Детектор сверхвысокочастотного излучения

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 23:07, 17 ноября 2016.


Детектор сверхвысокочастотного излучения - устройство способное определять наличие сверхвысокочастотного излучения. В основе конструкции лежат диодные цепи.

Диод Ганна

Диод Ганна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) — тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, а на собственных объёмных свойствах полупроводника.

Традиционно диод Ганна состоит из слоя арсенида галлия толщиной от единиц до сотен микрометров с омическими контактами с обеих сторон. В этом материале в зоне проводимости имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика диода Ганна

Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает — порогового.

В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена он уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой.

При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200—300мВт.

Наряду с арсенидом галлия для изготовления диодов Ганна также используется фосфид индия (до 170 ГГц) и нитрид галлия (GaN) на котором и была достигнута наиболее высокая частота колебаний в диодах Ганна — 3 ТГц.

Лавинно-пролётный диод

Лавинно-пролетный диод (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая полного комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определенном диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролетного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролетного диода является область лавинного пробоя.

Для изготовления лавинно-пролетных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: (m-n — переход металл-полупроводник), и другие.

Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими.

Принцип работы лавинно-пролетного диода рассмотрим на примере структуры. Центральная слаболегированная n-область называется базой.

При напряжении, близком к пробивному, обедненный слой -перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растет от -перехода к переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в -область, а электроны дрейфуют к -области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов.

При подаче на контакты диода переменного напряжения такого, что в течение положительного полупериода напряжение существенно больше, а в течение отрицательного — существенно меньше напряжения пробоя, ток в слое умножения приобретает вид коротких импульсов, максимум которых запаздывает по отношению к максимуму напряжения приблизительно на четверть периода (лавинное запаздывание). Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа в течение отрицательного полупериода, когда процесс генерации электронов в слое умножения прекращается. Движущиеся сгустки наводят во внешней цепи ток, почти постоянный в течение времени пролета. Таким образом, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролетным. КПД этого режима не превышает 0,3.

Если амплитуда переменного напряжения на диоде достигает значения, примерно равного пробивному напряжению, то в лавинной области образуется столь плотный объёмный заряд электронов, что напряжённость поля со стороны -области понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для развития процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Таким образом, в области дрейфа образуется движущаяся в направлении -области лавина, которая оставляет за собой большое количество электронов и дырок. В области, заполненной этими носителями, напряжённость поля понижается почти до нуля. Это состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы лавинно-пролетного диода — режимом с захваченной плазмой.

В этом режиме можно выделить три фазы. Первая — образование лавинного ударного фронта, прохождение его через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через диод в этой фазе, существенно увеличивается из-за дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счет образования плазмы снижается почти до нуля. Вторая фаза — период восстановления. База диода в этой фазе наполнена электронно-дырочной плазмой. Дырки из области базы дрейфуют к -области, а электроны — к -области со скоростью значительно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Плазма постепенно рассасывается. Ток в этой фазе остается неизменным. Наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряженности поля в диоде и предшествующая новому образованию лавинного ударного фронта. Наибольшую длительность имеет именно третья фаза.

Процессы режима с захваченной плазмой протекают заметно дольше, чем процессы пролетного режима. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмой контур настраивают на меньшую частоту. КПД режима с захваченной плазмой при этом заметно выше КПД пролетного режима и превышает 0,5.

Pin диод

PIN-диод — разновидность диода, в котором между областями электронной () и дырочной () проводимости находится собственный (нелегированный, англ. intrinsic) полупроводник (i-область). и области как правило легируются сильно, так как они часто используются для омического контакта к металлу. Широкая нелегированная i-область делает pin-диод плохим выпрямителем (обычное применение для диода), но с другой стороны это позволяет использовать его в аттенюаторах (ослабителях сигнала), быстрых переключателях, фотодетекторах, а также в высоковольтной электронике. Как правило предназначен для работы в сантиметровом диапазоне волн (СВЧ).

Принцип работы

Характерные качества pin-диода проявляются при работе в режиме сильной инжекции, когда i-область заполняется носителями заряда из сильнолегированных и областей, к которым прикладывается прямое смещение напряжения. pin-диод функционально можно сравнить с ведром воды с отверстием сбоку — как только ведро наполняется до уровня отверстия — оно начинает протекать. Точно так же и диод начинает пропускать ток, как только заполнится носителями заряда i-область.

Из-за того, что в i-области очень низкая концентрация носителей заряда, там практически отсутствуют процессы рекомбинации во время инжекции. Но в режиме прямого смещения концентрация носителей заряда на несколько порядков превышает собственную концентрацию.

Характеристики

На низких частотах для pin-диода справедливы те же уравнения, что и для обычного. На высоких частотах pin-диод ведет себя как практически идеальный резистор — его вольт-амперная характеристика (ВАХ) линейна даже для очень большого значения напряжения. На высоких частотах в i-области находится большое количество накопленного заряда, который позволяет диоду работать. На низких частотах заряд в i-области рекомбинирует и диод выключается. Высокочастотное сопротивление обратно пропорционально постоянному току, протекающему через pin-диод. Таким образом, можно варьировать значение сопротивления в широких пределах — от 0.1 Ом до 10КОм — меняя постоянную составляющую тока. Большая ширина i-области также означает, что pin-диод имеет небольшую ёмкость при обратном смещении.

Области пространственного заряда (ОПЗ) в pin-диоде практически полностью находятся в i-области. По сравнению с обычными, pin-диод имеет значительно большую ОПЗ, границы которой незначительно меняются в зависимости от приложенного обратного напряжения. Таким образом увеличивается объем полупроводника, где могут быть образованы электронно дырочные пары под воздействием излучения (например, оптического — фотона). Некоторые фотодетекторы, такие как pin-фотодиоды и фототранзисторы (в которых переход база-коллектор является pin-диодом), используют pin-переход для реализации функции детектирования.

При проектировании pin-диода приходится искать компромисс: с одной стороны, увеличивая величину i-области (а соответственно и количество накопленного заряда) можно добиться резистивного поведения диода на более низких частотах, но с другой стороны, при этом для рекомбинации заряда и перехода в закрытое состояние потребуется большее время. Поэтому как правило pin-диоды каждый раз проектируются под конкретное приложение.

Применение

PIN-диоды как правило используются как переключатели в радио- и СВЧ трактах, аттенюаторы и фотодетекторы. По области применения pin-диоды подразделяют на:

  • смесительные (например: 2А101 — 2А109);
  • детекторные (например: 2А201 — 2А203);
  • параметрические (например: 1А401 — 1А408);
  • переключательные и ограничительные (например 2А503 — 2А524);
  • умножительные и настроечные (например: 2А601 — 2А613);
  • генераторные (3А703, 3А705).

Радиочастотные (РЧ) и СВЧ-переключатели

При нулевом или обратном смещении pin-диод имеет низкую ёмкость. Ёмкость малой величины не пропускает высокочастотный сигнал. При прямом смещении и токе 1мА типичный pin-диод имеет сопротивление порядка 1 Ом, что делает его хорошим проводником в РЧ-тракте. Таким образом, pin-диод может использоваться в качестве хорошего РЧ- и СВЧ-переключателя.

РЧ реле также используются как переключатели, однако с меньшей скоростью (время переключения ~10мс), в то время, как pin-диоды — значительно быстрее (1мс).

Ёмкость выключенного дискретного pin-диода составляет ~1пФ. На частоте 320МГц реактивное сопротивление такой емкости ~500Ом. В системах, рассчитанных на 50 Ом, ослабление сигнала будет около 20дБ, что в некоторых приложениях не достаточно. В приложениях, требующих большей изоляции переключатели каскадируются — каскад из 3-х диодов дает ослабление в 60 дБ.

РЧ и СВЧ управляемые аттенюаторы

Меняя ток через pin-диод можно быстро изменить реактивное сопротивление.

На высоких частотах сопротивление pin-диода обратно пропорционально силе тока. Соответственно, pin-диод может использоваться как управляемый аттенюатор, например, в схемах амплитудных модуляторов и сдвига уровня. pin-диоды могут использоваться, например, как мостовой или шунтирующий резистор в Т-мостовой схеме аттенюатора.

Ограничители

PIN-диоды иногда используются для защиты устройств по входам при высокочастотных измерениях. Если входной сигнал мал и находится в области допустимых значений, то pin-диод как малая ёмкость вносит минимальные искажения. При увеличении сигнала и выходе его за допустимые рамки pin-диод начинает проводить и становится резистором, шунтирующим сигнал на «землю».

См. также