Сверхвысокочастотные диоды

В технике сверхвысоких частот (для работы в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн) применяются особые германиевые и кремневые сверхвысокочастотные диоды (СВЧ диоды). По своему назначению СВЧ диоды делятся на видео детекторные, предназна-чены для детектирования СВЧ колебаний, переключательные, пред-назначенные для применения в устройствах управления уровнем СВЧ мощности, параметрические, предназначенные для примене-ния в параметрических усилителях СВЧ колебаний, и преобразова-тельные. В свою очередь, преобразовательные диоды, в которых ис-пользуется нелинейность вольтамперной характеристики перехода, делят на смесительные, используемые для преобразования СВЧ сигнала и сигнала гетеродина в сигнал промежуточной частоты, ум-ножительные, используемые для умножения частоты СВЧ сигнала, и модуляторные, используемые для модулирования амплитуды СВЧ сигнала.

В СВЧ диодах обычно используется точечный контакт. Переход в таких диодах не формуется. Выпрямляющий контакт осуществля-ется простым прижимом к полированной поверхности полупровод-ника острия металлического контактной пружины. Эти диоды изго-товляются из очень низкоомного материала (время жизни носителей заряда мало) и имеют весьма малый радиус точечного контакта (2-3 мкм), что обеспечивает хорошие высокочастотные свойства. Однако напряжение пробоя СВЧ диодов очень низкое (всего 3-5 В), а пря-мое напряжение относительно высокое. Обратный ток у них хотя и мал, но начинает возрастать практически с нуля за счет туннельного эффекта носителей через переход (рис.1).

Конструкция СВЧ диодов обычно приспособлена к сочленению с элементами коаксиального или волноводного тракта, с измерительными головками и другими деталями системы СВЧ. В длинноволновом участке СВЧ диапазона (3-10 см) основными типами корпуса являются металлокерамический или металлостеклянный патронного типа. В диапазоне волн 1-3 см габариты и емкость этих корпусов становятся недопустимо большими, и поэтому выпрямляющий контакт монтируется в корпу-се коаксиального типа. В диапазоне миллиметровых волн использу-ются волноводную конструкцию.

Помимо длинны волны, на которой СВЧ диоды имеют парамет-ры, гарантированные нормами технического задания и максимально допустимых данных, СВЧ диоды также характеризуются электриче-скими параметрами, отражающими основное значение. Так, смеси-тельные СВЧ диоды характеризуют потерями преобразования (от-ношение мощности СВЧ на входе к мощности промежуточной час-тоты на выходе диода), шумовым отношением (отношение мощно-сти шумов на выходе диода в рабочем режиме к мощности тепловых шумов активного сопротивлению диода), нормированным коэффи-циентом шума, характеризующим обобщенную чувствительность приемного устройства, и дифференциальным выходным сопротив-лением. В ряде случаев электрический параметр определяет не толь-ко свойства самого СВЧ диода, но и свойства конкретного СВЧ уст-ройства, в котором установлен данный диод.

Следует иметь в виду, что мощность, при которой происходит "выгорание" диода, сопровождающееся необратимыми ухудшения-ми вольтамперной характеристики или пробоем, весьма мала. По-этому необходимо исключить всякие непредусмотренные воздейст-вия и принять нужные меры защиты как при работе, так и при хра-нении СВЧ диода (например, недопустим разряд через диод стати-ческого электричества, накопленного на теле оператора; хранение диода в металлическом патроне и др.).

В устройствах миллиметрового диапазона волн (особенно инте-гральных) для построения мощных СВЧ усилителей широко приме-няют лавинно-пролетные диоды, а для построения СВЧ генераторов диоды Ганна. В этих диодах используется явление ограничения подвижности электронов в электрических полях с напряженностью выше критической, и в их вольтамперных характеристиках имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Ла-винно-пролетные диоды работают в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода. В диодах Ганна (в структуре этих приборов нет выпрямляющего пе-рехода) используется эффект возникновения электрических колеба-ний в пластине из арсенида галлия при приложении к ней постоян-ного напряжения, создающего электрическое поле с напряженно-стью более 105 В/м.

Выпускаемые промышленностью лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна рассчитаны на выходную СВЧ мощность в непре-рывном режиме в несколько десятков милливатт. В импульсном ре-жиме эта мощность может быть повышена на несколько порядков. Для увеличения выходной мощности нужны лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна с большей площадью электронно-дырочного перехода и большей площадью тонкой пленки полупро-водника. При этом они должны быть однородны не только по тол-щине, но и по площади.

Рабочие частоты современных кремниевых СВЧ диодов при-ближаются уже к теоретическому пределу. Поэтому, чтобы еще улучшить частотные свойства, нужно использовать другой матери-ал, а также разрабатывать полупроводниковые приборы с другим принципом действия.

Список литературы

1. Ю. В. Виноградов, "Электронные приборы".

2. Справочник по электротехническим материалам том 3.

3. Справочник "Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы" 2-е изд., стереотипное: под ред. А. В. Голомедова. - М.: КубК-а, 1997. - 592 с.