3.12. Полупроводниковые диоды для свч

На сверхвысоких частотах широкое распространение получили маломощные точечные полупроводниковые диоды. Полупроводниковые диоды для СВЧ, как правило, имеют коаксиальную конструкцию (рис. 3.19) для более удобного их соединения с коаксиальными линиями или волноводами. Коаксиальные выводы диодов устраняют вредное влияние емкости и индуктивности этих выводов.

Рис. 3.19. Коаксиальные конструкции диодов СВЧ

Детекторные диоды используются в приемной и измерительной аппаратуре всего СВЧ-диапазона. Смесительные диоды применяются в той же аппаратуре для преобразования частоты. У полупроводниковых диодных преобразователей значительно меньше уровень собственных шумов.

Параметрические диоды (варикапы) чаще всего используются в параметрических малошумящих усилителях. В таких усилителях эти диоды играют роль нелинейной емкости, изменяющейся под действием приложенного переменного напряжения. В параметрических усилителях СВЧ удается получить значительное усиление колебаний при малом уровне шумов. Умножительные диоды, как показывает их название, применяют для умножения частоты. Поскольку диод является нели­нейным прибором, то с помощью модуляторных диодов осуществляют модуляцию колебаний СВЧ.

Специально для быстрого переключения СВЧ-цепей при значительных мощностях применяются плоскостные р — i — n -диоды, изготовляемые обычно из кремния. Такие диоды имеют области р⁺ и n⁺ с относительно большой проводимостью (с большой концентрацией примесей), отделенные друг от друга более протяженной областью типа i, что обеспечивает малую емкость диода (рис. 3.20). При отсутствии 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 i-область дырок из р⁺-области и электронов из n⁺-области. В результате этого сопротивление i-области и всего диода в целом резко снижается (в 10³ — 10⁴ раз). У мощных р — i — n-диодов напряжение пробоя i-области составляет несколько киловольт, и поэтому такие диоды могут применяться для переключения мощностей до десятков киловатт в импульсе.

Рис. 3.20. Структура p – i – n диода

Существует множество самых различных схем использования переключательных диодов для решения разнообразных задач в СВЧ-устройствах. В качестве примера на рис. 3.21 приведена одна из схем.

Рис. 3.21. Схема переключения с p – i – n диодами

Если на левый диод (рис 3.21) 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 отрезок левой линии, замкнутый почти накоротко диодом, будет играть роль металлического изолятора. При обратной полярности управляющих напряжений (знак в скобках) диоды поменяются ролями и сигнал будет передаваться только в линию 2.

Для переключения и других процессов в технике СВЧ применяются диоды Шотки. Они обладают большим быстродействием, зависящим только от времени пролета электронов через высокоомный слой полупроводника (менее 10^-11 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 15 — 20 ГГц и время переключения у них составляет десятые и даже сотые доли наносекунды.