Параметрические и умножительные диоды

Полупроводниковые диоды при оптимальной их конструкции являются наиболее простыми и эффективными элементами с управляемой реактивной проводимостью на СВЧ, поэтому сегодня они практически вытеснили все остальные управляемые элементы из техники параметрического усиления и умножения частоты.

Требования к диодам для обеих применений оказались сходными, хотя и не идентичными. (Сама идея использования обратносмещенного р-n- перехода для этих целей была высказана советским ученым Б.М. Вулом в 1953 году).

Вид зависимости дифференциальной емкости от напряжения смещения определяется законом распределения донорных и акцепторных примесей в области перехода.

Практическое значение имеют два варианта распределения примесей – резкая граница между областями р- и п- типа полупроводниками и плавное распределение, характеризуемое постоянным градиентом распределения примесей в области перехода.

Как мы уже отмечали, общий вид зависимости можно представить следующим образом

,

где n = 1/3 – для плавного, n = 1/2 – для резкого р-п- переходов (см.рис.2.12)

Причем величина емкости диода может считаться безынерционной вплоть до частот 10¹¹ Гц, а параллельная активная проводимость, из-за малой величины, может быть упрощена.

Эффект усиления в параметрическом усилителе, а также эффект умножения частоты как и транспонирующего преобразования возникает в результате воздействия мощного сигнала накачки на нелинейную емкость перехода.

Для количественной оценки данного эффекта пользуются понятием эффективного коэффициента модуляции емкости m_д.

Максимальное значение этого коэффициента модуляции определяет критическую частоту диода F_кр, до которой его можно использовать

,

где С_р – значение емкости в рабочей точке.

Этот параметр удобен для оценки коэффициента шума (особенно важного для параметрических диодов), однако он не может быть измерен непосредственно.

Другим параметром, который часто используется для оценки качества диода, является предельная частота

,

на которой добротность уменьшается до «1».

Отечественные диоды принято характеризовать постоянной времени диода (измеряемой при U=10В) .

Эта величина может быть изменена экспериментально и позволяет оценить как значение r_б, так и коэффициента шума любого параметрического устройства.

При использовании диодов в качестве умножителей наряду с ВЧ параметрами С, важным является максимально допустимое напряжение на диоде U_м, которое ограничивает мощность накачки и определяет максимально возможную выходную мощность.

Для повышения эффективности умножения частоты иногда применяют режим с приоткрыванием, однако при этом существенно возрастают шумы устройства.

Характерная ВАХ параметрического диода имеет вид рис.2.22.

Можно показать, что для диодов с резким р-п- переходом величина определяется следующим образом ,а

для диффузионных плавных , где h – толщина базовой области, а – градиент концентрации в базовой области.

Для диодов с резким р-п- переходом максимальные теоретические значения предельных частот от напряжения пробоя показаны на рис.2.23.

Рис.2.22 Рис.2.23

2.8. Варикапы

Варикап – полупроводниковый нелинейный управляемый конденсатор с минимальными потерями в рабочем диапазоне частот на базе р-п, р⁺-п-п⁺ -переходов и МДП структур. На электрических схемах обозначается как рис.2.24 (ГОСТ 2.730-73).

Рис.2.24

Изменяя напряжение смещения на таком приборе, можно обеспечить безынерционное управление резонансной частотой контура. Это позволяет создавать такие радиотехнические устройства как параметрические усилители; схемы умножения и деления частоты и др.

Свойство высокодобротной барьерной емкости р-п- перехода изменять свою величину связано с наличием объемного заряда в области потенциального барьера.

Если приложенное напряжение отпирает переход емкость (C_диф) обусловлена диффузией неосновных носителей в базу. Величина этой емкости значительно больше барьерной. Режим работы варикапа при прямом смещении р-п- перехода характерен для схем умножения частоты. Практическому применению C_диф (да и поверхностно-барьерной) емкости препятствует существенная зависимость от температуры и частоты, высокий уровень шумов и низкая добротность.

Барьерная емкость лишена указанных недостатков и широко используется во многих радиотехнических устройствах для:

- усиления и генерации СВЧ колебаний (параметрические диоды);

- умножение частоты в широком диапазоне, включая СВЧ (умножительные и преобразовательные диоды, работающие иногда и в области диффузионной емкости);

- электронной перестройки частоты колебательных контуров (собственно варикап);

- систем автоматики (варикап с большой емкостью).

Как было указано ранее, величина объемного заряда зависит от приложенного напряжения U, т.е. переход обладает некоторой емкостью

.

Решая уравнение Пуассона для одномерной модели, получаем для барьерной емкости

,

где S – площадь перехода;d – ширина перехода (области объемного заряда).

Таким образом С_б – равна емкости плоского конденсатора с площадью пластин, равной площади р-п- перехода и с расстоянием между пластинами, равным ширине области объемного заряда.

Если такой конденсатор включен в контур, в котором возбуждены колебания и его величина (емкости) изменяется с частотой вдвое превышающей частоту усиливаемых колебаний, то возможен рост амплитуды колебаний в системе. Необходимо только, чтобы емкость уменьшалась в момент прохождения напряжения на конденсаторе через максимум и увеличивалась в момент прохождения напряжения через нуль, т.е. рис.2.25.

Рис.2.25 Рис.2.26 Рис.2.27

Изменение барьерной емкости при изменении напряжения на р-п- переходе обусловлено перемещением основных носителей в областях n и p. Постоянная времени этого процесса определяется как (для Ge при r=10^-3 Ом м, e=16 дает t=1,4 10^-13 сек) и оказывается заметной лишь на частотах более 10 Ггц.

Полная эквивалентная схема варикапа совпадает с рис.2.11 а ее упрощенные варианты для высоких и низких частот приведены на рис.2.28.

Рис.2.28 Рис.2.29

Из эквивалентных схем ясно, что диапазон рабочих частот может ограничиваться сопротивлениями r_б и r_п. Тогда, пренебрегая влиянием сопротивления r_б на НЧ, получим, что добротность диода (отношение реакивного сопротивления к активному) возрастает с частотой, т.е.

Q » w С_бr_n = 2pfC_бr_n,

а пренебрегая на ВЧ сопротивлением r_n, что добротность убывает пропорционально частоте

.

Откуда задаваясь минимальным значением добротности несложно определить и границы рабочего диапазона частот f_н – нижнюю и f_в – верхнюю.

Понятно, что при работе на низких частотах требуются вариакапы со значительной величиной С_б, а в ВЧ и СВЧ диапазон – с малым значением как С_б так и r_б. Можно показать, что f_в не зависит от площади перехода, а определяется только параметрами исходного материала

,

где v- толщина пластины полупроводника.

В варикапе на основе структуры метиалл-диэлектрик-полупроводник (МДП) рис.2.29 при нуле и отрицательном напряжение на металле, емкость определяется толщиной оксида кремния SiO₂. При положительном напряжении на верхнем электроде p-Si обедняется носителями и емкость уменьшается.

При значительном положительном напряжении происходит инверсия электропроводности границы p-Si и емкость определяется последовательным соединением двух конденсаторов; одного на базе оксидной пленки, второго – p-n- перехода.

Для перестройки и умножения частоты можно использовать и ДНЗ, в эпитаксиальных вариантах которых применяются пленки с концентрацией примеси 10¹⁴ …10¹⁵ см^-3 и толщиной порядка 1 мкм, при этом режим смыкания достигается почти при нулевых напряжениях на диоде (параметры ДНЗ: С = 0,1…n×1 пФ, U₀ = 0…50 В, k_C = 3…6, Р_макс = 0,1…0,3 мВт).

Изменение емкости варикапа в рабочем диапазоне напряжений характеризуется коэффициентом перекрытия С_макс/С_мин = k_C.

Важными параметрами также являются:

- максимально допустимая мощность рассеиваемая на варикапе Р _макс;

- ТКД температурный коэффициент добротности (относительное изменение добротности при изменении температуры на 1⁰С)

- ТКЕ – температурный коэффициент емкости (С = f(T⁰), при изменении T на 1⁰С)

- U_макс – максимально допустимое напряжение;

- Q_ном – номинальная добротность (x_c/Sr_потерь½_{U0=const, f=const});

- С_мин, С_макс, С_ном – соответствующие значения емкости (при максимальном смещении, минимальном и номинальном).

Конструкции варикапов имеют вид аналогичный 2.17,а и различные СВЧ и ВЧ варианты (см. СВЧ диоды), включая различные бескорпусные реализации.

Для ВЧ и СВЧ варикапов используют п -GaAs, n -Ge, а с целью повышения пробивного напряжения применяют сложные структуры с низкоомным и высокоомным базовыми слоями структуру типа р⁺-п-п⁺.