Переключающие и ограничительные диоды

Это диоды с р-п- переходом или с р-i-n структурой. Работа переключающего диода с р-п- переходом основана на эффекте изменения импеданса (полного сопротивления) р-п- перехода в зависимости от напряжения смещения. В таких диодах при прямом смещении сопротивление р-п- перехода быстро убывает с ростом тока смещения и при токе более 10 - 50 мА становится малым по сравнению с сопротивлением базы, т.е. эквивалентная схема (рис.2.39,а) диода принимает вид рис.2.39,б.

При обратном смещении схема изменяется, как показано на рис.2.39,в т.к. величина сопротивления и ею можно пренебречь.

 

а б в

Рис.2.39

а б

Рис.2.40

Если диод включен так, как показано на рис.2.40,а, то имеем (проходной) переключатель параллельного типа, а в случае рис.2.40,б - последовательного.

Для определения мощности на нагрузке, представим эти переключатели в виде соответствующих схем рис.2.41 а, и б:

а б

Рис.2.41

 

Откуда для параллельной схемы переключателя получим мощность на нагрузке в виде

,

а мощность на выходе при отсутствии нагрузки

.

Отношение полученных величин определяет потери преобразования

.

И аналогично для последовательной схемы

.

Таким образом, если Z_Д ® 0 то L ® ¥. При этом для параллельной схемы закрытое состояние Z_Д = 0, а открытое Z_Д = ¥.

Следовательно, такие схемы имеют два состояния – пропускания и запирания и могут характеризоваться потерями передачи П, определяемыми отношением падающей мощности к прошедшей. Последние отношения определяются импедансом диода Z и (в разах) имеет вид П = .

Величина П должна быть по возможности большей в состоянии запирания (потери запирания П_з для диода с р-п- переходом определяются как П_з = (1- ) и малой в состоянии пропускания П_п (определяются следующим образом П_п = (1+ , где ).

Качество переключающего диода оценивается отношением потерь пропускания и запирания

Как и для импульсных диодов оно оценивается временем переключения (временем перехода диода из одного состояния в другое при мгновенном изменении управляющего напряжения).

В устройствах СВЧ переключающие диоды применяются для управления СВЧ мощностью, переключения каналов, фазовой манипуляции (фазовращатели), защиты входных устройств от выгорания. Следует различать управляемые (питающим напряжением) и самоуправляемые устройства (за счет падающей мощности).

В переключающих СВЧ – диодах используются в основном р-i-n- структуры. (При прямом смещении за счет инжекции электронов из n-области и дырок из р-области сопротивление i-слоя уменьшается и полупроводниковая структура представляет собой малое активное сопротивление, значение которого определяется постоянным током через диод рис.2.42. Частота СВЧ сигнала оказывается настолько большой, что за половину периода колебаний электроны и дырки не успевают сместиться на расстояние, соизмеримое с толщиной i-слоя (доли мм). Накопленный в базе заряд реагирует в основном на низкочастотный управляющий сигнал. При обратном смещении р-i-n- диод эквивалентен емкости с малыми потерями, а в прямом – это регулируемое током активное R, которое может изменяться от нескольких 10 КОм до нескольких Ом.

Зависимости параметров от режима приведены на рис.2.43.

Как правило диод работает при I_пр = 100 - 200 мА; r_пр< 2,0 Ом при этом сопротивление остается низким даже при высоких уровнях СВЧ мощности, вследствие того, что в i- слое накоплен большой заряд.

Быстродействие определяется временем восстановления, которое зависит от накопленного заряда, т.е. от толщины i-слоя, времени жизни носителей и соотношения прямого и обратного токов (для уменьшения t_в используют режим с большим вытягивающим обратным полем).

Выпускают р-i-n- диоды на различную рассеиваемую мощность и быстродействие. Емкость от 0,1 до 3 пФ, тепловое сопротивление до единиц ⁰С/Вт, мощность от единиц мВт до Р = n 100 Вт непрерывной и несколько десятков КВт импульсной мощности, t_в = 10 - 1 мкс.

Рис.2.42 Рис.2.43

Диоды с барьером Шотки и с р-n- переходом имеют еще большее быстродействие, но работают лишь при низких уровнях мощности, поскольку обладают выпрямительными свойствами и при больших падающих мощностях переходят в режим малого сопротивления.

Предельная коммутируемая мощность зависит от параметров диода (предельной рассеиваемой мощности), способа включения в линию передачи (с целью расширения полосы снижают индуктивность диода, согласовывают короткозамкнутыми или холостыми шлейфами).

Характерная зависимость прошедшей мощности Р_прош и потерь передачи П от величины падающей мощности Р_пад при использовании ограничительного диода имеет вид рис.2.44, где - импеданс на основной частоте.

При малой мощности передачи, когда потери передачи близки к единице (участок 1). Затем с ростом Р_пад величина резко уменьшается, и потери растут (участок II). С ростом мощности, когда выполняется неравенство << r_в импеданс диода становится равным сопротивлению r_в = r_б + r_конт, которое состоит из остаточного сопротивления базы и сопротивления омических контактов. При этом величина П остается практически постоянной (участок III).

Рис.2.44

Конструктивное оформление диодов аналогично, приведенным на рис.2.37.

К числу основных параметров переключательных диодов относят:

- напряжение пробоя (U_проб),

- тепловое сопротивление,

- рассеиваемую мощность,

- время восстановления,

- полную емкость диода, определяющую полосу рабочих частот ,

- емкость корпуса, (С_к),

- сопротивления r⁺ и r^- (или R₀ и r_б).

Переключающие диоды применяются и для построения фазовращателей. В этом случае диоды работают в двух режимах – пропускания и запирания, а изменение фазы происходит за счет изменения длины линии, которую проходит волна.

Выключатель с СВЧ диодом, на который подано модулирующее напряжение прямоугольной формы, можно использовать для формирования из непрерывного СВЧ сигнала импульсно-модулированного сигнала.

Плавное изменение смещения на диоде изменяет его сопротивление, а значит обеспечивает регулировку мощности, проходящей через участок линии с диодом – такими функциями обладает еще одно устройство СВЧ – аттенюатор, который реализуется также на вышеуказанных диодах.

 

Генераторные СВЧ диоды

Туннельные и обращенные диоды

Действие туннельных и обращенных диодов (ТД и ОД) основано на туннельном эффекте. Эффект туннелирования открыт (японцем Эсаки) в 1956г. и в 1957 г. изготовлен первый туннельный диод.

Для таких приборов необходимо создание чрезвычайно узких р-п- переходов, имеющих по обе стороны р-п- перехода изоэнергетические уровни, между которыми возможны туннельные переходы. Условие перехода реализуется в полупроводниковых материалах с высоким содержанием примеси (10²⁴ - 10²⁶ м^-3), т.е. с весьма низким удельным сопротивление. При этом ширина перехода (около 10^-2 мкм) на два порядка меньше, чем в обычных плоскостных диодах. Подобные материалы называют вырожденными полупроводниками. Уровень Ферми в них лежит в разрешенных зонах, в полупроводнике п- типа – в зоне проводимости, в р- типа – в валентной зоне (за счет того, что при таких концентрациях примеси происходит расщепление примесных уровней, и эти зоны вплотную прилегают к соответствующим разрешенным зонам).

Пояснить ход ВАХ (рис.2.45, 2.46) можно, используя энергетические диаграммы перехода при различных уровнях смещения, см.рис.2.47.

В случае отсутствия смещения, свободные носители проходят через переход вследствие квантово-механического туннельного эффекта (точка б на ВАХ рис.2.45), при этом электрон, входя в р-п- переход из п- области. замедляет свою скорость под действием внутреннего диффузионного поля. Отразившись от потенциального барьера перехода, электрон возвращается в п- область. Однако имеется вероятность попадания электрона и на свободный уровень с такой же энергией в акцепторной, примесной области -р. В этом и заключается туннельный эффект.

Рис.2.45 Рис.2.46

При d = 10^-2 мкм туннельный ток может достигать величины 10⁷ А/м², несмотря на малую вероятность туннельного перехода отдельного электрона. Аналогично отдельные носители заряда р- области путем туннелирования могут попасть в зону проводимости п- области на свободные энергетические уровни и т.д. Устанавливается динамическое равновесие.

Уровень Ферми при U = 0 в р- и п- областях проходят горизонтально, нет перекрытия свободных и занятых уровней в р- и п- областях, ток через переход отсутствует.

 

 

Рис.2.47

При обратном смещении (область а на рис.2.45) уровень Ферми в р- области смещается вверх относительно уровня Ферми в п- области на величину внешнего смещения (U = (F_р - F_п)/q), при этом против заполненных состояний в р- области появляются свободные состояния в п- области, что приводит к току во внешней цепи. С увеличением обратного смещения перекрытие зон возрастает, ток растет. Крутому росту тока способствует увеличение вероятности «туннелирования» вызванное ростом поля в переходе (сокращением его длины).

При положительном смещении число перекрывающихся состояний сначала растет (участки в и г на ВАХ) до положения, когда интервал заполненных состояний в п- области и свободных состояний в р- области максимально перекрывается (, где - расстояния уровней Ферми от краев соответствующих зон), при этом ток достигает максимума (точка г ВАХ), а затем убывает. При напряжении перекрытие зон заканчивается, и туннельный ток обращается в нуль.

С ростом прямого смещения происходит дальнейшее снижение потенциального барьера в р-п- переходе. Создаются условия для инжекции не основных носителей – появляется диффузионный ток (точка е на ВАХ), как в обычном диоде.

Туннельные диоды изготавливают на основе германия, арсенида галлия, антимонида индия. Диоды на основе арсенида галлия имеют преимущества перед остальными, так как выдерживают несколько больший интервал прикладываемых напряжений, имеют высокую «колебательную мощность», высокие рабочие частоты и большие амплитуды (у диодов из антимонида индия велик ток термогенерации при комнатной температуре). Вид ВАХ туннельных диодов на основе различных материалов приведен на рис.2.46. (Чем больше ширина запрещенной зоны материала, тем больше напряжение, при котором наблюдается максимальный ток I_м).

Для получения узких переходов применяются методы вплавления примесей (акцепторная примесь для арсенида галлия – цинк и кадмий, донорная – олово, свинец, сера, теллур и др.). Диффузионное проникновение примесей на глубину до 10А^о при общей ширине перехода 100-150А^о считается приемлемым.

Наличие падающего участка на ВАХ позволяет использовать такие диоды в качестве генераторов, усилителей, переключателей, а нелинейность характеристики кроме того и в качестве умножителей, смесителей и т.п.

В этой связи важным является вопрос о его частотных свойствах. Так как инерционность за счет конечного времени пролета электроном перехода составляет около 10^-13 сек, то на основные ограничения накладываются конструктивные параметры: емкость перехода и корпуса, сопротивление базы (растекания), индуктивность выводов. В настоящее время диоды работают до частот порядка 30 - 50 ГГц в рабочем интервале температур от 0⁰ К до нескольких сот градусов, радиационностойкие.

Эквивалентная схема туннельных диодов аналогична обычным диодам. Важной особенностью туннельных диодов является наличие в интервале напряжений U_макс < U < U_мин отрицательного дифференциального сопротивления (определяемого углом наклона падающего участка ВАХ). Величина отрицательного сопротивления в точке перегиба R обратно пропорциональна максимальному току I_макс и приближенно оценивается как (минимальное отрицательное сопротивление):

- для германиевых диодов,

- для арсенида галлиевых диодов.

Емкость р-п- перехода до второй восходящей ветки равна С_р-п (барьерная), затем она должна дополняться диффузионной (как это имеет место в обычных диодах при их открывании).

Туннельные диоды способны работать как усилители и генераторы, только на частотах, где активная составляющая импеданса диода отрицательна, т.е.

.

Откуда предельная резистивная частота, при которой неравенство превращается в равенство

или .

Максимальное значение указанной частоты (из исследования на экстремум последней формулы) получаем при . Тогда .

Основными параметрами определяющими свойства туннельных диодов (частотные свойства определены произведением r_б C_б) являются:

- отношение токов I_макс /I_мин; напряжения U_макс /U_мин;

- резонансная частота f₀ (на которой реактивная составляющая полного сопротивления диода без учета емкости корпуса при R обращается в нуль ).

В режиме генерации f_макс = f₀, а в режиме усиления эти частоты должны быть разнесены. Максимальная выходная мощность в режиме генерации оценивается как . Типичные значения параметров германиевых туннельных диодов: I_макс= 1,0 - 2,0 мА, С_б = 0,2 - 1,2 пФ, r_б= 3 - 7 Ом, I_макс/I_мин= 6 - 8, f_макс(ГГц) = 32 - 50, L_к= 0,05 - 0,25 нГн.

Иногда применяют параметр “удельный ток”, который равен отношению максимального тока к величине барьерной емкости, он оказывается удобным для характеристики свойства генераторных диодов – ток и емкость пропорциональны площади р-п- перехода и однозначно оценивают максимальную мощность генерации, а емкость – предельную частоту (т.к. С_д = С_к + С_б, чем меньше С_б, тем выше предельная частота).

Обращенные диоды – являются разновидностью туннельных диодов, отличаются меньшей величиной туннельного тока (I_т = 0,5 - 0,01 мА), используются как пассивные элементы радиотехнических устройств (детекторы, смесители, ключевые устройства для сигналов с малой амплитудой) и имеют ВАХ, приведенный на рис.2.48.

Технологически они отличаются меньшими чем у туннельных диодов концентрациями примеси в р-п областях. Уровень Ферми при таких концентрациях располагается на потолке валентной зоны р-области и на дне зоны проводимости п-области (рис.2.49).

 

Рис.2.48 Рис.2.49

Из диаграммы ясно, что туннельный ток в таких приборах наблюдается при обратном напряжении на диоде (при очень малых отрицталеьных смещениях) и следовательно обратные токи значительны при малых обратных напряжениях. При прямом смещении ток обусловлен диффузией носителей через потенциальный барьер р-п- перехода и ВАХ здесь аналогична прямой ветки выпрямительного диода.

Таким образом, в прямом направлении (при малых смещениях) диод обладает значительным сопротивлением. а в обратном – малым. По этой причине он и назван обращенным (пропускает ток в обратном направлении и не пропускает в прямом направлении).

Инерционность обращенных диодов определяется временем перезаряда его емкости и зависит от параметров эквивалентной схемы (емкости и индуктивности корпуса и т.п.). Как правило, время переключения обращенного диода менее 1 нсек.

Вследствие большой кривизны ВАХ эти диоды работают при меньшем уровне сигнала и меньшем уровне гетеродина (накачка менее 100 мкВт), чем обычные детекторные и смесительные диоды. Чувствительность по току в дециметровом диапазоне у обращенных диодов в 10 - 20 раз выше. чем на обычном диоде.