4.1 Inleiding tot Vastetoestand-mikrogolftoestelle

Die evolusie van mikrogolfingenieurswese is gekenmerk deur 'n beduidende verskuiwing na vastetoestandtegnologie. In vergelyking met die vakuumbuistegnologieë wat hulle voorafgegaan het, bied halfgeleiertoestelle dwingende voordele in terme van kleiner grootte, laer spanning en kragverbruik, en die potensiaal vir hoë-volume, lae-koste vervaardiging en integrasie in monolitiese stroombane. Hierdie skuif het die ontwikkeling van die kompakte en draagbare mikrogolfstelsels waarop ons vandag staatmaak, moontlik gemaak. Hierdie module sal die sleuteltransistors en gespesialiseerde diodes dek wat ontwerp is om effektief teen mikrogolffrekwensies te werk.

Mikrogolftransistors

Om teen mikrogolffrekwensies te funksioneer, moet transistors spesiaal ontwerp word om parasitiese kapasitansies en oorgangstye te verminder wat andersins die werkverrigting sou verlaag. 'n Tipiese toestel vir hierdie doel is die silikon npn mikrogolftransistor.

• Konstruksie: Hierdie transistors word dikwels op 'n n+ substraat gebou, wat 'n lae-weerstand kollektorkontak bied. 'n Lig gedoteerde n-tipe epitaksiale laag word op hierdie substraat gekweek om die aktiewe kollektorgebied te vorm. Die p-tipe basis en swaar gedoteerde n-tipe emitters word dan gevorm deur diffusie in die epitaksiale laag. Om beduidende stroom te hanteer, word die emitter- en basiskontakte dikwels in spesifieke oppervlakgeometrieë gepatroneer, soos:
  • Verwant: 'n Kamagtige struktuur van ineengeskakelde vingers, geskik vir kleinseintoepassings.
  • Oorleg en Matriks: Geometrieë ontwerp om die emitterperiferie te maksimeer vir die hantering van hoër kragvlakke.
• Operasie: Vir versterking in die aktiewe gebied, is die emitter-basis-aansluiting voorwaarts voorgespan en die kollektor-basis-aansluiting is omgekeerd voorgespan. Wanneer 'n mikrogolfsein toegepas word, verhoog die positiewe piek daarvan die voorwaartse voorspanning op die emitter-basis-aansluiting. Vir 'n npn-transistor spuit dit elektrone van die emitter in die baie dun p-tipe basis in. Hierdie elektrone word dan vinnig oor die omgekeerd voorgespan kollektor-basis-aansluiting deur die hoë elektriese veld gespoel, wat 'n versterkte stroompuls in die kollektorkring skep.

Vastetoestandtoestelle kan geklassifiseer word op grond van hul elektriese gedrag, wat hul primêre funksie in 'n mikrogolfkring bepaal.

• Nie-lineêre weerstand: Toestelle soos varistors, waar weerstand met spanning verander.
• Nie-lineêre reaktansie: Toestelle soos varaktordiodes, waar kapasitansie met spanning verander.
• Negatiewe weerstand: 'n Belangrike klas toestelle, insluitend Gunn- en IMPATT-diodes, wat gebruik kan word om ossillators en versterkers te skep.
• Beheerbare impedansie: Toestelle soos die PIN-diode, wat vir skakeling en verswakking gebruik word.

Nadat ons die mikrogolftransistor bekendgestel het, sal ons nou oorgaan na 'n gedetailleerde kyk na verskeie gespesialiseerde mikrogolfdiodes wat 'n wye reeks kritieke funksies verrig.

4.2 Gespesialiseerde mikrogolfdiodes

Diodes is fundamentele boustene in mikrogolfstelsels en verrig 'n diverse reeks funksies, van seinopwekking en -versterking tot vermenging, skakeling en opsporing. Hul gespesialiseerde halfgeleierstrukture is ontwerp om spesifieke fisiese verskynsels wat prominent is by mikrogolffrekwensies te benut. Hierdie afdeling sal verskeie belangrike tipes ondersoek.

Varactor-diode

• Beginsel van werking: Die Varaktordiode is funksioneel 'n spanningsveranderlike kapasitor. Wanneer 'n halfgeleier-pn-voegvlak omgekeerd voorgespan is, word 'n "uitputtingsgebied" vry van mobiele draers gevorm. Hierdie gebied dien as die diëlektrikum van 'n kapasitor. Die breedte van hierdie gebied, en dus die voegvlakkapasitansie (C_j), kan beheer word deur die toegepaste omgekeerde voorspanning (V_r). Die verhouding word gegee deur: C_j \: \alpha \: V_{r}^{-n} waar 'n' afhang van die voegvlak se doteringsprofiel. Deur die omgekeerde spanning te verhoog, word die uitputtingsgebied verbreed en die kapasitansie verminder.
• Konstruksie: 'n Tipiese mikrogolfvaraktordiode bestaan ​​uit 'n halfgeleierwafel wat in 'n keramiekomhulsel ingekapsuleer is met leidings wat ontwerp is vir lae parasitiese induktansie en kapasitansie.
• Aansoeke: Hul spanning-instelbare kapasitansie maak hulle ideaal vir gebruik in parametriese versterkers, frekwensievermenigvuldigers, instelelemente in ossillators, pulsopwekking en frekwensiemodulasie.

Schottky Barrier Diode

• Beginsel van werking: Hierdie toestel word gevorm deur 'n verbinding tussen 'n metaal en 'n halfgeleier (tipies n-tipe) te skep. Anders as 'n standaard pn-diode, werk die Schottky-diode op grond van meerderheidsdraers. Wanneer dit voorwaarts voorgespan is, word elektrone van die halfgeleier in die metaal ingespuit met baie min gestoorde lading, wat die diode toelaat om baie vinnig aan en af ​​te skakel. Tydens omgekeerde voorspanning neem die versperringshoogte toe en stop die elektronvloei.
• Konstruksie: Die konstruksie behels die montering van 'n halfgeleierpellet op 'n metaalbasis en die maak van 'n puntkontak met 'n skerp, veerbelaaide draad. Hierdie struktuur word maklik in golfgeleier- of koaksiale monterings geïntegreer.
• Aansoeke: Hul hoë skakelspoed en lae geraas maak hulle besonder nuttig as detektors en mengers in mikrogolfontvangers en kontinuegolfradarstelsels.

Gunn-effektoestelle (TED's)

• Beginsel van werking: Gunn-"diodes" is nie tradisionele diodes met 'n pn-voegvlak nie, maar is grootmaat-halfgeleiertoestelle (tipies n-tipe galliumarsenied, GaAs) wat 'n negatiewe weerstandseffek toon. Die effek, bekend as die Oordragelektroneffek, spruit voort uit die unieke elektroniese bandstruktuur van GaAs, wat 'n laer-energie, hoë-mobiliteitsvallei (L-vallei) en 'n hoër-energie, lae-mobiliteitsvallei (U-vallei) bevat. Soos die toegepaste elektriese veld 'n kritieke drempel oorskry, kry elektrone genoeg energie om na die U-vallei oor te dra, waar hul mobiliteit skerp daal. Dit veroorsaak dat die toestel se stroom afneem soos die spanning toeneem, wat 'n gebied van negatiewe differensiële weerstand skep.
• Konstruksie: Dit is grootmaattoestelle sonder 'n pn-voegvlak, dikwels na verwys as oordragelektrontoestelle (TED's).
• Aansoeke: Hierdie negatiewe weerstandseienskap laat Gunn-toestelle toe om as ossillators te funksioneer. Hulle word wyd gebruik in radarsenders, kragossillators en as plaaslike ossillators in ontvangers.

Ons sal nou kyk na 'n ander belangrike klas diodes wat ook negatiewe weerstand toon, maar dit bereik deur 'n ander fisiese meganisme wat die draer-oorgangstyd behels.

4.3 Toestelle vir die oorgang van sneeustortings

Sneeustorting-oorgangstydtoestelle verteenwoordig 'n kragtige klas mikrogolfkomponente wat in staat is om beduidende krag teen hoë frekwensies op te wek. Hul werking is gebaseer op 'n slim kombinasie van twee verskynsels: impakionisasie (sneeustorting-afbreek) en die eindige oorgangstyd wat dit neem vir ladingdraers om deur die halfgeleiermateriaal te beweeg. Die sorgvuldig ontwerpte vertraging tussen die piek RF-spanning en die gevolglike stroompuls, gekombineer met die oorgangstydvertraging, skep 'n dinamiese negatiewe weerstandseffek. Dit laat die toestelle toe om as hoogs effektiewe ossillators en versterkers te funksioneer.

IMPATT-diode

• Volle Naam: IMPact-ionisasie-lawine-oorgangstyddiode.
• Operasie: Die IMPATT-diode word bedryf met 'n hoë omgekeerde GS-voorspanning wat dit tot op die rand van 'n sneeustorting bring. 'n Kleiner RF-WS-spanning word bo-op hierdie GS-voorspanning geplaas. Gedurende die positiewe halfsiklus van die RF-spanning word die totale veld sterk genoeg om te veroorsaak impak ionisasieHierdie proses is nie oombliklik nie; die lawinestroom bou op en bereik sy piek nadat die RF-spanning sy piek verbygesteek het, wat lei tot 'n benaderde 90° faseverskuiwing tussen die spannings- en die stroompuls. Hierdie ladingpuls dryf dan oor die res van die n+ laag. Die dikte van hierdie dryfgebied is so ontwerp dat die oorgangstyd ooreenstem met 'n ander 90° faseverskuiwingDie totale faseverskuiwing van 180° skep die negatiewe weerstandseffek.
• Nadele en toepassings: Die sneeustortingproses is inherent raserig. IMPATT-diodes is egter in staat om hoë krag op te wek en word wyd gebruik in mikrogolfossillators, laekrag-senders (bv. polisieradar) en negatiewe weerstandsversterkers.

TRAPATT-diode

• Volle Naam: Vasgevangde plasma-lawine-geaktiveerde transito-diode.
• Operasie: Die TRAPATT-diode werk in 'n komplekse, sikliese modus. 'n Hoë spanning bou oor die diode (AB) op. Dit veroorsaak 'n vinnige sneeustorting, wat 'n digte, vasgekeerde plasma van elektrone en gate skep wat veroorsaak dat die spanning ineenstort (BC). Hierdie vasgekeerde plasma word stadig teen 'n lae spanning (CDE) onttrek. Sodra die plasma skoongemaak is, begin die spanning weer opbou (EFG), en die siklus herhaal. Hierdie siklus van vinnige spanningsineenstorting en stadige herstel laat die toestel toe om as 'n hoogs doeltreffende ossillator te werk.

BARITT-diode

• Volle Naam: BARrier Inspuiting Oorgangstyddiode.
• Operasie: Die BARITT-diode gebruik ook oorgangstyd om negatiewe weerstand te verkry, maar verskil van die IMPATT-diode in sy draer-inspuitmeganisme. In plaas daarvan om op raserige impakionisasie staat te maak, gebruik dit draer-inspuiting vanaf 'n voorwaarts-gepolariseerde aansluiting (dikwels 'n Schottky-versperring). Die ingespuite draers dryf dan oor 'n gebied, wat die nodige oorgangstydvertraging bied om negatiewe weerstand te skep. Die tipiese konstruksie is 'n metaal-halfgeleier-metaal (mnm) struktuur. Die primêre voordeel van die BARITT-diode is sy aansienlik laer geraasprestasie, hoewel dit tipies minder krag genereer as 'n IMPATT.

Terwyl vastetoestandtoestelle moderne mikrogolfstelsels met hul kompakte grootte gerevolusioneer het, steun die vraag na hoëkragopwekking in toepassings soos radar- en satelliet-opskakels steeds op die robuuste beginsels van vakuumbuistegnologie, wat ons in die volgende module sal ondersoek.