|
| |
|
Слаботочка Книги 2.2. Попупроводнйковые смесительные Диоды 2.2.1. Разновидности полупроводниковых структур смесительных диодов и особенности их электрических свойств В качестве нелинейного сопротивления смесительных диодов используют полупроводниковые структуры двух типов: контакт металл - полупроводник и р-п переход (о структуре последнего см. п. 1.3.2,а).-Первые для смесительных диодов используют наиболее широко. Суше-ствуют две разновидности диодов с контактом металл - полупроводник, отличающиеся методом создания этого контакта и электрическими характеристиками: точечно-контактные диоды (ТКД) и так называемые диоды с барьером Шоттки (ДБШ) [2-4, 8, 9, 12]. У первых выпрямляющий (точечный) контакт очень малого диаметра (от единиц до -10-15 мкм) создается прижимом заостренной металлической иглы-пружинки (чаще всего вольфрамовой) к повер.хности полупроводника. ДБШ имеют плоский выпрямляющий контакт, образованный напылением слоя металла на поверхность полупроводника через шаблон с отверстием нужного диаметра. На границе раздела металл-полупроводник возникает, как известно [2, 4], узкий запирающий слой (потенциальный барьер) толщиной ~0,1 мкм, который и обусловливает нелинейные свойства контакта - зависимость его импеданса от величины и знака приложенного напряжения. Благодаря более совершенной технологии создания контакта граница раздела металл - полупроводник у ДБШ «чище», т. е. содержит меньше неоднородностей, и поэтому ближе к идеальной, чем у ТКД- По этой причине ДБШ обладают не только высокой механической прочностью и воспроизводимостью параметров, но и лучшими электрическими характеристиками: большим напряжением пробоя С/пр, более крутой вольт-амперной характеристикой (рис. 2.2) и меньшим сопротивлением потерь. В результате ДБШ имеют в ряде случаев большую электрическую прочность (мощность выгорания) и обеспечивают меньший, чем ТКД, коэффициент шума смесителя (на -0,52 дб[Щ), особенно на мм и коротких см волнах. С другой стороны, следует учитывать, что для достижения минимального коэффициента шума ДБШ требуют большей мощности гетеродина, чем ТКД (из-за большей величины контактной разности потенциалов). В качестве смесительных диодов с р-п переходом на см и более длинных волнах используют разновидность туннельных диодов (ТД) *) -обращенные туннель- 1,ма Рис. 2.2. Вольтамперные характеристики смесительных диодов: / - ТКД из кремния; 2 - ДБШ из арсени-да галлия; 3 - ОД из германия.  ные диоды (ОД) [8-10]. В отличие от туннельных диодов од имеют очень маленькую величину пикового тока на прямой ветви вольт-амперной характеристики и крутую обратную ветвь, которая и используется в качестве рабочей (рис. 2.2). Такая форА4а вольт-амперной характеристики ОД достигается подбором определенного удельного сопротивления (концентрации примеси) полупроводника. Высокая крутизна вольт-амперной характеристики од вблизи начала координат позволяет работать при малой мощности Рг порядка 0,1-0,2 мет без напряжения смещения, что значительно меньше, че?»1 требуется для ТКД и, тем более, для ДБШ. * ТД тоже пригодны для создания смесителей, однако в настоящее время их параметры таковы, что использование таких смесителей может быть целесообразным, главным образом, на дециметровых и более длинных волнах [ 0]. Другим весьма важным достоинством ОД является низкий уровень l/f-шума. Известно, что всем полупроводниковым приборам свойствен так называемый 1 -шум (низкочастотный, или фликкер-шум), мощность составляющих спектра которого приблизительно обратно пропорциональна частоте 12, 4, 8]. Влияние этого источника шума диода на его общий шум по ПЧ сказывается при /пч<1 Мгц и тем сильнее, чем ниже /пч- В приемниках допплеровских РЛС [13,14] с низкой/пч, в которых выделение допплеровского сдвига частоты принимаемого сигнала происходит непосредственно в смесителе, величина /пч может быть от десятков герц до десятков килогерц, т. е. находится в диапазоне частот, где уровень 1 -шума диода особенно велик и преобладает над другими источниками шума смесителя. В этом случае коэффициент шума последнего в значительной степени определяется уровнем 1 -шума. Из-за весьма низкого удельного сопротивления полупроводникового материала ОД уровень его 1 -шума существенно меньше, чем у ТК.Д, благодаря чему коэффициент шума смесителя с низкой / пч уменьшается на 15-20 дб по сравнению с ТКД ПО, 15]. Поэтому для приемников с низкой /пч до появления ДБШ обращенный диод был наилучшим типом смесительного диода. Другими положительными качествами ОД являются также слабая зависимость его параметров от изменения окружающей температуры (при окр = -50°-ь--80°С практически не наблюдается изменений) и устойчивость к воздействию ядерной радиации [10]. Вместе с тем следует иметь в виду, что при работе ОД с малой Рт получающийся при этом динамический диапазон N будет меньше, чем с ТКД и тем более с ДБШ. Кроме того, из-за малого напряжения пробоя ОД имеют более низкую электрическую прочность. Существуют также значительные технологические трудности по созданию ОД для работы на коротких см волнах. Электрические параметры ОД, а также особенности расчета и проектирования смесителей на ОД подробно описаны в книге [10]. Учитывая все это, а также то обстоятельство, что ОД не получили распространения в коротковолновых диапазонах СВЧ и не имеют преимуществ перед ДБШ по Величине 1 -шума, они далее в книге не рассматриваются. Одновременно следует подчеркнуть, что, как показали экспериментальные исследования (16], величина 1 -шума \у кремниевых ДБШ сравнима, а зачастую даже нике, чем ОД. Это расширяет область применения ДБШ и увеличивает их преимущества по сравнению с ТКД и ОД. 2.2 2. Эквивалентная схема и конструкции диодов Эквивалентная схема всех разновидностей смесительных диодов с учетом реактивных элементов корпуса соответствует рис. 1.13,а (описание этой схемы см. в п. 1.3.2,а). Единственным полезным для работы смесителя элементом этой схемы является нелинейное сопротивление запирающего (барьерного) слоя R. Остальные ее элементы паразитные: сопротивление потерь г и барьерная емкость С приводят к потере мощности преобразуемого сигнала, индуктивность и емкость корпуса диода (Lk, Ск) увеличивают частотную зависимость импеданса диода и, следовательно, ограничивают широкополосность смесителя. Значения параметров эквивалентной схемы различных типов диодов, предназначенных для работы в диапазонах см и мм волн, лежат в следующих пределах: R - ot килоомов или мегомов при отрицательных напряжениях практически до нуля при прямых токах порядка 100 ма, г -от единиц до 10-20 ом, С-0,02-0,7 пф при нулевом смещении, Lk~0,2-5 нгн, Ск~0,2-0,4 пф (максимальные г и минимальные С соответствуют коротким мм волнам). Все ТКД выпускаются в корпусах трех типов: керамическом (или патронном), коаксиальном и волновод-ном (рис. 2.3). Диоды патронного типа используют пасм и более длинных волнах, коаксиальную конструкцию применяют на коротких см и длинных мм волнах, зол-новодную конструкцию - во всем мм диапазоне. Существуют две разновидности коаксиальйого корпуса: со специальным выводом постоянного тока и ПЧ (трипо-лярная конструкция, рис. 2.3,6 [19]) и без него [8, 9]. Для конструирования балансных смесителей, как будет видно из дальнейшего, первая значительно удобнее втО-, рой. Ряд промышленных типов диодов патронной конструкции выпускается с двоякой полярностью выводов корпуса: так называемой прямой полярности (головка диода -анод, штырь -катод) и обратной. Их конструкции внешне одинаковы и отличаются только взаимно противоположным расположением мест крепления Кристалла полупроводника и контактной пружины- На-    Рис. 2.3. Внешний вид и устройство типичных смесительных ТКД в керамическом (а), коаксиальном три-полярном (б) и волновод-ном (б) корпусах: / - кристалл полупроводника; 2 - контактная пружина; 3 - керамическая трубка; 4 - металлические штырь и головка лиода для соединения с элементами смесительной камеры; 5, 5 - внутренний и наружный проводники коаксиальной линии (СВЧ вход): 7 -опорная шайба; 8 - вывел постоянного тока и промежуточной частоты; 9 -диэлектрик-изолятор и конструктивная емкость для создания короткого замыкания на корпус токам СВЧ; 10 - СВЧ дроссель того же назначения, что и 9; II - прямоугольный волновод; /2 - присоединительный фланец волновода; 13 защитная слюдяная прокладка. личие диодов прямой и обратной полярности, как будет видно ниже, существенно упрощает конструкцию балансных смесителей. Такие диоды обычно выпускают в виде •разнополярных подобранных пар с нормированным и небольшим разбросом параметров диодов в паре. В отличие от диода патронного типа, не содержащего отрезка линии передачи, диод коаксиальной конструкции представляет собой отрезок коаксиальной линии {W j=i65 ом), нагруженный на импеданс выпрямляющего контакта. Элементы конструкции подобраны так, что входной импеданс коаксиальной линии диода приблизи-  Рис. 2.4. Конструкция ТКД типа «волноводная вставка>: / - контакт кристалл-пружина; 2 - волноводныи канал; J -корпус диода (толщина 1,6 мм), вставляемый в разрыв волиоводиого канала смесительной камеры; 4 -вывод постоянного тока и промежуточной частоты; 5-блокировочный конденсатор 2 пф. тельно согласован с нею в широкой полосе частот, являющейся для диода рабочей. Поэтому смесительная камера для таких диодов должна быть выполнена по существу в виде согласованного коаксиально-волновод-ного перехода от коаксиальной линии диода к волноводу стандартного сечения. Диод волноводной конструкции типа изображенного на рис. 2.3,в представляет собой короткозамкнутый отрезок волновода с помещенным туда выпрямляющим контактом, т. е. практически законченную согласованную смесительную камеру, которую можно непосредственно подключать к волноводной схеме смесителя, так как в диоде используется прямоугольный волновод стандартного сечения. Разновидностью диодов волноводной конструкции являются диоды типа волноводная вставка [4, 14, 17-19], выполненные в виде короткого, открытого с двух сторон, отрезка волновода с кристаллом, расположенным в его центре. Интересным вариантом такого диода-вставки, обеспечивающего хорошую возможность его согласования на Что нельзя на новые литые диски. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 [16] 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 |
||||||||||||||