Сверхвысокочастотные диоды

Сверхвысокочастотные диоды (СВЧ-диоды) предназначены для преобразования и обработки сверхвысокочастотных сигналов.

Полупроводниковые СВЧ-диоды применяют в различной радиоэлектронной аппаратуре и измерительной технике СВЧ-диапазона, т.е. на частотах более 300 МГц. Вначале СВЧ-диоды использовали для детектирования и смешения сигналов. Для этих целей применяли точечные диоды, выпрямляющий электрический переход в которых возникал между кристаллом полупроводника и прижимным металлическим электродом в виде заостренной пружинки. Созданные в последнее время новые типы СВЧ-диодов практически целиком заменили детекторные и смесительные диоды. Они дают возможность решать задачи генерации и усиления электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, умножения частоты, модуляции, регулирования, ограничения сигналов и т. п.

СВЧ-диоды, имеющие специфический принцип действия (туннельные и обращенные диоды, лавинно-пролетные диоды, генераторы Ганна), будут рассмотрены далее.

Смесительные диоды

Смесительные диоды осуществляют преобразование СВЧ-сигнала в сигнал промежуточной частоты.

К смесительному диоду подводится сигнал и напряжение от специального генератора – гетеродина. В связи с нелинейностью ВАХ диода происходит образование сигнала разностной (промежуточной) частоты. Дальнейшие усиление входного сигнала осуществляется на этой промежуточной частоте, которая должна быть выше частот, соответствующих низкочастотным избыточным шумам, обратно пропорциональным частоте.

Основным параметром смесительных диодов, определяющим эффективность преобразования входных сигналов высокой частоты в сигналы промежуточной частоты, является параметр L_прб, называемый потери преобразования смесительного диода и равный отношению мощности СВЧ-сигнала на входе диодной камеры к мощности сигнала промежуточной частоты, выделяемой в нагрузке смесительного диода в рабочем режиме [16]:

.

В большинстве приемных устройств СВЧ-диапазона отсутствуют усилители перед смесителем. Поэтому чувствительность всего приемного устройства, возможность различить полезный сигнал на фоне шумов зависят от уровня шумов смесительного диода. Уровень шумов смесительного диода (и других приборов) оценивают шумовым отношением n_ш - отношением номинальной мощности шумов диода в рабочем режиме к номинальной мощности тепловых шумов соответствующего активного сопротивления при той же температуре и одинаковой полосе частот.

Другим примером, характеризующим шумы смесительного диода и других приборов и систем, является коэффициент шума – отношение мощности шумов на выходе к той ее части, которая вызвана тепловыми шумами источника сигнала:

.

Одним из вспомогательных параметров смесительных диодов служит выпрямленный ток I_впр – постоянная составляющая тока, протекающая в выходной цепи диода в рабочем режиме. Этот параметр используется для контроля исправности смесительного диода и гетеродина приемника, от которого на смесительный диод подается определенная мощность СВЧ-колебаний определенной частоты.

Другим вспомогательным параметром является коэффициент стоячей волны по напряжению СВЧ-диода К_ст – коэффициент стоячей волны по напряжению в передающей линии СВЧ, когда она нагружена на определенную диодную камеру с СВЧ-диодом в рабочем режиме. Чем лучше согласовано входное сопротивление камеры (с диодом) с волновым сопротивлением тракта, тем меньше коэффициент стоячей волны по напряжению и потери принимаемого сигнала.

Для обеспечения необходимых частотных свойств СВЧ-диодов целесообразно подавление инжекции неосновных носителей заряда через выпрямляющий переход в базу, малое время жизни неосновных носителей в базе и малое значение постоянной времени перезаряда барьерной емкости, т. е. малые барьерная емкость выпрямляющего перехода и сопротивление базы, которое должно быть малым и для уменьшения потерь мощности в диоде.

Пробивное напряжение, хотя оно и не является параметром СВЧ-диодов, должно быть большое. Во-первых, это необходимо для предотвращения детектирования на обратной ветви ВАХ тока от гетеродина, который выдает переменное напряжение с относительно большой амплитудой. Во-вторых, это необходимо для повышения надежности СВЧ-диода, так как на вход радиоприемных устройств могут попадать посторонние радиоимпульсы большой мощности. Для обеспечения достаточных значений пробивного напряжения, а также для уменьшения барьерной емкости концентрация примеси в базе около выпрямляющего электрического перехода должна быть малой, что противоречит требованию малости сопротивления базы.

Для повышения надежности СВЧ-диодов пробой их должен быть лавинным, а не тепловым, который происходит с неизбежным шнурованием тока.

Отсюда следует, что исходный полупроводниковый материал для СВЧ-диодов должен иметь большую ширину запрещенной зоны, малое время жизни неосновных носителей заряда и большую подвижность основных носителей заряда, т.е. при заданной концентрации примеси он должен иметь меньшее удельное сопротивление. Таким материалом, в частности, является арсенид галлия.

В качестве смесительных СВЧ-диодов наиболее широкое распространение в последние время получили диоды Шоттки. Выпрямляющий электрический переход этих диодов формируют путем напыления металла на поверхность высокоомного эпитаксиального слоя арсенида галлия с использованием фотолитографии.

Размеры выпрямляющего перехода зависят от частоты, на которой должен работать диод. Для очень высоких частот (в десятки и сотни гигагерц, что соответствует миллиметровому диапазону длин волн) с целью уменьшения барьерной емкости необходимо уменьшение диаметра перехода Шоттки до 2..3 мкм. Такие размеры оказываются предельными для обычной фотолитографии, в частности, из-за подтравливания защитного слоя диоксида под маской фоторезиста при химическом травлении окон в слое диоксида. Для устранения этого явления используют методы ионно-плазменного травления.

Кроме того, при очень высоких частотах сказывается скин-эффект в металлическом контакте, образующем переход Шоттки. Поэтому с целью увеличения отношения периметра перехода к его площади необходимо создать кольцевые, полосковые, крестообразные или эллиптические переходы. Для сохранения малой площади перехода, имеющего сложную конфигурацию, ширина кольца, полосок и т.д. должна быть мала (около 1 мкм). Метод фотолитографии при этом оказывается неприемлемым. Здесь используют методы рентгенолитографии и электронно-лучевые методы литографии, которые имеют значительно большую разрешающую способность.

Для удобства включения в соответствующие элементы и цепи СВЧ (например, волноводные и коаксиальные линии передач) СВЧ-диоды оформляют в корпусах различной конструкции.

В миллиметровом диапазоне волн используют преимущественно диоды волноводной конструкции, т.е. волноводные вставки, которые и являются своеобразными корпусами СВЧ-диодов. Для полосковых линий и для интегральных СВЧ-микросхем используют либо диоды в миниатюрных корпусах, либо бескорпусные СВЧ-диоды, поверхность полупроводникового кристалла которых защищена только пленкой диоксида.

Конструкция корпуса СВЧ-диода может существенно влиять на его частотные свойства. Для уменьшения этого влияния электрическая емкость корпуса и индуктивность внешних и внутренних выводов должны быть минимальными. Металлические детали СВЧ-диодов обычно покрывают тонким слоем серебра и золота, обеспечивая тем самым минимальное их сопротивление, надежность их контакта с внешними цепями и защиту от коррозии.

Детекторные диоды

Детекторный полупроводниковый диод предназначен для детектирования сигнала.

При детектировании используется выпрямляющее свойство диода для выделения из модулированных по амплитуде ВЧ- или СВЧ-колебаний сигнала более низкой частоты, который потом поступает на вход усилителя.

Одним из основных параметров детекторных СВЧ-диодов является чувствительность по току b₁ – отношение приращения выпрямленного тока при заданной нагрузке в выходной цепи диода к мощности СВЧ-сигнала, подводимой ко входу диодной камеры с детекторным диодом в рабочем режиме и вызвавшей это приращение [16].

В области прямых смещений чувствительность по току может быть представлена в виде:

,

где – дифференциальное сопротивление прямосмещенного диода;

R_s – сопротивление базы и контактов;

С – зарядная емкость диода.

С увеличением температуры и частоты чувствительность уменьшается. Для снижения инерционности необходимо уменьшать зарядную емкость и омическое сопротивление R_s.

Чувствительность по току детекторного диода зависит от постоянного прямого тока смещения. Наибольшие значения чувствительности по току обычно получаются при прямом токе смещения в несколько десятков микроампер, но при выборе тока смещения необходимо учитывать его влияние и на другие параметры.

Обобщенным параметром детекторного диода, учитывающим различные свойства диода и следующего за ним усилителя (видеоусилителя), является коэффициент качества детекторного диода, который характеризует чувствительность приемного устройства с детекторным диодом и определяется по формуле:

,

где r_диф – дифференциальное сопротивление диода при определенном положительном смещении; n_m – шумовое отношение СВЧ-диода; r_ш – эквивалентное шумовое сопротивление видеоусилителя, которое обычно принимают при расчетах равным 1 кОм.

Лучшие детекторные СВЧ-диоды имеют коэффициент качества более 100 Вт^–1/2. К таким диодам можно отнести, например, диоды Шоттки с планарно-эпитаксиальной структурой на основе арсенида галлия, предназначенные для детектирования в сантиметровом диапазоне длин волн.