п.. Стабисторы предназначены для стабилизации малых значений напряжений (постоянных, импульсных), а также используются как термокомпенсирующие элементы для поддержания заданного уровня напряжения в схеме при изменении температуры окружающей среды. Принцип работы основан для большинства стабилитронов, за исключением стабисторов, на использовании электрического пробоя в p-n-переходе. При относительно малой концентрации примесей в базе диода наблюдается в его электрическом переходе лавинный механизм пробоя (высоковольтные стабилитроны с напряжением стабилизации (U_ст > 6,3 В), а при высокой концентрации примесей возникает туннельный пробой (низковольтные стабилитроны с U_ст < 6,3 В). Для кремниевого диода характерно постоянство напряжения не только в области электрического пробоя его перехода, но и на прямой ветви ВАХ, что используется в стабисторе. Простейшая схема стабилизатора напряжения приведена па рисунке на оборотн. Стабилитрон VD включен в обратном направлении параллельно нагрузке R_н. Участок на обратной ветви ВАХ стабилитрона является рабочим участком стабилизации напряжения. Рабочая точка А должна находиться между токами I_Rн и I_cт.макс примерно посередине. Из этого условия выбирают сопротивление R_огр. В рабочей точке А напряжение на стабилитроне U_обр = U_ст.ном. Диод, в котором для стабилизации напряжения в схемах используется прямая ветвь ВАХ,

11. Туннельные и обращенные диоды.

Принцип работы туннельного диода основан на явлении туннельного эффекта в электронно-дырочном переходе, образованном вырожденными полупроводниками. Туннельный эффект приводит к появлению участка отрицательной проводимости на ВАХ туннельного диода при прямых напряжениях перехода. В обращенном диоде участок отрицательной проводимости на ВАХ отсутствует. Различают усилительные, генераторные, переключательные туннельные диоды. Усилительные диоды применяют в усилителях и гетеродинах приемных устройств, в схемах детекторов и смесителей диапазона СВЧ. Генераторные диоды используют в основном для построения СВЧ-генераторов в диапазоне волн 1—10 см, но они могут работать в быстродействующих импульсах и переключательных схемах. Переключательные диоды нужны для построения специализированных вычислительных устройств, логических сверхбыстродействующих схем, импульсных устройств наносекундного диапазона. Обращенные диоды имеют такую же область применения, что и переключательные туннельные, но иногда используются в схемах детекторов и смесителей СВЧ-диапазона. Концентрация примесей в р- и n-областях туннельного диода порядка 10²⁰ см^-3, т. е. в диоде используются вырожденные полупроводники. Толщина электрического перехода туннельных диодов составляет 1—10 нм. Туннельные переходы совершаются частицами без затраты энергии. Высокая концентрация примесей в р- и n-областях туннельного диода приводит к тому, что локальные уровни примесей образуют в вырожденных полупроводниках сплошную зону. Уровни Ферми полупроводников Е_фр и Е_фn будут расположены соответственно в валентной зоне р-области и зоне проводимости n-области. Энергетическая диаграмма p-n-перехода диода в состоянии равновесия показана на рисунке, где заштрихованные области соответствуют уровням энергии, занятым электронами с наибольшей вероятностью. В состоянии термодинамического равновесия зона проводимости n-полупроводника и валентная зона р-полупроводника перекрываются по энергии на величину δЕ=Е_в—Е_п. Поэтому электроны из зоны проводимости n-области могут туннелировать сквозь узкий переход в валентную зону р-области на свободные энергетические уровни, а электроны из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области на свободные уровни энергии. При небольших прямых напряжениях заполненные электронами энергетические уровни зоны проводимости n-области частично расположатся напротив свободных уровней валентной зоны р-области. Поэтому в основном будут туннельные переходы электронов из

полупроводника. В целом вольт-амперная характеристика контакта с барьером Шоттки в широких преде­лах изменения тока соответствует характеристике типа: , где a — коэффициент «неидеальности». При обратном смещении ток через контакт обычно увеличивается с ростом напряжения. Особенностью выпрямляющих контактов металл — полупроводник, отличающих их от p-n-переходов, является отсутствие инжекции неосновных носителей в полупроводник при прямых напряжениях. Таким образом, в диоде Шоттки отсутствуют накопление неосновных носителей заряда в областях диода при прямом напряжении и рассасывание этого заряда при изменении знака напряжения. Это улучшает быстродействие диода, т. е. частотные и импульсные свойства. Время восстановления обратного сопротивления с диодом Шоттки при использовании кремния и золота — примерно 10 нс и меньше. Достоинством диода Шоттки при современном уровне технологии является также то, что его вольт-амперная характеристика оказывается очень близкой к характеристике идеализированного p-n-перехода. Применяются диоды Шоттки в качестве детекторных и смесительных диодов вплоть до миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Изготавливаются они из арсенида галлия. Для уменьшения емкости диаметр контакта уменьшается до 1 мкм и менее. Смесители на диодах Шоттки используются до 300 ГГц. На частоте 170 ГГц коэффициент шума диода Шоттки К_ш = 4,8-5,5 дБ, а охлаждение до 20 К снижает его примерно вдвое. Диоды с барьером Шоттки могут быть использованы для умножения и преобразования частот. Умножение может быть основано как на нелинейной зависимости сопротивления диода от напряжения (нелинейное сопротивление), так и на нелинейной зависимости емкости от напряжения (нелинейная емкость). Эффективность умножения при использовании диода Шоттки на основе арсенида галлия примерно в 3 раза выше, чем у кремниевых диодов с прижимным контактом при одинаковых с ним входной частоте (3 — 4 ГГц) и кратности умножения (три). Особенно существенны преимущества диода Шоттки при преобразовании слабых сигналов. Эти диоды используются также и как быстродействующие переключательные диоды.

n- в р-область, что соответствует прямому току I_пр.тун диода. При увеличении U_пр до U_п число перекрывающихся свободных и занятых изоэнергетических уровней вначале возрастает. При U_п уровень Ферми Е_фn совпадает с уровнем энергии Е_в р-области и соответственно E_фр— с уровнем E_п n-области диода. При дальнейшем увеличении напряжения прямой ток будет уменьшаться, пока напряжение не достигнет значения U_в, где диффузионный ток становится преобладающим. Вольт-амперная характеристика туннельного диода изображена на рисунке. Эквивалентная схема для малых сигналов приведена на рисунке под ВАХ. На эквивалентной схеме резистор r_диф учитывает дифференциальное сопротивление перехода диода, конденсатор С_пер — емкость перехода, резистор r_s — омическое сопротивление потерь (r_s = r_Э +r_Б), а элементы L_д и С_корп — собственную индуктивность и емкость корпуса диода. Обращенный переключательный диод используют в быстродействующих импульсных переключательных схемах, в схемах детекторов малых сигналов и смесителей диапазона СВЧ. Вольт-амперная характеристика обращенного диода не имеет участка отрицательного сопротивления, так как концентрация примесей в р- и n-областях составляет 10¹⁸-10¹⁹ см^-3, что соответствует границе вырождения полупроводников. Поэтому туннельный ток существует только при обратных напряжениях на переходе. Рабочим участком обращенного диода является обратная ветвь ВАХ, что отражено в его названии. Ток на рабочем участке диода обусловлен только явлениями туннелирования носителей через переход, и, следовательно, диффузионная емкость перехода С_дф = 0, накопление носителей в базе диода принципиально отсутствует. Поэтому обращенный диод может работать на более высоких частотах по сравнению с обычными импульсными диодами на р-n-переходе. Параметрами обращенного диода являются постоянное прямое U_пр и обратное U_обр напряжения соответственно при заданных прямом и обратном токах, r_диф при заданном импульсном обратном токе I_обр.и и определенной длительности импульса, а также ток пика I_п и емкость диода С_д.

называется стабистором. Для увеличения крутизны прямой ветви ВАХ, т.е. для уменьшения сопротивления r_диф диода и сопротивления базы r_Б в стабисторах применяют кремний с высокой концентрацией примесей. Напряжение стабилизации Uст ≈ 0,7 В и соответствует участку «больших» прямых токов на ВАХ стабистора с одним р-n-переходом. Для увеличения U_CT иногда используют последовательное соединение нескольких стабисторов, смонтированных в одном корпусе или сформированных в одном кристалле. С увеличением температуры напряжение на р-n-переходе стабистора уменьшается, а на сопротивлении базы возрастает. Из-за малого сопротивления базы стабистора изменение U_пр определяется зависимостью напряжения на р-n-переходе от температуры. Поэтому с ростом температуры U_пр стабистора уменьшается примерно на 2 мВ/°С. Температурный коэффициент напряжения стабилизации для стабистора α_CT = = dU_cт/(U_стdT) < 0.

11. ЛПД

Лавинно-пролетный диод — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая полного комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определенном диапазоне частот отрицательна. Рабочей для лавинно-пролетного диода является область лавинного пробоя.Для изготовления лавинно-пролетных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: p⁺-n-n⁺, p⁺-n-i-n⁺, m-n-n⁺ (m-n — переход металл-полупроводник), n⁺-n-p-p⁺ и другие. Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими. Рассмотрим в качестве примера p⁺-n-n⁺ структуру. Центральная слаболегированная n-область называется базой. При напряжении, близком к пробивному, обедненный слой p⁺-n-перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растет от n-n⁺-перехода к p⁺-n переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в p⁺-область, а электроны дрейфуют к n⁺-области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов. При подаче на контакты диода переменного напряжения такого, что в течение положительного полупериода напряжение существенно больше, а в течение отрицательного — существенно меньше напряжения пробоя, ток в слое умножения приобретает вид коротких импульсов, максимум которых запаздывает по отношению к максимуму напряжения приблизительно на четверть периода (лавинное запаздывание). Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа в течение отрицательного полупериода, когда процесс генерации электронов в слое умножения прекращается. Движущиеся сгустки наводят во внешней цепи ток, почти постоянный в течение времени пролета. Таким образом, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролетным. КПД этого режима не превышает 0,3. Если амплитуда переменного напряжения на диоде достигает значения, примерно равного пробивному напряжению, то в лавинной области образуется столь плотный объёмный заряд электронов, что напряжённость поля со стороны p+-области понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для развития процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Таким образом, в области дрейфа образуется движущаяся в

11. Диоды Ганна.

Диод Ганна — тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, а на собственных объёмных свойствах полупроводника. Традиционно диод Ганна состоит из слоя арсенида галлия толщиной от единиц до сотен микрометров с омическими контактами с обеих сторон. В этом материале в зоне проводимости имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения. Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряженность поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает — порогового. В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена он уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой. При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Наряду с арсенидом галлия для изготовления диодов Ганна также используется фосфид индия, на котором и была достигнута наиболее высокая частота колебаний в диодах Ганна - 170 ГГц. На рисунке приведена иллюстрация эффекта Ганна.

11. ВЧ выпрямительные диоды.

Выпрямительные высокочастотные диоды предназначены для нелинейного электрического преобразования сигнала на частотах до десятков и сотен мегагерц. Сигнал преобразуется за счет нелинейности ВАХ диода. Выпрямительные высокочастотные диоды используются в детекторах высокочастотных сигналов, смесителях, схемах преобразователей частоты, ограничителей, коммутационных элементов, нелинейных управляемых резисторов и т.п. Выпрямительные высокочастотные диоды универсальны по применению, т. е. могут выполнять все перечисленные функции. Статическими параметрами высокочастотных диодов являются те же параметры, что и у низкочастотных выпрямительных диодов. К динамическим параметрам относят граничную частоту работы f_гр, индуктивность диода L_д, емкость корпуса диода С_корп и барьерную емкость перехода С_бар при заданном напряжении смещения на диоде U_обр, сопротивление базы r_Б .

Предельно допустимые параметры диода — это максимально допустимый прямой ток I_{пр.макс} и максимально допустимое обратное напряжение (любой формы и периодичности) U_{обр.макс} на диоде. При работе на высоких частотах выпрямляющие свойства диода определяют не только сопротивление электрического перехода r_диф, но и сопротивление базы r_Б эмиттера r_Э, емкость перехода С_пер. При этом емкость перехода и сопротивление р- и n-областей, а также время жизни неосновных носителей в базе диода для получения преобразования сигнала желательно иметь минимальными. Один из методов улучшения частотных свойств диода — это снижение емкости перехода путем уменьшения площади контакта. Поэтому высокочастотные диоды — микросплавные или точечные с площадью контакта порядка 10^-5 см². Для уменьшения времени жизни носителей базу диода легируют золотом. Малая площадь и неоднородность структуры электрического перехода приводят к появлению на обратной ветви ВАХ диода плавно нарастающего участка обратного тока вплоть до напряжения пробоя. Ток на прямой ветви ВАХ при достаточно больших значениях ограничивается сопротивлением растекания базы r_Б. Оно часто больше сопротивления перехода, так как площадь электрического перехода диода чрезвычайно мала. Эквивалентная схема показана на рисунке на обороте. В схеме L_д — элемент индуктивности, учитывает индуктивности выводов и контактной иглы точечного диода; С_корп, С_бар, С_дф — конденсаторы, характеризующие наличие в диоде емкости корпуса, барьерной и диффузионной емкости перехода; r_диф, R_y и r_Б —резисторы, определяющие дифференциальное сопротивление и сопротивление утечки p-n-перехода, а также сопротивление базы диода. Обычно С_корп < С_пер, где емкость перехода C_пер = С_бар + C_дф.

направлении n⁺-области лавина, которая оставляет за собой большое количество электронов и дырок. В области, заполненной этими носителями, напряжённость поля понижается почти до нуля. Это состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы лавинно-пролетного диода — режимом с захваченной плазмой. В этом режиме можно выделить три фазы. Первая — образование лавинного ударного фронта, прохождение его через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через диод в этой фазе, существенно увеличивается из-за дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счет образования плазмы снижается почти до нуля. Вторая фаза — период восстановления. База диода в этой фазе наполнена электронно-дырочной плазмой. Дырки из области базы дрейфуют к p⁺-области, а электроны — к n⁺-области со скоростью значительно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Плазма постепенно рассасывается. Ток в этой фазе остается неизменным. Наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряженности поля в диоде и предшествующая новому образованию лавинного ударного фронта. Наибольшую длительность имеет именно третья фаза. Процессы режима с захваченной плазмой протекают заметно дольше, чем процессы пролетного режима. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмой контур настраивают на меньшую частоту. КПД режима с захваченной плазмой при этом заметно выше КПД пролетного режима и превышает 0,5. На рисунке изображены графики, иллюстрирующие процессы при пролётном режиме работы ЛПД.