ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН

ЛЕКЦИЯ 7

(Генераторные и управляющие диоды)

Системы миллиметрового диапазона в настоящее время ши­роко используются в самых различных областях науки и тех­ники — в линиях связи (волноводных, радиорелейных и спутни­ковых), радиоастрономии, метеорологии, в прецизионной лока­ции и навигации, приводных и обзорных РЛС для воздушного, морского и речного транспорта, в атомной физике и химической технологии, для контроля загрязнения окружающей среды.

В последние годы активно создаются полностью твердо­тельные системы миллиметрового диапазона на новых типах полупроводниковых приборов, обладающие такими преиму­ществами как малые габариты, низкое рабочее напряжение, малое энергопотребление и относительно низкая стоимость. Эти разработки в свою очередь стимулируют научно-исследо- в.ательские и опытно-конструкторские работы по созданию ге­нераторных, усилительных, частотнопреобразователыных и уп­равляющих приборов миллиметрового диапазона волн.

Известно, что полупроводниковые диоды диапазона СВЧ и связанные с ними цепи могут выполнять различные радиотех­нические функции. Они могут генерировать, усиливать, де­тектировать, модулировать, переключать и ограничивать СВЧ сигналы, а также генерировать гармоники сигналов и, наконец, смешивать сигналы. По-видимому, одним из удобных путей описания свойств и применений СВЧ полупроводниковых при­боров является разделение их на функциональные группы. Если исходить из самых общих соображений, то очевидны четыре основных функции, а именно: генерирование энергии, преобразо­вание, управление и усиление. Сразу отметим, что отдельные типы полупроводниковых диодов иногда относятся к несколь­ким функциональным группам, например, лавинно-пролетные диоды (ЛПД) и диоды с междолинным перебросом электронов (диоды Ганна), диоды с барьером Шотки. Рассмотрим основные достижения в развитии приборов этих функциональных групп в миллиметровом диапазоне.

ГЕНЕРАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ

Основными твердотельными генераторными приборами в диапазоне 30—150 Ггц являются автогенераторы на ЛПД и диодах Ганна.

Лавинно-пролетные диоды. Эффект генерирования СВЧ ко­лебаний ЛПД с динамическим отрицательным сопротивлением на частотах диапазона СВЧ основан на использовании ударной ионизации в обратносмещенном

p-n-переходе. Возникающий при этом поток носителей заряда взаимодействует с ВЧ полем в некотором пролетном пространстве (или двух пространствах), которым в данном случае является часть запорного слоя

р-п- перехода. Теоретически этот эффект впервые был предсказан Ридом в 1957 г. Экспериментально явление когерентной ге­нерации СВЧ-колебаний при лавинном пробое германиевых плоскостных диодов было обнаружено А. С. Тагером с сотруд­никами в 1959 г.

Лавинно-пролетные диоды миллиметрового диапазона изго­товляются на основе кремния и арсенида галлия. До недавнего времени были более распространены кремниевые приборы со- структурой р⁺-п-п^+:

(ЛПД /n-типа) с одним пролетным прост­ранством. Сейчас широко выпускаются кремниевые ЛПД с улучшенными характеристиками со структурой р⁺-р-п-n⁺ (с двумя пролетными пространствами).

Остановимся на некоторых характеристиках ЛПД, опреде­ляющих их работу в генераторах миллиметрового диапазона, причем для примера ограничимся обычными кремниевыми ЛПД n-типа.

Рабочий диапазон частот ЛПД определяется временем про­лета электронов и дырок через запорный слой. Поскольку тол­щина последнего зависит от пробивного напряжения, то можно получить простое соотношение между рабочим напряжением и частотой генерации:

Upaб = 480(f)^-0,75

где Uраб— в В, а f— в ГГц.

Можно записать также простое соотношение для оценки ве­личины рабочего тока Iраб при заданной температуре р-n-пе­рехода:

UрабIраб= 32(f)^-0,5 при ΔT_пер=175°С

где Iраб — в А, а f — в ГГц.

Выходная мощность ЛПД и его к. п. д. существенно зависят
от температуры р-n-перехода (рис. 1). Кроме того, температу-
рой перехода в основном определяется и срок службы ЛПД.
Как показали исследования специалистов американской фирмы
Hughes, среднее время наработки на отказ выражается соот-
ношением

τ= τ₀exp(E_a/kt)

τ₀=1/6*10^-11 ч

E_a=1,6 эВ- энергия активации

Т.о. для температуры перехода, равной 200⁰ C, τ=2*10⁶ ч.

Диоды на эффекте Ганна. В 1963 г. Ганном был обна­ружен эффект генерации СВЧ-колебаний при приложении к арсениду галлия постоянного напряжения, величина которого превышает определенную пороговую величину порядка несколь­ких тысяч вольт на сантиметр. Причем в полупроводнике в от­личие от ЛПД не содержится р-n-переходов, на нем создаются только невыпрямляющие контакты. Эти колебания связаны с объемным эффектом возникновения доменов сильного поля в полупроводнике, при котором возникает высокочастотная неус­тойчивость (отрицательное дифференциальное удельное сопро­тивление) .

Теоретически подобный эффект был несколько ранее пред­сказан Ридли и Уоткинсом и Хилсумом; он основы­вается на механизме междолинного перехода электронов из нижнего минимума зоны проводимости полупроводника в бо­лее высокие побочные минимумы в многодолинном полупровод­нике (арсенид галлия, фосфид индия и т. п.). Необходимую для этого перехода энергию электроны получают от внешнего электрического поля.

Особый интерес для миллиметрового диапазона представ­ляет предложенный Коуплендом режим ОНОЗ (режим ограниченного накопления объемного заряда), поскольку при этом режиме отсутствуют ограничения, вызываемые време­нем пролета. Для предотвращения образования домена в ре­жиме ОНОЗ требуется арсенид галлия высокой однородности, для которого значения n/f лежат в пределах:

2*10⁴(n/f)2*10⁵см^-3/Гц.

Произведение мощности на импеданс для режима ОНОЗ почти не зависит от рабочей частоты, в то время как для боль­шинства других генераторов оно убывает обратно пропорцио­нально квадрату частоты.

Современный лабораторный уровень разработки диодов Ганна м.б. охарактеризован следующими цифрами: