И ограничителя на p- i- n диодах

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Целью работы является ознакомление с принципами действия переключательных и ограничительных p- i- n диодов, а также схем на их основе и измерение их основных характеристик на СВЧ.

2.1. Основные теоретические положения

Для управления СВЧ-мощностью в линии передачи возможно применение полупроводниковых СВЧ-диоды. Управляющее действие таких диодов основано на изменении их сопротивления при изменениях приложенного напряжения смещения или уровня СВЧ-мощности в тракте. Различают управляемые и самоуправляемые устройства на основе СВЧ-диодов.

СВЧ p- i- n диоды широко используются для управления уровнем и фазой СВЧ-сигналов, для коммутации и стабилизации СВЧ-мощности в линиях передач, для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ-импуль-сов. Диоды, предназначеныe для сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов, разделяются на переключательные и ограничительные. Первые применяются в переключательных устройствах, модуляторах, фазовращателях, аттенюаторах, вторые — в устройствах ограничения и управления мощностью, защиты входных приемников. Диоды могут использоваться для тех же целей в герметизированных гибридных модулях.

2.1.1. Переключатель на p- i- n диодах

Переключательными (управляющими) диодами называются диоды, изменяющие свое сопротивление под воздействием напряжения смещения (постоянного или переменного) и тем самым изменяющие условия распространения электромагнитных волн в СВЧ-тракте, в котором они включены. Принцип действия устройств на переключательных диодах легко понять на примере простейших схем, показанных на рис. 2.1.

Если сопротивление диода много меньше сопротивления линии, то реализуется режим пропускания (ослабление мало) для последовательного включения или режим отражения мощности (ослабление велико) для параллельного включения. Если сопротивление диода много больше сопротивления линии, то реализуется режим запирания (ослабление велико) для последовательного включения или режим пропускания (ослабление мало) для параллельного включения. Отметим, что большое ослабление связано с отражением большей части мощности от диода. Устройство, в котором достигаются разные значения ослабления сигнала при изменении управляющего напряжения, носит название полупроводникового СВЧ-переключителя.

Обычно переключающее устройство представляет собой линию передачи с волновым сопротивлением , в которую параллельно включен диод (линия предполагается согласованной с нагрузкой, т. е. ). Если на диод подано обратное напряжение смещения, то в соответствии с вольтамперной характеристикой его сопротивление велико, и он не нарушает условия распространения волн в линии передач. Волна со входа переключателя практически без ослабления проходит на выход (в нагрузку). При прямом смещении – сопротивление диода близко к нулю, и волна почти полностью отражается от диода (линия закорочена диодом). На выход переключателя просачивается лишь незначительная доля входной мощности.

В режимах пропускания и запирания поглощаемая в диоде мощность может быть много меньше падающей мощности, поэтому с помощью сравнительно маломощного диода можно управлять мощными сигналами в линии. Предельная коммутируемая мощность зависит от параметров диода, а именно от предельно допустимой рассеиваемой диодом мощности, пробивного напряжения диода, а также способа включения диода в линию передачи. Параметры диода определяют в значительной степени также ослабление сигнала в переключателе в режимах пропускания и запирания. При этом необходимо учитывать потери, как в сопротивлении полупроводниковой структуры, так и за счет паразитных параметров корпуса и элементов крепления диода в линии. В СВЧ-диапазоне эквивалентное сопротивление, отражающее параметры корпуса, оказывается соизмеримым с сопротивлением диода и линии.

Следовательно, использование полупроводникового диода в качестве переключательного элемента в СВЧ цепях основано на различии характеристик диода при прямом и обратном смещениях. Поэтому в качестве переключательных приборов могут применяться диоды с p– n-переходом, диоды Шоттки, а также структуры МДП. Однако для переключения больших мощностей наибольшее применение нашли специально сконструированные, так называемые p- i- n диоды. Они состоят из сильнолегированных - и - областей, разделенных слоем сравнительно чистого высокоомного материала с концентрацией примеси порядка , близкого по свойствам к собственному - полупроводнику. Толщина высокоомной области составляет от 150 мкм до нескольких микрометров для приборов различной мощности и быстродействия. Емкость таких структур определяется в основном толщиной слоя собственного полупроводника. Ввиду того, что толщина высокоомного слоя относительно велика, удельная емкость p- i- n структур значительно меньше, чем у p– n-переходов. Это позволяет увеличивать площадь структур, а значит, и повышать предельно допустимую рассеиваемую мощность прибора. По этой же причине пробивное напряжение p- i- n структур может составлять от сотни вольт до единицы киловольт.

ВАХ переключательных диодов в целом аналогична ВАХ детекторных диодов (рис. 2.2). В теоретическом рассмотрении для нее в первом приближении справедливы те же соотношения. Однако для переключающих диодов имеется ряд особенностей. Общий вид ВАХ управляющего диода приведен на рис. 2.2. Для сравнения приведена, построенная в тех же осях, ВАХ детекторного диода. Как видно из рисунка, основным отличием ВАХ управляющего диода является более резистивный характер прямой ветви, что вполне логично ввиду наличия низколегированной -области. По этой же причине увеличение прямого тока начинается при больших напряжениях, а пробой наступает позже.

Управление сигналом в СВЧ-схемах характеризуется потерями пропускания (переключатель в состоянии пропускания) и потерями запирания (переключатель в состоянии запирания):

где и – входная и выходная мощности сигнала соответственно. Очевидно, что в схеме параллельного включения переключателя состояние пропускания обеспечивается режимом «диод закрыт», а состояние запирания - «диод открыт». Для схемы последовательного включения соответствующие режимы работы диода обратные. Чем меньше потери пропускания и больше потери запирания, тем совершеннее переключательный диод. Эффективность переключательного устройства характеризуется коэффициентом качества, определяемым по формуле:

где – отношение мощностей в относительных единицах при пропускании и запирании соответственно.

На рис. 2.3 приведен упрощенный вариант исследуемой в работе схемы переключателя с двумя параллельно включенными диодами. Расстояния между каждым из диодов и входом выбираются равными (где – рабочая длина волны в линии), на которой обеспечивается наилучший коэффициент качества переключателя. Это связано с тем, что указанное условие позволяет сфазировать в одном из плеч, работающем в режиме пропускания, сигнал, идущий в него непосредственно со входа с сигналом, отраженным от второго плеча, работающего в режиме запирания. Учитывая, что на практике примерно 10 % мощности отраженного сигнала поступает снова на вход, потери пропускания и запирания для рассматриваемой схемы на основании выражения (2.1) определяются как:

где – выходная мощность в правом плече, работающем в режиме пропускания (правый диод без напряжением); – выходная мощность в левом плече, работающем в режиме запирания (левый диод под напряжением);

где – выходная мощность в правом плече, работающем в режиме запирания (правый диод под напряжением); – выходная мощность в левом плече, работающем в режиме пропускания (левый диод без напряжения).

В качестве переключательных СВЧ-диодов используются в основном p- i- n-структуры. Диоды с большой толщиной i-слоя на СВЧ не являются выпрямителями, но могут быть использованы для управления СВЧ-мощностью в качестве переключательных диодов как при малых уровнях мощности, так и на больших мощностях, достигающих сотен ватт в непрерывном режиме и сотен киловатт в импульсе. При этом мощность управления диодом может быть значительно меньше мощности СВЧ-колебаний в линии передачи, особенно когда нет необходимости в высоком быстродействии выключателя, т. к. в переключателях на основе p- i- n диодов используется принцип отражения, а не поглощения мощности. В самом диоде поглощается очень небольшая часть мощности, что и позволяет даже маломощному прибору управлять относительно большими уровнями мощностями, значительно превышающими его допустимую мощность рассеяния.

Одна из наиболее распространенных структур p- i- n диода показана на рис. 2.4. Основной ее особенностью является наличие между - и -областями полупроводника 1 и 3 с контактами 4 высокоомной области чистого кремния (или германия) 2 с предельно низкой концентрацией примесей (полупроводник с собственной проводимостью -типа). Однако полупроводник действительно -типа, как бы тщательно он не очищался, получить практически невозможно. Поэтому реально p- i- n-структуры – это структуры, в которых -область имеет слабую дырочную проводимость (в случае кремния и обозначается - - ) и слабую электронную проводимость (в случае германия и обозначается - - ). Для изготовления p- i- n диодов чаще используется кремний -типа. Концентрация акцепторов в нем очень мала и составляет , в то время как концентрации доноров в -области и акцепторов в -области может превышать . Площадь -области находится в пределах от долей до единиц квадратного миллиметра при толщине 60…400 мкм. Диоды могут помещаться в корпус, наиболее полно отвечающий включению диода в тот или иной тракт СВЧ, но могут быть и безкорпусными.

Рассмотрим кратко физику процессов, происходящих в p- i- n диоде при переключении. При отсутствии напряжения смещения на границах p- i -и i- n-областей образуются слои пространственного заряда Распределение заряда и электрического поля для этого случая показано на рис. 2.5, а. При подаче запирающего напряжения запорный слой на границе -области расширяется, пока весь -слой не освободится от подвижных носителей, и при некотором напряжении, называемом напряжением смыкания (или прокола), не соединится с запорным слоем на границе -области. Распределение плотности заряда и поля для этого случая показано на рис. 2.5, б. Поскольку -область слаболегированная, то для ее освобождения от подвижных носителей заряда достаточно небольшого обратного (иногда и нулевого) смещения. Таким образом, в режиме смыкания p- i- n диод эквивалентен обычному диоду с очень широким запорный слоем. Моделью такого диода является конденсатор, в котором диэлектриком служит вся -область с прилегающими участками из - и - областей, и такая емкость не зависит от напряжения большем, чем напряжение смыкания. При подаче прямого смещения -область заполняется дырками и электронами, инжектированными из - и -областей, и в ней происходит накопление заряда и возникает твердотельная плазма с высокой проводимостью. Поскольку время жизни носителей в -области достаточно велико из-за малой концентрации рекомбинационных центров, эффект накопления заряда становится причиной нежелательного явления, такого как увеличение времени, необходимого для переключения p- i- n диода из одного режима в другой, что и ограничивает скорость их переключения. Сказанное иллюстрируется рис. 2.6, на котором приведен пример работы переключателя на p- i- n диоде при его переключениях. Пусть напряжение смещения на p- i- n диоде, включенного в цепь СВЧ-генератора, в некоторый момент времени меняется с обратного на прямое. На рис. 2.6 приведены графики изменения напряжения смещения и связанные с ним изменения тока через диод. При обратном смещении ток диода равен тепловому. Сопротивление диода велико и он незначительно влияет на уровень СВЧ-мощности. В момент переключения в цепи диода начнет протекать прямой ток , так как в -область диода будут инжектироваться дырки и электроны. Конечное сопротивление приведет к отражению части мощности. После обратного переключения все подвижные дырки и электроны придут в движение и либо срекомбинируют, либо уйдут соответственно в - и -области. В течение всего этого процесса в цепи диода будет протекать ток в обратном направлении. Время от момента переключения до момента достижения прямым током установившегося значения называют временем включения или временем запаздывания. Время от момента переключения до момента достижения обратным током установившегося значения называют временем восстановления или временем рассасывания. Очевидно, что переключение СВЧ-сигнала происходит с запаздыванием по отношению к моменту переключения напряжения смещения. Эффект накопления заряда, происходящей при переключении напряжения смещения с обратного на прямое, характеризуется временем установления прямого напряжения , которое тем больше, чем толще -область. Для p- i- n диодов с толщиной -области 100…200 мкм время переключения составляет 1…2 мкс, а у мощных диодов с толщиной -области до 400 мкм оно может достигать десятков микросекунд. Для увеличения скорости срабатывания целесообразно использовать диоды с барьером Шоттки, у которых эффект накопления заряда отсутствует. Однако реально оказывается, что время срабатывания, в основном, определяется временем заряда и разряда реактивностей внешней цепи, за счет чего время переключения существенно увеличивается.

2.1.2. Ограничительные диоды

Ограничительные диоды служат для ограничения (стабилизации) уровня мощности в трактах СВЧ и для защиты входных цепей приемников от воздействия мощных СВЧ-сигналов. Назначение ограничительных диодов легко пояснить на примере простейшей схемы приемника СВЧ-сигналов, показанной на рис. 2.1. В этой схеме обратносмещенный диод включен параллельно в линию передачи, соединяющую вход (антенну) с нагрузкой (входом усилителя приемника). Если из антенны поступает слабый сигнал, то он проходит по линии передачи на вход усилителя практически без ослабления. Когда же мощность сигнала превышает некоторое значение, называемое порогом ограничения, часть ее отражается. Причиной этого эффекта ограничения мощности СВЧ является изменение полного входного сопротивления диода под воздействием выпрямленного тока. Таким образом, ограничительное устройство аналогично по принципу действия переключателю и отличается от него тем, что режим прямого смещения задается не от источника питания, а непосредственно под действием СВЧ мощности самого управляемого сигнала. Такой диод называется ограничительным.

Вольтамперная характеристика и структура ограничительного диода такие же, как я у переключательного p- i- n диода (рис. 2.2 и рис. 2.4) и различаются малой толщиной -области (единицы микрометров). Вследствие этого рекомбинация неравновесных носителей происходит главным образом в - и -областях. Выпрямленный ток ограничительных диодов невелик из-за того, что время жизни неравновесных носителей заряда (5…10 нс) много больше длительности периода СВЧ-колебаний. В результате за время положительного полупериода срекомбинирует только незначительная часть инжектированных носителей заряда, что уменьшает скорость изменения сопротивления диода и снижает эффективность ограничителя. Для ее повышения ограничительные диоды целесообразно использовать в схемах с короткозамкнутой внешней цепью без внешнего смещения.

На рис. 2.7 и рис. 2.8 приведены типичные зависимости выходной мощности от входной для диодов с различными напряжениями смещения и толщиной -области. Эти зависимости называются ограничительными характеристиками диода.

При фиксированной толщине слоя собственного полупроводника порог ограничения можно регулировать путем изменения напряжения смещения (рис. 2.7). Понятно, что прямое смещение снижает порог ограничения, а обратное – увеличивает. Таким образом, ограничитель – устройство, использующее нелинейность ВАХ диода для ограничения мощности, проходящей через диодную секцию в нагрузку. При том, естественно, может иметься некоторое постоянное смещение, регулирующее уровень максимальной выходной мощности ограничителя. В ограничительных устройствах диод параллельно включается в СВЧ-тракт; если мощность СВЧ-сигнала превышает определенный уровень, диод открывается и отражение от него резко возрастает.

2.2. Описание объекта исследований

В работе исследуются двухканальное (рис. 2.3) переключающее и ограничительное устройства в коаксиальном исполнении. В качестве диодов использованы кремниевые эпитаксиальные диоды с p- i- n структурой, предназначенные для работы в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Они выпускаются в металлокерамическом корпусе с жесткими выводами (рис. 2.9).

Типичные эксплуатационные характеристики (при температуре корпуса от 213 до 373 К):

– рассеиваемая мощность: 2…5 Вт;

– постоянное обратное напряжение: 200 В;

– мгновенное обратное напряжение: 300…500 В;

– постоянный прямой ток: 200 мА.

2.3. Описание измерительной установки

Принципиальная схема исследования переключателя на двух p- i- n диодах, представлена на рис. 2.10. Сигнал от СВЧ генератора 1 через вентиль 2 подается на на p- i- n диоды 3 и 4. Мощность СВЧ-сигнала, протекающего через p- i- n диоды, ослабляется фиксированными (10 дБ) аттенюаторами 5 и 6 и подается на детекторные секции 7 и 8. Приборы постоянного тока 9 и 10 используются для измерения мощностей на выходах левого и правого плеч переключателя. В установке предусмотрена минимизация неидеальности плеч при измерениях характеристик. Напряжение смещения (прямое или обратное) от регулируемого источника питания 11 подается на p- i- n диоды. С помощью ключа 12 осуществляется последовательная коммутация диодов (если на одном из диодов есть напряжение смещения, то на другом оно равно нулю).

На рис. 2.11 представлена принципиальная схема исследования ограничителя. Сигнал от СВЧ-генератора 1 через вентиль 2 и измерительную линию 3 поступает в ограничитель на p- i- n диоде 4, питание которого осуществляется от источника напряжения 5. С выхода ограничителя СВЧ-мощность, ослабленная на 10 Дб фиксированным аттенюатором 6 через детекторную секцию 7 подается на осциллограф 8. Схема позволяет исследовать зависимость времени восстановления обратного сопротивления , и времени установления прямого напряжения в зависимости от длительности и частоты следования импульсов генератора 9. Уровень входной СВЧ-мощности в обе
их схемах регулируется и измеряется с помощью приборов генератора.

2.4. Предварительное задание

1. Изучить теоретическую часть работы. При необходимости обратиться к рекомендованной литературе.

2. Подготовить таблицы для снятия экспериментальных зависимостей.

2.5. Основное задание

1. Ознакомиться с элементами измерительной установки.

2. Снять статические вольтамперные характеристики диодов.

3. Подключив генератор СВЧ к входу переключателя, а измерители мощности – к его выходным плечам, исследовать зависимости потерь пропускания и запирания от напряжения смещения для обоих плеч переключателя при постоянной частоте, указанной преподавателем.

4. Исследовать частотные свойства переключателя, сняв зависимости потерь пропускания и запирания от частоты для обоих плеч переключателя при напряжении смещения, обеспечивающем наилучшее переключение.

5. Исследовать зависимость порога ограничения ограничителя от напряжения смещения.

6. Исследовать частотные свойства ограничителя.

7. Исследовать инерционные свойства переключательного и ограничительного p- i- n диодов.

2.6. Содержание отчета

1. Цель работы, схемы измерений.

2. Таблицы и графики экспериментальных зависимостей переключателя.

3. Примеры расчета.

4. Таблицы и графики расчетных зависимостей потерь пропускания

и потерь запирания переключателя.

5. Таблицы и графики экспериментальных зависимостей ограничителя.

6. Анализ результатов, выводы по работе.

2.7. Контрольные вопросы

1. В чем заключается отличительная особенность диодов с p- i- n-структурой и какие физические процессы лежат в основе принципов их работы? Перечислите основные параметры p- i- n диодов.

2. Объясните принципы работы СВЧ-переключателя и СВЧ-ограничителя.

3. Какие причины лимитируют применение известных Вам диодов в переключательных и ограничительных схемах СВЧ?

4. Перечислите основные параметры и характеристики переключательных и ограничительных схем СВЧ.

3.ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА