Сверхвысокочастотные диоды

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Сверхвысокочастотными (СВЧ) называют полупроводниковые диоды, используемые для преобразования, детектирования, усиления, умножения, генерирования и управления уровнем мощности сигналов в диапазоне частот свыше 300МГц. На таких частотах могут работать диоды, имеющие минимальное время переключения и малую емкость перехода. Это можно достичь с помощью диодов

- на точечных р-п - переходах,

- на основе перехода Шоттки и

- путем использования диодов, имеющих специфический принцип действия. К таким диодам относятся

· туннельные диоды,

· обращенные диоды,

· диоды Ганна и

· лавинно-пролетные диоды.

2.1.1. СВЧ диоды на р-п переходах

В большинстве СВЧ диодов используется точечный р-п переход. Для увеличения рабочей частоты уменьшают время жизни неравновесных носителей зарядов в базе путем введения специальных примесей (атомов золота) в полупроводник для создания рекомбинационных центров. Используются кристаллы полупроводника с малым удельным сопротив­лением. На поверхности такого полупроводника существуют участки с другим типом проводимости. Прижатием конца контактной пружины к одному из этих участков получают р-п переход малой площади и, следовательно, незначительной емкости. Из-за высокой концентрации примесей ширина запирающего слоя оказывается небольшой и пробой перехода наступает при малых обратных напряжениях 3...5В. Таким образом СВЧ диоды на р-п переходах являются низковольтными и поэтому они требует особой осторожности при работе с ними.

В диапазоне СВЧ в качестве линий передачи энергии и колебательных систем применяются устройства с распределенными параметрами (волноводы, фидерные линии, резонаторы и др.). Конструкция СВЧ-диодов, поэтому, должна позволять включать их в волноводно-фидерные тракты и обеспечивать получение малых емкостей и индуктивностей вводов при незначительных потерях энергии. На рисунке 2.1. приведены конструкции СВЧ диодов трех типов. В корпус диода, образованного короткими толстыми вводами 1, имеющими малую индуктивность, и изолятором 2, изготовленным из высокочастотной керамики с малыми потерями, помещается кристалл полупроводника 3 с точечным р-п переходом. Патронная конструкция (рис.2.1, а) удобна для установки в волноводные секции, коаксиальная (рис. 2.1, б) - в коаксиальные. В волноводной конструкции полупроводниковый кристалл монтируется непосредственно в отрезке волновода.

а) б) в)

Рис.2.1. Конструкции СВЧ диодов: а) патронного, б) коаксиального и в) волноводного типов

Эквивалентная схема диода с учетом последовательной индуктивности выводов L _noc и емкости корпуса С _кор представлена на рисунке2.2. Конструкции

Рис.2.2. Эквивалентная схе­ма СВЧ диода на р-п -перходе. С_пер, r_диф и R_Б – параметры р-п-перехода.

СВЧ диодов, приведенные на рисунке2.1, обеспечивают минимальные значения паразитных индуктивности выводов и емкости корпуса.

2.1.2. Диоды Шоттки

В области СВЧ диапазона частот успешно применяются диоды на основе контакта металл-полупроводник, так называемые диоды Шоттки. В отличие от обычных р-п -переходов ток в них осуществляется только основными носителями заряда. В таких переходах отсутствуют процессы накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в области базы и, поэтому, диффузионная емкость практически равна нулю. Быстродействие таких диодов определяется только барьерной емкостью перехода, которая за счет технологии изготовления и выбором оптимальной конструкции может составлять сотые доли пФ.

Для изготовления диодов Шоттки применяются кремний и арсенид галлия, а в качестве металлических контактов - тонкие пленки Au, Aq, Al, Pt и других металлов. Особенно эффективны диоды Шоттки на основе контакта Au-GaAs-n -типа проводимости. Максимальная частота работы таких диодов

достигает 100-ни ГГц, а время переключения –менее 100 пс.

На рисунке 2.3. приведено условно графическое обозначение диода Шоттки, а конструктивно они подобны импульсным диодам.

2.1.3. Туннельные диоды

Туннельным диодом (ТД) называют полупроводниковый диод, изготовленный на основе сильнолегированного вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Использование полупроводников с очень высокой концентрацией примесей (10¹⁸... 10²⁰ см^-3) уменьшает ширину р-п перехода примерно на два порядка по сравнению в обычных диодах и составляет около 0,1 мкм. Напряженность электрического поля в таких переходах даже при незначительных прямых напряжениях может достигать нескольких кВ/см. Таким образом, электроны, имеющие энергии меньшие, чем высота энергетического барьера, при таких условиях могут с большой вероятностью туннелировать сквозь такой барьер без изменения своей энергии, если по другую сторону барьера существует вакантный уровень с энергией этого электрона.

Вольтамперная характеристика туннельного диода изображена на рисунке 2.4, где отмечены характерные точки а-д, которые соответствуют энергетическим диаграммам р-п перехода а-д рисунка 2.5.

Рис.2.4. Графическое изображение туннельного диода а) и его вольтамперная характеристика б)

Как известно, в вырожденных полупроводниках уровень Ферми располагается в разрешенной зоне: в полупроводнике р -типа проводимости в валентной зоне, а в п -типа – в зоне проводимости. Это обуславливает появление свободных от электронов состояний в валентной зоне р -типа полупроводника и занятых электронами состояний в зоне проводимости полупроводника п -типа. В энергетических диаграммах рисунка 2.5 занятые электронами состояния заштрихованы, а свободные состояния не заштрихованы. Как видно из рисунка 2.5, а, при равновесии перехода свободные и занятые электронами состояния р - и п - областей располагаются друг против друга. Поэтому, электроны практически не могут совершать туннельные переходы в обоих направлениях, так как для электронов зоны проводимости п -области отсутствуют в р -области свободные состояния, а в свободных состояниях р - области нет электронов для туннельного перехода. В результате при равновесии (V =0) туннельный ток равен нулю (рис.2.4, точка а).

V=0

V<0 0

V₁>0 0

V₃ >V₂

V₂ >V₁

Рис.2.5. Энергетические диаграммы туннельного диода в характерных точках а)- ж) его вольтамперной характеристики (рис.1.8)

Небольшое прямое напряжение (V₁ > 0) уменьшает высоту энергетического барьера, что отражено на рис.2.5, б смещением энергетической диаграммы п -области относительно энергетической диаграммы р -области. В результате свободные энергетические уровни, расположенные над уровнем Ферми Е_Fр в р -области, окажутся на одной высоте с энергетическими уровнями электронов n -области, расположенными ниже уровня Ферми Е_Fп в п -области. Вследствие этого электроны будут туннелировать из зоны проводимости п -полупроводника в валентную зону р -полупроводника (стрелки на рис.2.5, б). Максимальный туннельный ток (рис.2.4, точка б) соответствует полному взаимному перекрытию рассматриваемых энергетических зон. Дальнейший рост прямого напряжения на диоде (V ₂ > V₁ > 0) уменьшает взаимное перекрытие зон, туннельный ток уменьшается, что приводит в конечном счете к нулевой величине туннельного тока (рис.2.4, точка в, рис.2.5, в).

Одновременно, как и в обычном диоде, при прямом смещении перехода через переход течет прямой инжекционный ток (рис.2.5. г, штриховая линия на рис.2.4), который резко увеличивается с ростом прямого напряжения (V ₃ > V₂ > 0) (рис.2.4, точка г).

Подача обратного напряжения (V < 0) перемещает вниз уровень Ферми р -области F_n относительно уровня Ферми Е_Fn п -области. Возникает взаимное перекрытие свободных состояний зоны проводимости п -области и "глубоких" заполненных состояний валентной зоны р -области. Рост обратного напряжения увеличивает это взаимное перекрытие. Электроны из валентной зоны р -полупроводника будут туннелировать в зону проводимости п - полупроводника (рис. 2.4, точка д, рис. 2.5 диаграмма д). Это явление можно рассматривать как туннельный пробой р-п перехода, который начинается уже при практически нулевых обратных напряжениях.

Из вольтамперной характеристики туннельного диода (рис.2.4) видно, что на участке между точками в и д рост прямого напряжения приводит к уменьшению тока, т.е. этот участок характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением . При работе туннельного диода на этом участке вольтамперной характеристики туннельный диод будет отдавать мощность во внешнюю цепь, что позволяет применять туннельные диоды для усиления, генерирования, переключения и для различных преобразования электрических колебаний.

Для создания туннельных диодов, в основном, используются полупроводники Ge и GaAs. Туннельные диоды характеризуются следующими параметрами (см.также рис. 2.4):

- пиковый ток I_п — прямой ток в точке максимума вольтамперной характеристики. Его значение может находиться в интервале от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер;

- ток впадины I_в — прямой ток в точке минимума вольтамперной характеристики;

- отношение токов I_п/ I_в — отношение пикового тока к току впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия I_п/ I_в > 10, для германиевых туннельных диодов I_п/ I_в = 3...6;

- напряжение пика V_п — прямое напряжение, соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из арсенида галлия V_п = 100...150 мВ, для германиевых диодов V_п = 40...60 мВ;

- напряжение впадины V_B — прямое напряжение, соответствующее току впадины. У туннельных диодов из арсенида галлия V_B = 400...500 мВ, у германиевых диодов V_B = 250...350 мВ;

- напряжение раствора V_pр — прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому;

- отрицательное дифференциальное сопротивление , которое составляет 10…100 Ом

Эквивалентная схема туннельного диода изображена на рисунке 2.6, а. Кроме барьерной емкости перехода С_бар и его дифференциального сопротивления r_диф, схема содержит сопротивление потерь R_П и индуктивность выводов L_ПОС. Индуктивность является паразитным элементом схемы и ограничивает верхний частотный диапазон так же, как и емкость перехода. Обычно индуктивность L_ПОС составляет величину порядка 10^-10 Гн, барьерная емкость — 5...50 пф, а величина сопротивления потерь от десятых долей Ома до единиц Ом.

Туннельный механизм прохождения тока через переход обладает очень малой инерционностью (t_пер ≈ 10^-13 с)_, поскольку создание тока в нем не связано с накоплением неравновесного заряда - ток создается только основными

б)

а)

C_БАР

r_диф

R_П

L_ПОС

Рис.2.6. Эквивалентная схема а) и корпус б) туннельного диода

носителями. Предельная резонансная частота работы туннельного диода может быть найдена из выражения:

При разработке конструкций туннельных диодов индуктивность выводов должна быть по возможности минимальной. Они должны обладать также минимальной барьерной емкостью. Одна из конструкции туннельного диода в металлокерамическом корпусе показана на рис.2.6,б. Выводы диода с целью уменьшения индуктивности выполняются ленточными и короткими. В диапазоне сверхвысоких частот используют патронную конструкцию туннельного диода (см рис.2.1, а).

Достоинством туннельных диодов являются высокие рабочие частоты (до нескольких десятков ГГц), низкий уровень шумов, высокая радиационная стойкость, температурная устойчивость, большая плотность тока. К недостаткам можно отнести: малую отдаваемую мощность из-за низких рабочих напряжений и сильную электрическую связь между входом и выходом, что во многих случаях затрудняет использование диодов.

2.1.4. Обращенные диоды.

Если концентрация носителей тока в р-и п-областях полупроводника порядка 10¹⁹см^-3, то уровень Ферми р-области полупроводника совпадает с потолком ее валентной зоны, а уровень Ферми п -области - с дном ее зоны проводимости. Р-п переходы из таких областей имеют своеобразную вольтамперную характеристику, показанную на рис.2.7. Диоды из таких р-п -переходов называются обращенными. В таких диодах в отличие от туннельных при прямом смещении перехода практически отсутствует туннельный ток и прямая ветвь вольтамперной характеристики практически совпадает с вольтамперной характеристикой обычных диодов, а обратный ток полностью обусловлен туннельным током. На участке вольтамперная характеристика.

Рис.2.7. Вольтамперная характеристика а) и графическое обозначение б) обращенного диода

является обращенной по сравнению с характеристикой обычных диодов при малых прямых напряжениях: прямые токи намного меньше обратных. Отсюда и появилось название - обращенный диод.

Обращенные диоды из арсенида галлия характеризуются максимальным током в проводящем состоянии около 3мА при напряжении около 0,15В. В закрытом состоянии ток составляет от 0,05 до 0,15 мА при напряжении менее 0,9В. Обращенные диоды целесообразно использовать при выпрямлении малых переменных сигналов, составляющих несколько десятых долей вольта. Поскольку принцип действия обращенных диодов основан на туннельном эффекте, их можно использовать в быстродействующих переключающих схемах (время переключения менее 1 нс) и в схемах детекторов СВЧ.

2.1.5. Диоды Ганна

В 1963 г. сотрудник фирмы IBM Дж. Ганн обнаружил, что при приложении к кристаллу арсенида галлия напряжения, создающего напряженность электрического поля более 10⁵ В/см, возникают колебания высокой частоты. Исследования показали, что такое явление, названное эффектом Ганна, наблюдается и у кристаллов некоторых других соединений. На основе эффекта Ганна строятся диоды Ганна, вольтамперная характеристика которого приведена на рисунке 2.8, а. Конструктивно диоды Ганна выполняются в виде шайбы, в основном из полупроводников GaAs и InP п -типа проводимости, сечением S и толщиной d, а с торцов шайбы подводятся омические контакты (рис.2.8, б).

Основная причина появления эффекта Ганна заключается в сложной энергетической структуре зоны проводимости арсенида галлия с двумя энергетическими минимумами, в которых могут находиться свободные электроны. При этом эффективные массы электронов в минимумах отличаются

Рис.2.8. Вольтамперная характеристика диода Ганна а) и его конструктивное исполнение б).

друг от друга в несколько раз. При малых напряженностях электрического поля (малые напряжения) электроны находятся в первом минимуме, где они имеют малую массу и характеризуются высокой подвижностью и через диод течет дрейфовый ток (рис.1.12, участок а-б). С ростом напряженности > _кр1 электроны приобретают достаточную энергию и начинают переходить во второй минимум, где они обладают большой массой и малой подвижностью . Это приводит к уменьшению тока. По мере роста напряженности электрического поля все большее количество электронов переходит во второй минимум и при = _кр2 все свободные электроны находятся во втором минимуме и ток перестает уменьшаться (рис.2.8, участок б-в) долину". Дальнейшее увеличение электрического поля > _кр2 приводит к линейному росту плотности тока в соответствии с законом (рис.2.8, участок в-с). Очевидно, крутизна участка в-с меньше крутизны участка а-б.

Как видно из вольтамперной характеристики, на участке б-в характеристики (см. рис.2.8), как и в случае туннельного диода, возникает отрицательное дифференциальное сопротивление. Это позволяет использовать диоды Ганна для усиления, генерирования, преобразования и т.д. сигналов в области высоких и сверхвысоких частот. Граничная частота таких диодов определяется выражением , где - дрейфовая скорость электронов в полупроводнике. Уменьшая d – толщину диода можно получить граничную частоту несколько 10-ков ГГц. Рассеиваемая мощность диода определяется площадью сечения полупроводника и может достичь нескольких кВт. Исследования показывают, что возможно создание генераторов на основе диодов Ганна мощностью 400 кВт в импульсе и частотой до 50 ГГц.

2.1.6. Лавинно-пролетные диоды (ЛПД).

Лавинно-пролетными называют диоды с отрицательной динамической проводимостью в диапазоне СВЧ, обусловленной лавинным размножением носителей тока в р-п переходе, т.е. в основе действия ЛПД лежит лавинный пробой р-п перехода. На рисунке 1.13 изображена структура несимметричного

Рис.2.9. Структура лавинно-пролетного диода

р⁺-п перехода, являющегося основой лавинно-пролетного диода..

Возникающие при пробое перехода электронно-дырочные пары движутся в области объемного заряда (область шириной l) в сильном электрическом поле (более 5000 кВ/м). При такой напряженности поля скорость дрейфа электронов практически перестает расти с ростом напряженности электрического поля. Это насыщение скорости вызывает сдвиг фаз между током и переменным напряжением, прикладываемым к диоду. Из-за несимметричности перехода увеличивается время пролета электронов через область объемного заряда до низкоомной п -области, что также вызывает отставания тока от приложенного напряжения во времени. Другой причиной появления фазового сдвига является инерционность развития лавинного пробоя. Выбором режима и ширины области объемного заряда можно добиться сдвига фазы между током и напряжением на некоторой высокой частоте переменного напряжения на 180°, т.е. нарастанию напряжения при этом соответствует уменьшение тока. Таким образом, возникает дифференциальное отрицательное сопротивление. Это позволяет использовать такие диоды в качестве генераторов СВЧ-колебаний.

Лавинно-пролетные диоды изготавливают из германия, кремния и арсенида галлия. Их рабочие частоты достигают сотен гигагерц при мощности колебаний до десятков ватт в импульсе. Недостатками таких диодов являются:

- низкий КПД, что обусловлено узким диапазоном амплитуды переменного напряжения, при котором существует отрицательное сопротивление;

- высокая нестабильность параметров генерируемых колебаний из-за высокого уровня шумов, присущий механизму лавинного пробоя перехода. Поэтому лавинно-пролетные диоды, в основном, находят применение для разработки на их основе высокоэффективных генераторов шума в СВЧ диапазоне.

Дата добавления: 2015-05-06