4.1 مقدمة عن أجهزة الميكروويف ذات الحالة الصلبة

شهد تطور هندسة الموجات الميكروية تحولاً ملحوظاً نحو تقنية أشباه الموصلات. فمقارنةً بتقنيات الصمامات المفرغة التي سبقتها، توفر أجهزة أشباه الموصلات مزايا هائلة من حيث صغر الحجم، وانخفاض الجهد واستهلاك الطاقة، وإمكانية التصنيع بكميات كبيرة وبتكلفة منخفضة، فضلاً عن إمكانية دمجها في دوائر متكاملة. وقد مكّن هذا التحول من تطوير أنظمة الموجات الميكروية المدمجة والمحمولة التي نعتمد عليها اليوم. ستتناول هذه الوحدة الترانزستورات الرئيسية والثنائيات المتخصصة المصممة للعمل بكفاءة عند ترددات الموجات الميكروية.

ترانزستورات الميكروويف

لكي تعمل الترانزستورات بترددات الميكروويف، يجب تصميمها خصيصًا لتقليل السعات الطفيلية وأزمنة العبور التي قد تؤدي إلى تدهور الأداء. ومن الأجهزة النموذجية لهذا الغرض ترانزستور الميكروويف السيليكوني من نوع npn.

• البناء: تُصنع هذه الترانزستورات عادةً على ركيزة من النوع n+، مما يوفر وصلة جامع منخفضة المقاومة. تُنمى طبقة رقيقة من النوع n على هذه الركيزة لتشكيل منطقة الجامع النشطة. ثم تُشكل القاعدة من النوع p والباعثات من النوع n عن طريق الانتشار في الطبقة الرقيقة. وللتعامل مع تيارات عالية، تُصمم وصلات الباعث والقاعدة عادةً بأشكال هندسية سطحية محددة، مثل:
  • متشابكة: هيكل يشبه المشط يتكون من أصابع متشابكة، وهو مناسب لتطبيقات الإشارات الصغيرة.
  • التراكب والمصفوفة: تم تصميم الأشكال الهندسية لزيادة محيط الباعث إلى أقصى حد للتعامل مع مستويات طاقة أعلى.
• العملية: لتحقيق التضخيم في المنطقة الفعالة، يتم تحيز وصلة الباعث-القاعدة تحيزًا أماميًا، بينما يتم تحيز وصلة المجمع-القاعدة تحيزًا عكسيًا. عند تطبيق إشارة ميكروية، تزيد ذروتها الموجبة من التحيز الأمامي على وصلة الباعث-القاعدة. في ترانزستور npn، يؤدي ذلك إلى حقن الإلكترونات من الباعث إلى القاعدة الرقيقة جدًا من النوع p. ثم ​​يتم مسح هذه الإلكترونات بسرعة عبر وصلة المجمع-القاعدة المنحازة عكسيًا بواسطة المجال الكهربائي العالي، مما يُنشئ نبضة تيار مُضخمة في دائرة المجمع.

يمكن تصنيف الأجهزة ذات الحالة الصلبة بناءً على سلوكها الكهربائي، والذي يحدد وظيفتها الأساسية في دائرة الميكروويف.

• المقاومة غير الخطية: أجهزة مثل المقاومات المتغيرة، حيث تتغير المقاومة بتغير الجهد.
• المفاعلة غير الخطية: أجهزة مثل ثنائيات الفاراكتور، حيث تتغير السعة بتغير الجهد.
• المقاومة السلبية: فئة مهمة من الأجهزة، بما في ذلك ثنائيات Gunn و IMPATT، التي يمكن استخدامها لإنشاء المذبذبات والمضخمات.
• المعاوقة القابلة للتحكم: أجهزة مثل الصمام الثنائي PIN، المستخدمة للتبديل والتخفيف.

بعد أن قدمنا ​​ترانزستور الميكروويف، سننتقل الآن إلى نظرة تفصيلية على مختلف ثنائيات الميكروويف المتخصصة التي تؤدي مجموعة واسعة من الوظائف الحيوية.

4.2 ثنائيات الميكروويف المتخصصة

تُعدّ الثنائيات لبنات أساسية في أنظمة الميكروويف، حيث تؤدي مجموعة واسعة من الوظائف بدءًا من توليد الإشارات وتضخيمها وصولًا إلى المزج والتحويل والكشف. صُممت هياكلها شبه الموصلة المتخصصة للاستفادة من ظواهر فيزيائية محددة تبرز عند ترددات الميكروويف. سيتناول هذا القسم عدة أنواع مهمة منها.

فاراكتور ديود

• مبدأ التشغيل: يُعدّ الصمام الثنائي المتغير السعة (Varactor) عمليًا مكثفًا متغير الجهد. عند تطبيق انحياز عكسي على وصلة pn شبه موصلة، تتشكل "منطقة استنزاف" خالية من حاملات الشحنة المتحركة. تعمل هذه المنطقة كعازل للمكثف. يمكن التحكم في عرض هذه المنطقة، وبالتالي سعة الوصلة (C_j)، عن طريق جهد الانحياز العكسي المطبق (V_r). تُعطى العلاقة بالمعادلة: C_j ∝ α ∝ V_r⁻ⁿ، حيث يعتمد 'n' على توزيع الشوائب في الوصلة. يؤدي زيادة الجهد العكسي إلى توسيع منطقة الاستنزاف وتقليل السعة.
• البناء: يتكون الصمام الثنائي المتغير السعوي النموذجي للميكروويف من رقاقة أشباه موصلات مغلفة بغلاف خزفي مع أطراف مصممة لانخفاض الحث والسعة الطفيلية.
• التطبيقات: إن سعتها القابلة للضبط بواسطة الجهد تجعلها مثالية للاستخدام في مكبرات الصوت البارامترية، ومضاعفات التردد، وعناصر الضبط في المذبذبات، وتوليد النبضات، وتعديل التردد.

صمام ثنائي حاجز شوتكي

• مبدأ التشغيل: يُصنع هذا الجهاز عن طريق إنشاء وصلة بين معدن وشبه موصل (عادةً من النوع السالب n). على عكس ثنائي pn القياسي، يعمل ثنائي شوتكي بناءً على حاملات الشحنة الأغلبية. عند الانحياز الأمامي، تُحقن الإلكترونات من شبه الموصل إلى المعدن مع وجود شحنة مخزنة ضئيلة جدًا، مما يسمح للثنائي بالتشغيل والإيقاف بسرعة فائقة. أثناء الانحياز العكسي، يزداد ارتفاع الحاجز ويتوقف تدفق الإلكترونات.
• البناء: تتضمن هذه البنية تثبيت قرص شبه موصل على قاعدة معدنية وتوصيله بنقطة اتصال بسلك حاد مزود بنابض. ويمكن دمج هذا الهيكل بسهولة في حوامل الموجات أو الحوامل المحورية.
• التطبيقات: إن سرعة التبديل العالية والضوضاء المنخفضة تجعلها مفيدة بشكل استثنائي كأجهزة كشف وخلاطات في أجهزة استقبال الموجات الدقيقة وأنظمة الرادار ذات الموجة المستمرة.

أجهزة تأثير غان (TEDs)

• مبدأ التشغيل: لا تُعدّ "ثنائيات" غان ثنائيات تقليدية ذات وصلة pn، بل هي أجهزة أشباه موصلات ضخمة (عادةً من نوع زرنيخيد الغاليوم من النوع n، GaAs) تُظهر تأثير مقاومة سالبة. يُعرف هذا التأثير باسم تأثير نقل الإلكترونينشأ هذا من البنية الإلكترونية الفريدة لـ GaAs، والتي تتميز بوجود وادي منخفض الطاقة وعالي الحركة (وادي L) ووادي أعلى طاقة ومنخفض الحركة (وادي U). عندما يتجاوز المجال الكهربائي المطبق عتبة حرجة، تكتسب الإلكترونات طاقة كافية للانتقال إلى وادي U، حيث تنخفض حركتها بشكل حاد. يؤدي هذا إلى انخفاض تيار الجهاز مع زيادة الجهد، مما يخلق منطقة مقاومة تفاضلية سالبة.
• البناء: هذه أجهزة ضخمة بدون وصلة pn، وغالبًا ما يشار إليها باسم أجهزة نقل الإلكترون (TEDs).
• التطبيقات: تتيح خاصية المقاومة السالبة هذه لأجهزة غان العمل كمذبذبات. وهي تُستخدم على نطاق واسع في أجهزة إرسال الرادار، ومذبذبات الطاقة، وكمذبذبات محلية في أجهزة الاستقبال.

سننتقل الآن إلى فئة أخرى مهمة من الثنائيات التي تُظهر أيضًا مقاومة سالبة، ولكنها تحقق ذلك من خلال آلية فيزيائية مختلفة تتضمن وقت عبور الناقل.

4.3 أجهزة قياس زمن انتقال الانهيار الجليدي

تُمثل أجهزة زمن العبور الانهياري فئةً قويةً من مكونات الموجات الميكروية القادرة على توليد طاقة كبيرة عند الترددات العالية. ويعتمد تشغيلها على مزيج ذكي من ظاهرتين: التأين التصادمي (الانهيار الانهياري) وزمن العبور المحدود الذي تستغرقه حاملات الشحنة للانتقال عبر مادة أشباه الموصلات. ويُؤدي التأخير المُصمم بدقة بين ذروة جهد التردد اللاسلكي ونبضة التيار الناتجة، بالإضافة إلى تأخير زمن العبور، إلى خلق تأثير مقاومة سالبة ديناميكية. وهذا ما يسمح لهذه الأجهزة بالعمل كمذبذبات ومضخمات عالية الكفاءة.

ثنائي إمبات

• الاسم الكامل: ثنائي زمن عبور الانهيار الناتج عن التأين بالصدمة.
• العملية: يتم تشغيل ثنائي IMPATT بانحياز تيار مستمر عكسي عالٍ يجعله على وشك الانهيار الانهياري. ويتم تطبيق جهد تيار متردد بترددات الراديو أصغر على هذا الانحياز. خلال النصف الموجب من دورة جهد الترددات الراديوية، يصبح المجال الكلي قويًا بما يكفي لإحداث انهيار. التأين بالتأثيرهذه العملية ليست فورية؛ إذ يتراكم تيار الانهيار ويصل إلى ذروته بعد أن يتجاوز جهد التردد اللاسلكي ذروته، مما ينتج عنه تقريبًا إزاحة طورية 90 درجة بين نبضة الجهد ونبضة التيار. ثم تنجرف نبضة الشحنة هذه عبر الجزء المتبقي من طبقة n+. تم تصميم سمك منطقة الانجراف هذه بحيث يتوافق زمن العبور مع زمن آخر. إزاحة طورية 90 درجة. يؤدي التحول الطوري الكلي بمقدار 180 درجة إلى تأثير المقاومة السالبة.
• العيوب والتطبيقات: تتسم عملية الانهيار الجليدي بطبيعتها بالضوضاء. ومع ذلك، فإن ثنائيات IMPATT قادرة على توليد طاقة عالية وتستخدم على نطاق واسع في مذبذبات الميكروويف، وأجهزة الإرسال منخفضة الطاقة (مثل رادار الشرطة)، ومضخمات المقاومة السالبة.

ثنائي ترابات

• الاسم الكامل: صمام ثنائي عابر مُحفَّز بانهيار جليدي للبلازما المحصورة.
• العملية: يعمل ثنائي TRAPATT بنمط دوري معقد. يتراكم جهد عالٍ عبر الثنائي (AB)، مما يؤدي إلى انهيار سريع، مُكَوِّنًا بلازما كثيفة محصورة من الإلكترونات والفجوات، والتي تتسبب في انهيار الجهد (BC). تُستخلص هذه البلازما المحصورة ببطء عند جهد منخفض (CDE). بمجرد إزالة البلازما، يبدأ الجهد في الارتفاع مجددًا (EFG)، وتتكرر الدورة. تُمكِّن هذه الدورة من انهيار الجهد السريع والتعافي البطيء الجهاز من العمل كمذبذب عالي الكفاءة.

ثنائي باريت

• الاسم الكامل: صمام ثنائي لحقن الحاجز ووقت العبور.
• العملية: يستخدم ثنائي باريت أيضًا زمن العبور لتحقيق مقاومة سالبة، ولكنه يختلف عن ثنائي إمبات في آلية حقن حاملات الشحنة. فبدلًا من الاعتماد على التأين التصادمي المزعج، يستخدم حقن حاملات الشحنة من وصلة منحازة أماميًا (غالبًا ما تكون حاجز شوتكي). ثم تنجرف حاملات الشحنة المحقونة عبر منطقة معينة، مما يوفر تأخير زمن العبور اللازم لإنشاء مقاومة سالبة. يتكون عادةً من بنية معدن-شبه موصل-معدن (mnm). وتتمثل الميزة الأساسية لثنائي باريت في انخفاض مستوى الضوضاء بشكل ملحوظ، على الرغم من أنه عادةً ما يولد طاقة أقل من ثنائي إمبات.

في حين أن الأجهزة ذات الحالة الصلبة قد أحدثت ثورة في أنظمة الميكروويف الحديثة بحجمها الصغير، فإن الطلب على توليد الطاقة العالية في تطبيقات مثل الرادار ووصلات الأقمار الصناعية لا يزال يعتمد على المبادئ القوية لتكنولوجيا الأنابيب المفرغة، والتي سنستكشفها في الوحدة التالية.