И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 42
Текст из файла (страница 42)
А при обратном напряжении диод превращается в последовательный контур, состоящий из индуктивности выводов, барьерной емкости и сопротивления потерь. В этом режиме сопротивление диода на резонансной частоте мало. Переключательный резонансный диод должен иметь параметры, обеспечивающие параллельный и последовательный резонанс на нужной частоте. Иногда для этого приходится подключать к диоду дополнительные реактивные элементы. Поскольку точечные диоды позволяют переключать лишь малые мощности, то для мощностей в единицы ватт при непрерывном режиме применяются плоскостные диоды. В импульсном режиме такие диоды могут переключать мощности до единиц киловатт при длительности импульсов в единицы микросекунд. Время переключения при этом может быть не более 20 нс. Специально для быстрого переключения СВЧ-цепей при значительных мощностях применяются плоскостные р — 1 — н-диоды, изготовляемые обычно из кремния.
Такие диоды имеют области р и и с относительно большой проводимостью (с большой концентрацией примесей), отделенные друг от друга более протяженной областью типа ), что обеспечивает малую емкость диода (рис. 8.17). При отсутствии прямого внешнего напряжения сопротивление этой области велико. Оно становится еще больше при обратном напряжении,поскольку области в этом случае обедняются основными носителями. Прямое напряжение вызывает интенсивную инжекцию в 1-область дырок из р-области и электронов из п-области.
В результате этого сопротивление 1-области и всего диода резко снижается (в 10' — 10» раз). У мощных р — 1 — и- диодов напряжение пробоя 1-области составляет несколько киловольт, и поэтому такие диоды могут применяться лля переключения мощностей до десятков киловатт в импульсе. Существует множество самых различных схем с переключательными диодами для решения разнообразных задач в СВЧ-устройствах. В качестве примера на рис. 8.18 приведена одна из схем. Если на левый диод подано прямое напряжение, а на правый — обратное (знаки полярности без скобок), то левый диод имеет малое сопротивление, а правый — большое. Поэтому сигнал из линии 1 будет практически проходить только в линию 3, а четвертьволновый Рас.
8.17. Структура р — 1-н-лиола Рис. 8.18. Схема переключения с диодами отрезок левой линии, замкнутый диодом, будет играть роль металлического изолятора. При обратной полярности управляющих напряжений (знаки в скобках) диоды поменяются ролями и сигнал будет передаваться только в линию 2. Для переключения и других процессов в технике СВЧ стали применяться диоды Шотки,,или диоды на «горячих» носите»ах. В этих диодах используется контакт между металлом и полупроводником. Потенциальный барьер, образующийся в таком контакте, в свое время был исследован немецким физиком В. Шотки (см.
8 2.4). Диод Шотки представляет собой низкоомную полупроводниковую подложку (например, из кремния с электропроводностью типа и') с высоким содержанием донорной примеси, покрытую сверху тонкой пленкой того же, но уже высокоомного полупроводника, на которую нанесен металлический слой, Прямое внешнее напряжение прикладывается плюсом к металлу, и почти все оно действует в высокоомной пленке.
Электроны в ней разгоняются до большой скорости (становятся «горячими»), преодолевают потенциальный барьер и попадают в металл. Но в металле не происходит процессов накопления и рассасывания неосновных носителей, как в базе обычного диода. Поэтому диоды Шотки обладают большим быстродействием, зависящим только от времени пробега электронов через высокоомную пленку (менее 10 " с) и от барьерной емкости, которая при малой площади контакта может быть сделана очень малой. В результате этого диоды Шотки могут работать на частотах до 20 ГГц и время переключения составляет десятые и лаже сотые доли наносекунды. Обратный ток у этих диодов очень мал.
8.4. ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫЕ ДИОДЫ И ДИОДЫ ГАННА Для усиления и генерации колебаний СВЧ применяют лавинна-нралетные диоды (ЛПД), разработанные в СССР А. С. Тагером.и В. М. Вальд-Перловым. Эти диоды работают в режиме электрического пробоя при постоянном обратном напряжении и при некоторых условиях обладают отрицательным сопротивлением переменному току. Такое отрицательное сопротивление получается только при работе на СВЧ.
На более низких частотах оно не возникает. Пусть к ЛПД приложено постоянное обратное напряжение и некоторое переменное. Под действием положительной полуволны обратного напряжения (имеется в виду, что эта полуволна соответствует возрастанию обратного напряжения на диоде) в режиме пробоя происходит лавинообразное нарастание тока — «электрическая лавина». Вследствие инерционности процессов в полупроводниках, т.е. конечности времени пробега носителей через н-р-переход, этот ток достигает максимума с некоторым запаздыванием по отношению к вызвавшей его положительной полуволне переменного напряжения.
Под действием постоянного напряжения «лавина» продолжает двигаться и в течение следующего, отрицательного полупериода напряжения. Таким образом, импульс тока, соответствующий «лавине», противоположен по знаку отрицательной полу- волне переменного напряжения. Следовательно, для переменного тока возникает отрицательное сопротивление. Подключая ЛПД к колебательной системе СВЧ, можно за счет отрицательного сопротивления получить режим генерации колебаний или усиления. На более низких частотах инерционность процессов сказывается слишком мало и запаздывание импульса тока по отношению к переменному напряжению также нич- 136 тожно мало, поэтому отрицательное дифференциальное сопротивление практически отсутствует.
ЛПД могут иметь не только н — р-структуру, но и более сложную, например в диодах Рипа используется структура н+ — р — 1 — р'. В генераторах ЛПД подключается к объемному резонатору. Такие генераторы могут давать в непрерывном режиме полезную мощность в единицы ватт при КПД около 10 /, а в импульсном режиме — мощность в сотни ватт и КПД в десятки процентов.
Возможна также небольшая (на десятые доли процента) электрическая перестройка частоты путем изменения постоянного напряжения, но значительно более широкий диапазон частот (десятки процентов) достигается изменением собственной частоты резонатора При использовании ЛПД для усиления сигналов сказывается их недостатох — относительно высокий уровень собственных шумов. Еще один представитель полупроводниковых приборов с отрицательным сопротивлением на СВЧ вЂ” диод Ганна, который основан на эффекте, открытом американским физиком Дж.
Ганнам в 1963 г. Эффект Ганна состоит в том, что при достаточно большом напряжении, приложенном к полупроводнику, в этом полупроводнике возникают СВЧ-колебания. Этот эффект был тщательно исследован, выяснены физические процессы, происходящие в полупроводниках при высокой напряженности действующего в них электрического поля, и разработаны получившие уже довольно широкое распространение приборы для генерации колебаний СВЧ.
Диод Ганна представляет собой полупроводниковый кристалл без н-рперехода, в котором создано сильное постоянное электрическое поле. Для включения диод имеет два электрола: анод и катод. Должен применяться полупроводник с двумя зонами проводимости, например арсенид галлия. Исследование подобных полупроводников показало, что в этих двух зонах проводимости электроны имеют разную подвижность. В зоне, расположенной выше, т. е. соответствующей более высоким уровням энергии, подвижность электронов меньше. При отсутствии внешнего подя или при сравнительно слабом поле электроны нахолятся в нижней зоне проводимости,.где они обладают более высокой подвижностью, и поэтому полупроводник имеет сравнительно высокую проводимость.
Если увеличивать напряжение, приложенное к полупроводнику, то сначала ток возрастает в соответствии с законом Ома, но при некотором напряжении, когда напряженность поля становится достатойно высокой, большая часть электронов переходит в верхнюю зону проводимости и вследствие уменьшения их подвижности в этой зоне сопротивление полупроводника резко увеличивается.
Ток уменьшается, и в вольт-амперной характеристике возникает падающий участок, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению (рис. 8.19). Дальнейшее увеличение приложенного напряжения снова вызывает примерно пропорциональное возрастание тока. Вследствие неизбежных неоднородностей в материале полупроводника сопротивление под действием сильного поля повышается в данный момент времени не во всем полупроводнике, а лишь в каком-то одном месте. Область такого повышенного сопротивления и более сильного поля называют доменом (рис. 8.20). Домен обычно образуется около катода (минус) и не остается на одном месте, а движется с большой скоростью к аноду (плюс).
В самом домене скорость электронов меньше, чем на других участках, и, следовательно, плотность объемного заряда Рис. 8.19, Вольт-амперпая характеристика диода Ганна Е Рис. 8.20. Домен в диоде Ганна увеличена, т.е. домен представляет собой своеобразный сгусток. В нем сосредоточено более сильное поле, а в остальной части полупроводника поле более слабое и 'скорость электронов выше. Поэтому справа от домена электроны быстрее уходят к аноду и возникает область, обедненная электронами. А слева от домена, наоборот, к нему быстрее приходят новые электроны. Этот процесс обусловливает перемещение домена от катода к аноду.
Дойдя до анода, домен исчезает, но новый домен снова возникает около катода, движется к аноду и т.д. Пропадание доменов и возникновение новых сопровождается периодическим изменением сопротивления диода Ганна, вследствие чего появляются колебания тока диода, частота которых при малой длине пути домена (расстояние анод— катод) оказывается в диапазоне СВЧ. Частота этих колебаний 7 = и„„/1., где и„„ — скорость домена, составляющая для арсенида галлия примерно 10' см/с; Š— длина полупроводника (обычно единицы микрометров для диодов Ганна).
Отсюда следует, что, например, при Ь= 10 мкм частота колебаний 107!10-3 1010 1" Г0 1"1 Важная особенность диодов Ганна в том, что «работает» весь полупроводник, а не только малая часть его— л — р-переход. Поэтому в диодах Ганна можно допустить большие мощности. В настоящее время эти диоды уже генерируют в непрерывном режиме колебания мощностью, достигающей десятков ватт, а в импульсном режиме— единиц киловатт, при КПД от единиц до десятков процентов. По теоретическим расчетам предполагается, что 137 можно создать диоды Ганна на мощно- сти до сотен киловатт в импульсном режиме при частотах в десятки гига- герц, 8.5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
