вый сдвиг π достигается за счет конечного времени нарастания лавины, а пролетный эффект приводит к дополнительному запаздыванию на угол π.
Физически в ЛПД этот эффект обусловлен тем, что плотность носителей заряда в инжекционном пакете будет нарастать при положительном знаке СВЧ поля и достигнет максимума в момент времени Т/2, когда СВЧ поле станет равным нулю (T – период СВЧ сигнала). При этом пакет носителей, инжектируемый в пролетную область ОПЗ, попадает в тормозящее СВЧ поле. Дрейфуя через пролетную область в ускоряющем постоянном поле, но тормозящем СВЧ поле, носители заряда осуществляют преобразование энергии постоянного электрического тока в энергию СВЧ колебаний. Энергия взаимодействия носителей с СВЧ полем максимальна, если время пролета τпр соответствует интервалу τпр = (0,5 – 1,0)Т, когда напряженность СВЧ поля отрицательна. На рисунке 8.3 показаны зависимости от времени напряженности СВЧ поля в слое умножения, а также концентрация носителей заряда в момент инжектирования их из слоя умножения в пролетную область.
E СВЧ
+
0 0,5 Т Т t
а
n
в
Рис. 8.3.
а) Зависимость от времени t напряженности СВЧ поля ЕСВЧ в слое умножения;
б) Зависимость от времени t плотности носителей заряда n, инжектированных из слоя умножения в пролетную область: Т – период колебаний СВЧ поля; в) Схема лавинно-пролетного диода с мезаструктурой, смонтированной на теплоотводе:
1– омический контакт;
2– сильно легированный слой с электронной проводимостью (n+-слой);
3– слабо легированный слой с электронной проводимостью (n-слой);
4– сильно легированный слой с дырочной проводимостью (р+-слой); 5 – теплоотводящая металлизированная пластина
На рисунке 8.3в показана типичная схема ЛПД со структурой p+-n-n+, смонтированной на теплоотводящей пластине. [84]
8.4. Использование ЛПД для генерации СВЧ-колебаний
Полупроводниковая ЛПД структура обычно монтируется в типовой СВЧ корпус. Как правило, диод крепится диффузионной областью или металлическим электродом на медный или алмазный теплоотвод для обеспечения эффективного охлаждения pn-перехода во время работы. Для работы на частотах, соответствующей резонансной частоте собственного контура диода, достаточно поместить диод в разрез коаксиального контура. При работе на частотах, отличных от частоты собственного контура диода, последний помещают во внешний резонатор. На рисунке 8.4 показана типичная схема СВЧ резонатора для измерения спектра генерируемых ЛПД СВЧ колебаний, а на рисунке 8.5 – спектр СВЧ колебаний, генерируемых ЛПД диодом в режиме лавинного умножения с отрицательным сопротивлением.
|
|
|
Прижимной контакт, |
|
|
|
покрытый галлием |
|
|
|
Волновод |
|
Подвижный |
Диффу- |
Сплавной метал- |
|
зионный |
лический контакт |
|
поршень |
|
р-слой |
n-Si |
|
|
Паяный контакт
Изоляция по постоянному току
Рис. 8.4. СВЧ-резонатор для ЛПД миллиметрового диапазона длин волн [17]
Мощность |
линейном масштабе) |
|
(в |
Рис. 8.5. Спектр генерируемых p-i-n-диодом колебаний (VВ = 54 В) [20]
ЛПД широко применяется для генерирования и усиления колебаний в диапазоне частот 1 – 400 ГГц. Наибольшая выходная мощность диапазона 1– 3 ГГЦ получена в ЛПД с захваченным объемным зарядом лавин, составляет сотни ватт в импульсе. Для непрерывного режима области сантиметрового диапазона наибольшее значение выходной мощности и КПД достигнуты на ЛПД с модифицированной структурой Рида на основе GaAs и составляет Рвых = 15 Вт на частоте 6 ГГц.
На рисунке 8.6 приведены характерные параметры различных типов ла- винно-пролетных дилдов (выходная мощность, частота и коэффициент полезного действия), как для импульсного, так и для непрерывного режима СВЧ генерации.
8.5. Коммутационные pin-диоды
Полупроводниковый диод предназначен для управления уровнем или фазой СВЧ сигнала, называется переключательным СВЧ диодом. Наряду с термином переключательный в отечественной литературе используют также термины ограничительные или коммутационные диоды, а в зарубежной литературе обычно используются термин pin-diodes. [30]
Наибольшее распростронение получили переключательные диоды с pinструктурой, хотя имеются варианты на основе p-n-перехода и барьера Шоттки. На рисунке 8.7а приведена топологическая схема типового pin-диода. p- и n-области диода обычно легированы до вырождения (n+, p+), активная i-область имеет удельное сопротивление ρi от 100 до 1000 Ом*см с достаточно большим временем жизни неравновесных носителей τэф до 1,0 мкс. Толщина i-слоя базы диода составляет Wi = 3÷30 мкм.
Принцип действия коммутационного pin-диода основан на резком изменении его полного электрического сопротивления при изменении полярности управляющего напряжения или тока. При подаче прямого напряжения pinдиод для СВЧ сигнала эквивалентен активному сопротивлению по величине, равной доли Ома. При подаче обратного напряжения (а также при нулевом напряжении) сопротивление такого диода на СВЧ резко возрастает и составляет величину, равную нескольким килоомам. При обратном смещении коммутационный pin-диод эквивалентен емкости (величина 0,1–1,0 пФ), соединенной последовательно с активным сопротивлением порядка 1 Ом. Коэффициент изменения сопротивления при переключении полярности напряжения на диоде обычно составляет 103 и более раз.
p+ |
LК |
|
LК |
i |
(3-30) мкм |
CК |
C |
|
|
n+ |
|
|
К |
rпр |
|
|
|
rобр |
Cобр |
|
|
Рис. 8.7.
а) Устройство коммутационного pin-диода;
б) Эквивалентная схема на высоких частотах при прямом смещении;
в) Эквивалентная схема на высоких частотах при обратном смещении
Специфические особенности pin-структуры, существенные для работы диодов в СВЧ диапазоне, заключаются в следующем :
1.При работе в прямом направлении на достаточно высоких частотах f, определяемых соотношением
|
|
|
2π f τ эфф >> 1, |
(8.6) |
диффузионная емкость Сдиф p+-i и n+-i |
переходов полностью шунтирует |
переходы. |
p-i-n диода сводится к рис.8.7б, где |
Таким образом, эквивалентная схема |
rпр – сопротивление базы, модулированное прямым током. Соотношение (8.6) заведомо справедливо на сверхвысоких частотах f > 109 Гц.
2.При прямом смещении вследствие двойной инжекции, дырок из p+-области и электронов из n+-области вся база «заливается» носителями и в эквивалентной схеме (рис. 8.7б) выполняется
пр Iпр
Значения rпр в номинальном режиме близки к величине ~ 1 Ом; при изменении прямого тока величина rпр может изменяться в широких пределах по закону, близкому к
пр Iпр
При обратном смещении эквивалентная схема pin-диода представляется в виде рис. 8.7в, где rобр – сопротивление i-базы в немодулированном состоянии, равное
Реально rобр = 0,1–10 кОм.
3.Пробой p-i-n структуры при отсутствии поверхностных утечек определяется соотношением
Uпроб = Eкр Wi (S) |
(8.10) |
где Eкр – критическое поле, обычно принимается Eкр = 2·105 В/см. Таким образом,
Uпроб = 20 Wi , [мкм] |
(8.11) |
4.При протекании прямого тока величина накопленного заряда в базе определяется соотношением
поэтому величина τэфф определяется расчетно по паспортному значению Qнк.
5.При резком переключении полярности напряжения с прямого направления на обратное вначале протекает фаза рассасывания накопленного заряда, длительность которой равна
tрас = |
Q |
= |
τ эфф Iпр |
, |
(8.13) |
нк |
|
|
Iрас |
|
Iрас |
|
|
|
|
|
где Iрас – обратный ток рассасывания; длительность второй фазы – восстановления обратного сопротивления – определяется дрейфовым процессом под действием поля в базе. По порядку величина близка к значению
tвосст = |
Wi |
Uобр |
(8.14) |
|
|
µp,n |
|
Таким образом, при работе в диапазоне СВЧ и отчасти ВЧ p-i-n диод (без учета паразитных параметров Cк и Lк) представляет собой линейный резистор, сопротивление которого при прямом смещении rпр значительно меньше, чем при обратном rобр , при этом rпр зависит от прямого тока.
В качестве примера приведем характеристики кремниевого p-i-n диода КА528АМ: прямое сопротивление потерь rпр при Рпд = 30 мВт, Iпр = 100 мА и λ = 10 см не более 0,5 Ом; критическая частота не менее 200 ГГц, на рисунке 8.8а-г приведены зависимости электрических параметров этого диода от режима работы. [76]
Переключательные pin-диоды используются в качестве коммутирующих устройств различным СВЧ устройством, в частности для фазированных антенных решеток. В этих устройствах pin-диоды имеют два рабочих электрически управляемых состояния – одно при прямом, другое – при обратном смещении. Коммутационные СВЧ диоды потребляют малую мощность в цепях управления, работают в непрерывном режиме при уровнях СВЧ мощности до 1 кВт, а в импульсном – до 1 МВт. При использовании pin-диодов в качестве антенных шлейфовых диодных СВЧ коммутаторах для соединения поочередно приемника и передатчика с приемопередающей многоэлементной антенной происходит снижение весогабаритных показателей и повышается надежность коммутирования.
Контрольные вопросы
8.1.Устройство лавинно-пролетных диодов Рида, какую роль в них играет область лавинного умножения?
8.2.Каковы условия возникновения отрицательного сопротивления в диоде Рида?
8.3.Почему для коммутации СВЧ сигналов используют именно pin диоды, а не диоды с p-n переходом?
1кГц
10 кГц
