|
| |
|
Слаботочка Книги ние р-п- структуры г+ становится чисто активным и близким к величине г (рис. 1.13,в). Следует учитывать, что при положительных и отрицательных напряжениях из-за известных эффектов модуляции сопротивления полупроводника и ширины р-п перехода сопротивления г+ и г могут заметно отличаться друг от друга [15, 19-21]: обычно ч+ лежит в пределах от десятых долей до единиц ом. Г- - от единиц до 10-20 ом (большие значения г -для ограничительных диодов при нулевом смещении). Условимся управляющие напряжения, постоянные или импульсные, подаваемые на диод от внешних источников, называть также напряжениями смещения или просто смещениями: положительными (или прямыми) и отрицательными (или обратными). Рассмотрим p-i-n структуру. Она представляет собой трехслойный полупроводник, в котором между тонкими низкоомными (с большой концентрацией примесей) р- и п-слоями расположен промежзточный высокоомный г-слой чистого полупроводника, не содержащего в отличие от р-п перехода объемного заряда. Толщина г-слоя на 1-3 порядка больше толщины р-п перехода и составляет 0,02-0,5 мм, поэтому емкость, создаваемая им, получается малой даже при относительно большой площади структуры и практически не зависит от смещения. Однако характер изменения импеданса p-i-n диода при различных смещениях аналогичен р-п диоду, т. ё. эквивалентная схема p-i-n дпода при этих смещениях соответствует рис. 1.13. Рассмотренные отличия р-п и p-i-n структур обусловливают и существенно отличные переключательные свойства этих диодов, сводящиеся, главным образом, к различию в рабочем уровне мощности и в быстродействии. У p-i-n диодов мощность Римакс На несколько порядков выше, чем у р-п диодов, но вместе с тем и значительно меньшее быстродействие, характеризуемое временем переключения, т. е. временем перехода из одного состояния в другое (время установления ty, время восстановления ta) при воздействии управляющего сигнала. Различие в уровне "и макс объясняется значительно большим объемом p-i-n структуры (при одной и той же величине емкости диода объем p-i-n структуры на 3-4 порядка больше объема р-п структуры), а меньшее быстродействие обусловлено накоплением в г-слое большого заряда неосновных носителей, время рассасывания которых до-  статочно велико [15-17, 19]. Чем тоньше /-слой, тем меньше U, но к тем меньше рабочая мощность, т. к. при этом уменьшается объем p-i-n диода. Для ускорения процесса рассасывания накопленных в /-слое электронов и дырок, инжектированных туда при подаче импульса прямого смещения, т. е. для уменьшения времени /в, на p-i-n диод необходимо подавать обратное смещение непосредственно после импульса прямого. Таким способом /в можно уменьшить более, чем на порядок (рис. 1.14). ,( Величина у p-i-n i диодов с различной тол-I щиной /-слоя (десятки мкм - так называемые 5 «тонкие» p-i-n диоды, де- \ сятые доли мм - «тол- ; стые» р-/-п-диоды) лежит в пределах от единиц до ; десятков мксек без обратного смещения и от сотых долей до единиц мксек - с обратным сме-ь щением. У р-п-диодов значения /в при отсутствии и 1 подаче обратного смещения не превышают, как правило, десятков и единиц нсек соответственно. Время установления (/у) переключательных диодов обычно на порядок меньше величины 4 без обратного смещения. Времена /в и /у определяются продолжительностью изменения потерь выключателя с диодом (от Lgan до Lnp или наоборот) от момента подачи управляющего напряжения с крутым фронтом до момента достижения заданного уровня устанавливающегося вида потерь: Lnp= = 1,1 Lap уст, /-330 = 0,9 Laan уст, ГДб /-пруст, /-запуст - уСТЗ- новившиеся значения потерь [15, 18]. Сейчас используются и другие способы определения /у и /в [15, 21, 22]. Для переключательных диодов характерны следующие напряжения смещения: прямые - 0,5-1,5 в, обратные - единицы и десятки вольт - для р-п диодов, десятки и сотни вольт - для р4-п диодов. Токи прямого смещения- десятки и сотни миллиампер. т [/о,В Рнс. 1.14. Характер завнснмостн времени восстановления p-i-n диода от обратного смещения, подводимого после прекращения прямого. Максимально допустимый рабочий уровень импульсной и средней мощности переключательных диодов характеризуется обычно падающей импульсной мощностью Римакс и средней, поглощенной (рассеиваемой) в диоде, мощностью Ррас макс Первзя ограничивается, как правило, величиной напряжения пробоя диода U„p (максимально допустимое обратное напряжение) при работе последнего с нулевым или обратным смещением, вторая- допустимой температурой разогрева полупроводника. Для р-п диодов на см волнах значения Римакс (при обратном смещении) И л рас макс обычно не превосходят десятков и десятых долей ватта соответственно, у p-i-n диодов эти мощности достигают соответственно десятков киловатт и единиц ватт. При работе с прямым смещением на см и мм волнах максимальные значения как непрерывной, так и импульсной мощности на порядок и более возрастают по сравнению с режимом обратного смещения и практически целиком определяются величиной Ррас макс, ТЭК кзк при прямом смещении величина [/пр уже не играет роли из-за влияния накопленного заряда неосновных носителей (мало сопротивление диода и мало напряжение на нем) {15, 20, 22]. Поглощенная мощность может быть рассчитана через потери Lnp или Lgan [15] Ррас - 2Рср (VLnp.aan- 1) /Lnpaan, (1.2) где Pep - средняя мощность, падающая на вход выключателя или ограничителя. Заметим, что эта формула выведена в предположении, что эквивалентный импеданс, создаваемый диодом (и связанными с ним настроечными элементами) в линии передачи, активен. Пользуясь (1.2), можно также определить максимально допустимое значение Рсрмакс. если задана Ррас макс- Например, если Ррас макс =0,5 вТ, 1зап = 20 дб, ТО Рсрмакс = 2,8 вТ. Одним из наиболее важных параметров переключательного диода (выключателя) является его качество [15, 16, 18, 19, 22] К/- = lKCVr =(i/L,., - mVLp - I). (1.3) Это обобщенный параметр диода, характеризующий возможные значения потерь Lnp и Lgan на той или иной частоте. Различные типы переключательных диодов на см 66 и длинных м волнах имеют /Сд= 150-1000 (у лучщих современных диодов /Сд достигает нескольких тысяч). Часто в качестве обобщенного параметра переключательного диода используют так называемую критическую частоту (частоту, на которой /Сд=1) (1.4) 05,5 зависящую только от параметров диода и не зависящую от рабочей частоты. Емкость С переключательных диодов см волн лежит в пределах от сотых до десятых долей пикофарад. Конструктивно большинство переключательных диодов выпускают в керамическом корпусе(патроне), имеющем два металлических вывода (ниппеля) для подключения к элементам СВЧ устройства (рис. 1.15) [15- 21]. Внутри корпуса заключена полупроводниковая структура, соединенная сего ниппелями. Керамика патро-  Рнс. 1.15. Пример конструкции (а) и общин вид (б) полупроводниковых диодов в типичных миниатюрных корпусах: / - ленточный вывод: 2 - полупроводниковая структура; 3-кепа-  на и элементы Ниппелей Создают некоторую-емкость Ск, называемую емкостью корпуса (патрона), а проволочка или ленточка, соединяющая полупроводниковую структуру с ниппелем, и сами ниппели представляют собой некоторую индуктивность Z-K, называемую индуктивностью корпуса. В большинстве случаев в см диапазоне волн Ск и Lif можно рассматривать как сосредоточенные эквивалентные емкость и индуктивность (рис. 1.13). Учитывая малые размеры современных корпусов диодов, указанное Допущение иногда можно считать приблизительно справедливым и в длинноволновой части мм диапазона. Необходимо подчеркнуть, что реактивные параметры корпуса диода Li;, Ск оказывают большое влияние на характеристики СВЧ устройств см и мм волн и обязатель- но учитываются при проектировании последних. Характерные значения этих параметров для современных миниатюрных диодов: Z-к=0,2-2 нгн, Ск=0,2-ь0,4 пф. Наличие этих реактивностей в общем случае является нежелательным, т. к. они увеличивают частотную зависимость импеданса диода и соответственно уменьшают широкополосность СВЧ устройств с диодами. Поэтому обычно при конструировании диодов стремятся значения Lk, Ск свести :с минимуму, в некоторых случаях, например, в так называемых резонансных диодах, L„ и Ск играют полезную роль, образуя резонансный /контур: последовательный (Lk и С на рис. 1.13,6) или параллельный (Lk и Ск на рис. 1.13,а) [15]. Такой резонансный диод, помещенный в волновод с соответствующей размеру диода высотой узкой стенки, создает готовый выключатель (см. рис. 1.18,а). Для исключения реактивностей L,,, Ск некоторые типы «толсты.х» p-i-n диодов выпускают без корпуса в виде таблетки, которая впаивается в полосковую линию, между гребнями Я-волновода или в узкую резонансную диафрагму волновода [15,16-18]. Распространенным вариантом бескорпусного p-i-n диода является n-i-p-i-n структура, представляющая собой две сложенные одноименными электродами p-i-n структуры с тонким проволочным выводом от обш.его электрода для подачи управляющего напряжения (рис. 1.16). Наконец, следует упомянуть также о монолитной конструкции p-i-n диодов фирмы Unitrode (США) [28], в которой p-i-n структура, выводы от нее и стеклянная оболочка монолитно опаяны между собой. Такая конструкция обладает высокой ме- с: о m Н § Я" S S се а, В" 2 ч а <и а> а 3 о. S я а, я С5 I о." сч, оосооооооо оооо - <м о - о о о о - о - о ь- о 1 о - ( \11 о о о сгз CD со ю о о >Г S = I 1 оошоооооюоо СОЮ1.О1--ЮЮ00Ю - 777 СГ100Ю0000 <N Ю C-I I I I Ю Ю t- 00 CD р о о" о о р I I I ю ю ю - <м CS ю со -- - о о о - о о > о о о с с s с с 4. i. i. с с Ci. Ci. ь. с -i -л -Л -i -Л 4 i. с с с 3 о. £ 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 |