Диоды СВЧ

1. ДИОДЫ СВЧ

1

2. ДИОДЫ СВЧ

Варикапы и варакторы
PIN-диоды
Диоды с барьером
2
Шоттки
Лавинно-пролетные
диоды
Диоды Ганна
2

3. варикапы и варакторы

ВАРИКАПЫ И ВАРАКТОРЫ
3

4. ВАРИКАПЫ И ВАРАКТОРЫ

Варикапами
и
варакторами
называют
полупроводниковые диоды, величина емкости
которых зависит от приложенного к диоду
напряжения.
Данные диоды относят к управляющим
реактивным диодам, так как они изменяют свое
реактивное сопротивление при изменении
приложенного напряжения
4

5. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Варикапы
используют в режиме управляемой
емкости, когда значение емкости управляется
постоянной
составляющей
напряжения,
приложенного к диоду. Поэтому варикапы
применяются
для
создания
контуров
с
переменной резонансной частотой.
Варакторы используют в режиме нелинейной
емкости, при котором используется зависимость
емкости от мгновенного значения переменного
напряжения, что позволяет применять варакторы
для умножения частоты.
5

6.

Барьерная емкость диода
a
Сб
n
k U
где:
a - постоянная пропорциональная площади
p-n перехода
n - показатель, зависящий от вида
зависимости
распределения
примесей
вблизи p-n перехода (для резкого p-n
перехода n =1/2, для плавного n =1/3)
6

7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Вольт-кулоновая характеристика
Вольт-фарадная характеристика
7

8. ВОЛЬТ-КУЛОНОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАРЬЕРНОЙ ЕМКОСТИ Вольт-кулоновая характеристика - зависимость заряда q от приложенного к

нелинейной емкости напряжения u.
q
q0
-φk
0
q0 начальный заряд
U
8

9.

Вольт-фарадная характеристика
Вольт-фарадная характеристика – зависимость емкости
диода от постоянного (обратного) напряжения,
приложенного к диоду .
dq
C (U )
F (U )
du
9

10. ВОЛЬТ-ФАРАДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАРЬЕРНОЙ ЕМКОСТИ

С
1-диод с плавным p-n переходом(n =1/3)
2- диод с резким p-n переходом(n =1/2)
3-диод со сверх резким переходом(n=3)
1
2
3
0
Uобр
Если известна величина емкости при нулевом смещении C(0), то
зависимость емкости диода от обратного напряжения можно
выразить как
C (0)
Cб C (0)
(1 U / k )
n
10

11. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ДИОДА

Cд
rs
Rд
В этой схеме нелинейная емкость и нелинейное сопротивление
диода в зависимости от приложенного напряжения соответствуют
C Д Cб , RД R при U k
C Д = Cд , RД = R при U k
где С и С Д - барьерная и диффузионная емкости диода, R б
сопротивление утечки, R -сопротивление рекомбинации, rs сопротивление потерь.
11

12.

Рабочий диапазон частот диода
1
1
RД С Д
rS C Д
1
1
гр
RД С Д rs Сб
1
1
1
R Д С Д R Сд
12

13. СПРАВОЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИОДА

емкость диода - емкость Сб при обратном
справочном напряжении UСПР
UСПР напряжение, при котором определяется ряд
параметров варикапа.
Добротность диода - отношение реактивного
сопротивления диода к сопротивлению потерь
Q
1
2 fCб (U спр )rs
Граничная частота -
1
гр (U спр )
rs Сб (U спр )
.
13

14.

СПРАВОЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИОДА
Сопротивление потерь -rS .
.
Время жизни носителей заряда -
Максимально допустимое запирающее напряжения на
диоде -Uдоп .
Максимально допустимая рассеиваемая мощность на
диоде - Pрас.
Время восстановления закрытого p-n перехода - tв.
14

15. ПРИМЕР

справочные параметры отечественного диода
2А609А
Сб, пФ
при
fгр, ГГц
Uдоп, В
Pрас, Вт
τβ, нс
tв, нс
150
40
2
30 - 70
0,1 - 0,25
U=6В
1,1 – 1,8
15

16. УПРОЩЕННЫЙ АНАЛИЗ РЕЖИМА РАБОТЫ ВАРАКТОРА

U
Uдоп
1/Cб
qmax
q
Идеальная вольткулоновая характеристика (ВКХ)
является кусочно-линейной аппроксимацией реальной
характеристики.
В идеальной характеристике
диффузионная емкость Сдиф → ∞,
барьерная емкость считается постоянной и не завит от
напряжения.
не учитывается небольшое напряжение открывания p-n
перехода (считается, что p-n переход открывается при U = 0).
16

17.

Аналитическая запись аппроксимированной ВКХ
0 q qmax
q / Cб ,
U
0,
q 0
Предположим, что заряд на варакторе изменяется по
гармоническому закону с частотой ω
q(t ) Q0 Q1 cos t
U
U
Umax
Q0
q
0
t
Qуп
17
t

18.

Напряжение на варакторе u(t) при воздействии q(t)
Q1 (cos t cos ) / Cб ,
U (t )
0,
t ,
t 2 ,
где θ - угол отсечки напряжения;
Так как зависимость u(t) представляет последовательность
косинусоидальных импульсов, можно применить метод
угла отсечки и определить амплитуду n-ой гармоники
напряжения на варакторе Un
Q1
U n n ( )
,
C
n ( )
- коэффициент Берга
18

19.

Режим варактора считается оптимальным,
если максимален КПД
Pn
n
P1
Максимальный КПД достигается при
оптимальном угле отсечки
opt
k
n
19

20. ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВАРАКТОРА В УМНОЖИТЕЛЕ ЧАСТОТЫ

ППФ
Вход
L1
Ср
Выход
С1
L2
R см
С2
В схеме умножителя входная цепь выполнена в виде ФНЧ, образованного
сосредоточенными емкостями С1, С2 и индуктивностями L1, L2, выполненными
на отрезках МПЛ.
Выходная цепь выполнена в виде полосно-пропускающего фильтра (ППФ),
настроенного на выходную частоту n-й гармоники. ППФ и индуктивность L2
обеспечивают развязку входной и выходной цепей. Постоянное напряжение на
варакторе задается сопротивлением Rсм, емкость Ср является разделительной
емкостью.
20

21. УПРАВЛЯЮЩИЕ PIN-ДИОДЫ

21

22. СТРУКТУРА PIN-ДИОДА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ В ДИОДЕ

p+
i
p+
n+
n+
i
x
Рис.5.7. Структура pin диода и распределение в
ней примесей
22

23. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ДИОДА

Lв
Lв
Cк
Cк
C
r обр
r пр
а)
В открытом состоянии
б)
В закрытом состоянии
23

24. ПРИНЦИП РАБОТЫ

При работе в прямом направлении на достаточно
высоких частотах f, определяемых соотношением
2πfτβ >> 1
диффузионная емкость p+i и n+i переходов диода
полностью их шунтирует. В схеме rпрсопротивление базы, определяемое прямым
током, rпр ~ K/Iпр ~ 1 Ом
При обратном смещении
rобр= ri Wi/Si, ~ 1-10 кОм
где ri - удельное сопротивление i-области;
Wi - толщина i-области;
Si - площадь диода.
24

25. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ДИОДА С УЧЕТОМ КОРПУСА

Rд
rs
Lв
Cд
Cк
25

26. СПРАВОЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ PIN-ДИОДА

Полная емкость диода. Суммарная емкость
СТ= СК = СБ
Полное сопротивление диода. Суммарное сопротивление
rТ = rпр + rs
Напряжение пробоя. Напряжение пробоя pin-структуры
определяется соотношением
Uпроб = Eкр Wi
где Eкр – критическая величина напряженности
электрического поля, которая обычно принимается равной
Eкр = 2•105 В/см.
Время переключения диода с прямого направления на
обратное. Это время состоит из двух времен.
t = tр + tв
tр = Qнк/Ip= Iпр τβ / Iр И tв = Wi 2/(μp,nUобр)
26

27. ПРИМЕР

справочные параметры pin - диода HSMP-3890
CТ, pF
rT, Ohm
at
IF = 1mA
VbR, V
Pрас, mW
τβ, нс
at IF =
10mA
tв, нс
0.3
3.8
100
250
200
550
27

28. ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ НА PIN-ДИОДАХ

Вход
1
VD1
2
VD2
28

29. ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ НА PIN-ДИОДАХ

1
r0
VD1
r0
2
1,r1
VD2
,r
29

30. ДИОДЫ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ

30

31. СТРУКТУРА ДИОДА ШОТТКИ

Структура диода Шоттки представляет собой низкоомную
полупроводниковую подложку с высоким содержанием
донорной примеси, покрытой сверху тонкой пленкой того
же, но более высокоомного полупроводника, на которую
нанесен металлический слой.
Ме
р+
р+
эпитаксиальный п-слой
п+ подложка
31

32. ОСОБЕННОСТИ ДИОДА ШОТТКИ

На переходе диода создается значительно
меньшее падение напряжения (0,2-04 В), чем на
электронно-дырочном переходе
I
ДШ
0,2...0,4
диод с
рп переходом
0,7В
U
Прямая ВАХ строго подчиняется экспоненциальному закону
U / т
I Is e
1
Где φт – температурный потенциал Is-ток насыщения
32

33. ОСОБЕННОСТИ ДИОДА ШОТТКИ

Так как переходы работают только на основных
носителях то, следовательно, в диодах,
изготовленных на основе эффекта Шоттки,
отсутствует диффузионная емкость, связанная с
накоплением и рассасыванием неосновных
носителей.
Отсутствие диффузионной емкости существенно
повышает быстродействие диодов, поэтому
диоды, выполненные на основе такого контакта,
являются более высокочастотными и обладают
существенно лучшими переключающими
свойствами, чем диоды на основе контакта
полупроводник-полупроводник.
33

34. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ДИОДА ШОТТКИ

Ск
rs
Lв
Cд
rs
Rд
Rд
Сд
Схема диода в корпусе
8,33 10 5 nT
Rд
I Is
CT Cк Cд
В данной схеме rs - сопротивление потерь в металле и в
приконтактной области полупроводника;
Cд - паразитная емкость эпитаксиального слоя под
металлическим контактом;
Rд - сопротивление перехода диода
34

35. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРИБОРАХ СВЧ

E см
Lбл
VD1
СВЧ
вход
( RF in)
Ц.С.
С
L
НЧ
выход
(Video
out)
а)
E см
L бл
СВЧ
вход
( RF in)
Ц.С.
VD1
НЧ
выход
(Video
out)
б)
последовательная схема детектора
35

36. ПРИМЕНЕНИЕ В ПРИБОРАХ СВЧ

Параметры детектора
чувствительность детектора, которая определяется величиной
минимальной входной мощности, при которой на выходе
детектора НЧ сигнал превышает сигнал шума;
чувствительность детектирования γ - отношение напряжения
на выходе детектора к мощности СВЧ сигнала;
входной СВЧ импеданс диода;
выходной НЧ импеданс диода.
Некоторые параметры детекторного диода HSMS-286B
CТ, pF
VF, mV
IF = 1mA
Чувствительность
по мощности
dBm
при f=915 MHz
Чувствительность
по напряжению
γ, mV/µW на
частоте f =915 MHz
при Pin= - 40 dBm ,
Видео
сопроти
вление
Rv, KΩ
Ib = 5µA
0.25
250
-57
50
5.0
36

37. ПРИМЕНЕНИЕ В ПРИБОРАХ СВЧ

Смеситель
Потери преобразователя-отношение мощности СВЧ
сигнала, поступающего на вход смесительного диода, к
мощности сигнала ПЧ на выходе ;
Импеданс на промежуточной частоте - ZIF.
Некоторые параметры смесительного диода HSMS-82
Полная
емкость
CТ, pF
0,26
Максимальное Максимальное
Прямое
обратное
напряжение
напряжение
VF, mV
VBR, V
при токе IF =1mA
при токе
IR =10µA
350
4
Потери
преобразования
L, dB
на частоте
f =12 GHz
Динамическое
сопротивление
RD, Ω
при токе
IF =5mA
6,3
14
37

38. ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫЕ ДИОДЫ

38

39. СТРУКТУРА ЛПД

Лавинно-пролетный диод (ЛПД) - полупроводниковый
диод с р-п переходом, принцип работы которого основан на
2-х процессах: лавинном пробое и пролете носителей через
обедненную область.
39

40.

Структура диода
Распределение поля в структуре
40

41. ПРИНЦИП РАБОТЫ

Если приложить к диоду обратное
напряжение и увеличивать его, то
наступит электрический пробой.
Пробой наступает при напряжении
Uпр, что соответствует напряженности Eпр. При E >
Eпр в узкой области, прилегающей к p+n переходу,
начинается процесс ударной ионизации и
лавинообразно образуются электроны и дырки.
Область, в которой локализован лавинообразный
процесс, называют областью умножения (на
рисунке соответствует участку Δl).
С течением времени под действием поля дырки
уходят в p+ контакт, а электроны - в n+ контакт
Электроны двигаются со скоростью насыщения к n+
контакту через пролетную область (l – Δl )
41

42. ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ, поясняющие работу ЛПД при установке в резонатор

u~
iл
iн
0
2π
4π
ωt
42

43.

пр l l - время пролета электронов через
область ; - средняя дрейфовая скорость
пролетную
электронов
Т 2 пр - период колебаний, соответствующий частоте
настройки колебательной системы
fopt 1 / Т 1 / 2 пр - оптимальная частота настройки колебательной
системы
43

44. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ЛПД

i
rs - сопротивление потерь на
частоте генерации;
Lл - нелинейная индуктивность
лавины
rs
i пр ( u пр )
С пр
Lл
Сл
u пр
uл
I
Lл
л U пр
m Io
где л пр 9 - время процесса
лавинообразования;
mu
коэффициент, зависящий от
материала из которого
изготовлен диод (m = 7 для SiO2 и
m = 5 для GaAs);
44
Рис.5. 21. Эквивалентная схема ЛПД

45. КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛПД

I пр1 /I 0
III
1
I
0 U гр
II
U гр
U пр1
На характеристике можно выделить три участка : I - почти
линейной зависимости Iпр1 от Uпр1; II - приблизительно
постоянной амплитуды тока Iпр; III - почти постоянной
амплитуды напряжения Uпp1.
Зависимость Iпр1(Uпр1) на участке I назовем режимом
малых амплитуд, на участке II - режимом больших
амплитуд, а на участке III - перенапряженным режимом
45

46. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ГЛПД ошибка в рис.

rs
Gа
Спр
Lл
Rн
Здесь пролетная область представлена усредненной по
первой гармонике отрицательной проводимостью
Ga I пр1 / U пр1
включенной параллельно емкости Спр. В схеме
Rн - эквивалентное сопротивление нагрузки диода,
Lн - эквивалентная индуктивность полной колебательной
системы
rs - сопротивление потерь.
46

47. УПРОЩЕННЫЙ РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЛПД

Амплитуду Iн можно найти, зная колебательную мощность
первой гармоники, отдаваемую пролетной областью диода
во внешнюю цепь,
P1 0,5I н2 Rн rs
Отсюда
Pн P1Rн Rн rs
Колебательная мощность Р1 может быть рассчитана по
формуле
2
2
P1 0.5I пр
1 Ga 0.5U пр1 Ga
В стационарном режиме проводимость колебательной
системы
Gk Ga
47

48. УПРОЩЕННЫЙ РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЛПД

В режиме малых амплитуд максимальная мощность в нагрузке
соответствует
I /I
PнI
1 I 0 min I 0 I 0 min
2
пр1
0
III
1
I
Gк min
II
при оптимальном сопротивлении нагрузки
I0
U гр
U пр1
0 U гр
Rн rs
1
I 0 min
где I 0 min минимальный постоянный ток диода при возбуждении
колебаний в автогенераторе, работающем на пролетной частоте при
известном сопротивлении Rн ;
I 0Gk min
1 I0
II
R
rs
н
В режиме больших амплитуд ! Pн
2
2
2
C
I
8 Gк min
пр пр 0 min
В перенапряженном режиме
I 0 min I 0 2 I 0 min
III
Pн
Gк min
при оптимальном сопротивлении нагрузки
Rн
I 0Gk min
rs
2
2
2 пр Cпр I 0 min
48
Коэффициент полезного действия генератора или КПД Pн Р0 Pн I 0 U 0

49. РЕАЛИЗАЦИЯ ГЛПД В МИКРОПОЛОСКОВОМ ИСПОЛНЕНИИ

Uп
Rист
3
1
2
Выход
Сp
Питание к диоду 1 подводится через фильтр 3, настройка на
нужную частоту осуществляется изменением расстояния от диода
1 до неоднородности 2. Максимальная генерируемая мощность
обеспечивается выбором площади неоднородности 2.
Параметры ЛПД. Диапазон рабочих частот от 1 до 150 ГГц. В
миллиметровом диапазоне выходная мощность составляет сотни
мВт, а в сантиметровом диапазон - единицы Вт.
49

50. РАБОТА ЛАВИННО-ПРОЛЕТНОГО ДИОДА В РЕЖИМЕ С ЗАХВАТОМ ПЛАЗМЫ

Помимо пролетного режима ЛПД может работать в так
называемом режиме с «захватом плазмы», в зарубежной
литературе называемом TRAPATT (Traped Plasma Avalanche
Triggered Transit). Диоды, работающие в этом режиме,
получили название - лавинно-ключевые диоды.
Особенности такого режима: высокий КПД (до 60 %)
более низкая частота, существенно негармонические
формы токов и напряжений i(t), u(t). Для работы в режиме с
захватом плазмы диод помещают в резонатор,
позволяющий обеспечить негармонические формы u(t) и
i(t) релаксационного типа. ЛПД, работающие в режиме с
захватом плазмы, позволяют получить импульсные
мощности порядка сотен ватт на частотах 1...3 ГГц.
Недостатком режима с захватом плазмы является более
высокий уровень шумов генератора.
50

51. ПРИМЕР

1
5
4
3
lш
Dш
ПРИМЕР
2
Коаксиальный генератор на ЛКД.
1 – коаксиальная линия;
2 – шайба; 3 – ЛКД; 4 – втулка;
5 – фторопластовая прокладка
51

52. ДИОДЫ ГАННА

52

53. ДИОДЫ ГАННА

Диод Ганна - это генераторный диод СВЧ,
работающий в диапазоне частот от единиц до
сотен гигагерц, изготовленный, как правило, из
арсенида галлия.
Эксплуатационные характеристики диода
Выходная мощность диода Ганна - от десятков
милливатт до долей ватта в непрерывном режиме
колебаний, КПД весьма мал - 1 ...5 %. Больший
КПД можно получить на диодах из фосфида
индия. В импульсном режиме при длительности
импульсов не более 1 мкс и скважности, равной
нескольким сотням, выходная мощность
увеличивается приблизительно на порядок
53

54. СТРУКТУРА ДИОДА

Диод Ганна представляет собой кристалл однородно
легированного арсенида галлия п-типа, выращенного на
низкоомной подложке из арсенида галлия п+-типа. На
противоположных гранях кристалла выполнены омические
контакты.
+
----
n
GaAs
U
Механизм работы диода Ганна основан на эффекте Ганна,
который заключается в появлении произвольных
электромагнитных колебаний в диоде, состоящем из
полупроводника, заключенного между омическими
контактами, при приложении к этим контактам
напряжения
54

55. ПРИНЦИП РАБОТЫ

Особенностью арсенида галлия и других
полупроводниковых материалов, из которых
изготовляются диоды Ганна, является наличие
участка отрицательной крутизны на зависимости E
v μE
Eпор
при Е более
E
Eпор равномерность поля в диоде нарушается.
У катода происходит накопление электронов. Область
накопления электронов называют обогащенным слоем. Под
действием электрического поля этот слой перемещается от
катода к аноду, где и рассасывается. Процесс периодически
повторяется.
55

56. ПАРАМЕТРЫ ДИОДА ГАННА

n 0 - концентрация донорных примесей в п-
области;
l - длина п-области;
f пр - «пролетная» частота;
uпор- пороговое напряжение;
iпор- ток, соответствующий пороговому
напряжению;
U 0 - напряжение источника питания;
I 0 - постоянная составляющая тока.
56

57. ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИОДА ГАННА

Существует оптимальный диапазон значений произведения
концентрации донорных примесей на длину диода
12
n
l
2
...
4
10
0 тока не возникают, т. е. диод
колебания
При
n0l свои
1012 активные свойства.
теряет
Оптимальное напряжение источника питания, исходя из
обеспечения максимума КПД, составляет
при этом
U 0 2.5...3 uпор
I 0 0.8...0.95 iпор
57

58. ГЕНЕРАТОРЫ СВЧ НА ДИОДАХ ГАННА

Несмотря на то, что диоды Ганна генерируют колебания СВЧ даже
при отсутствии колебательной системы, на практике их
устанавливают в резонаторы. В результате частота колебаний
автогенератора оказывается равной резонансной частоте резонатора
(с учетом реактивных параметров диода). Резонансная частота
колебательной системы может изменяться в пределах ± 40 %.
Применение резонаторов позволяет:
увеличить выходную мощность и КПД автогенератора из-за
возможности обеспечения большой амплитуды напряжения на диоде;
настроить его на требуемую частоту и перестраивать по частоте;
уменьшить уровень высших гармоник в нагрузке;
уменьшить вероятность возбуждения колебаний на частотах,
обусловленных неявными паразитными резонансами.
Существуют различные конструкции генераторов на диодах Ганна: с
волноводными, коаксиальными, волноводно-коаксиальными и
другими резонаторами. Часто выполняют генераторы Ганна в
микрополосковом исполнении.
58

59. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ГЕНЕРАТОРА

iг
Сдин
Lн
Rн
Для обеспечения резонанса на требуемой частоте.
Вн 1 р Lн
соответствует частоте р 1/ LнСдин , где,
Сдин = (3...5) С0 C0 S l - «холодная» емкость диода, диэлектрическая проницаемость полупроводника
арсенида галлия
сопротивление нагрузки, соответствующее максимуму КПД
на частоте генерации
Резонанс в схеме
Rн 1 Gн 20...30 R0
59

60. ТОПОЛОГИЯ ГЕНЕРАТОРА НА ДИОДЕ ГАННА

1
2
3
4
5
Выход
л
л
U0
Сбл
RАП
САП
Характеристики генераторов:
рабочий диапазон частот от единиц до сотен ГГц.
Выходная мощность от десятков мВт до нескольких
Вт в непрерывном режиме.
КПД до 5%.
60