۴.۱ مقدمه‌ای بر دستگاه‌های مایکروویو حالت جامد

تکامل مهندسی مایکروویو با تغییر قابل توجهی به سمت فناوری حالت جامد مشخص شده است. در مقایسه با فناوری‌های لامپ خلأ که پیش از آنها وجود داشتند، دستگاه‌های نیمه‌هادی از نظر اندازه کوچک‌تر، ولتاژ و مصرف توان پایین‌تر و پتانسیل تولید و ادغام در مدارهای یکپارچه با حجم بالا و هزینه کم، مزایای قانع‌کننده‌ای ارائه می‌دهند. این حرکت، توسعه سیستم‌های مایکروویو جمع‌وجور و قابل حملی را که امروزه به آنها متکی هستیم، امکان‌پذیر کرده است. این ماژول ترانزیستورهای کلیدی و دیودهای تخصصی را که برای عملکرد مؤثر در فرکانس‌های مایکروویو طراحی شده‌اند، پوشش می‌دهد.

ترانزیستورهای مایکروویو

برای عملکرد در فرکانس‌های مایکروویو، ترانزیستورها باید به طور ویژه طراحی شوند تا ظرفیت‌های خازنی مزاحم و زمان‌های عبور را که در غیر این صورت باعث کاهش عملکرد می‌شوند، به حداقل برسانند. یک وسیله معمول برای این منظور، ترانزیستور مایکروویو سیلیکونی npn است.

• ساخت و ساز: این ترانزیستورها اغلب بر روی یک زیرلایه n+ ساخته می‌شوند که یک اتصال کلکتور با مقاومت کم فراهم می‌کند. یک لایه اپیتاکسیال نوع n که به میزان کمی آلاییده شده است، روی این زیرلایه رشد داده می‌شود تا ناحیه کلکتور فعال را تشکیل دهد. سپس بیس نوع p و امیتر نوع n که به میزان زیادی آلاییده شده‌اند، با نفوذ به لایه اپیتاکسیال تشکیل می‌شوند. برای مدیریت جریان قابل توجه، اتصال‌های امیتر و بیس اغلب به صورت هندسه‌های سطحی خاصی مانند موارد زیر الگوبرداری می‌شوند:
  • درهم تنیده: ساختاری شانه‌مانند از انگشتان در هم قفل‌شده، مناسب برای کاربردهای سیگنال کوچک.
  • روکش و ماتریس: هندسه‌هایی که برای به حداکثر رساندن حاشیه امیتر برای مدیریت سطوح بالاتر توان طراحی شده‌اند.
• عملیات: برای تقویت در ناحیه فعال، پیوند امیتر-بیس بایاس مستقیم و پیوند کلکتور-بیس بایاس معکوس دارد. هنگامی که یک سیگنال مایکروویو اعمال می‌شود، پیک مثبت آن، بایاس مستقیم روی پیوند امیتر-بیس را افزایش می‌دهد. برای یک ترانزیستور npn، این امر الکترون‌ها را از امیتر به بیس بسیار نازک نوع p تزریق می‌کند. سپس این الکترون‌ها توسط میدان الکتریکی بالا به سرعت در پیوند کلکتور-بیس بایاس معکوس جاروب می‌شوند و یک پالس جریان تقویت‌شده در مدار کلکتور ایجاد می‌کنند.

دستگاه‌های حالت جامد را می‌توان بر اساس رفتار الکتریکی‌شان طبقه‌بندی کرد، که عملکرد اصلی آنها را در یک مدار مایکروویو تعیین می‌کند.

• مقاومت غیرخطی: دستگاه‌هایی مانند وریستورها، که در آنها مقاومت با ولتاژ تغییر می‌کند.
• راکتانس غیرخطی: دستگاه‌هایی مانند دیودهای واراکتور، که در آنها ظرفیت خازنی با ولتاژ تغییر می‌کند.
• مقاومت منفی: دسته‌ای حیاتی از قطعات، از جمله دیودهای گان و IMPATT، که می‌توانند برای ایجاد نوسان‌سازها و تقویت‌کننده‌ها استفاده شوند.
• امپدانس قابل کنترل: دستگاه‌هایی مانند دیود PIN، که برای سوئیچینگ و تضعیف استفاده می‌شوند.

پس از معرفی ترانزیستور مایکروویو، اکنون به بررسی دقیق دیودهای مایکروویو تخصصی مختلف که طیف وسیعی از عملکردهای حیاتی را انجام می‌دهند، می‌پردازیم.

۴.۲ دیودهای مایکروویو تخصصی

دیودها بلوک‌های سازنده اساسی در سیستم‌های مایکروویو هستند و طیف متنوعی از عملکردها را از تولید و تقویت سیگنال گرفته تا اختلاط، سوئیچینگ و تشخیص انجام می‌دهند. ساختارهای نیمه‌هادی تخصصی آنها برای بهره‌برداری از پدیده‌های فیزیکی خاص که در فرکانس‌های مایکروویو برجسته هستند، مهندسی شده‌اند. در این بخش چندین نوع مهم بررسی خواهد شد.

دیود وراکتور

• اصل عملیات: دیود واراکتور از نظر عملکردی یک خازن متغیر با ولتاژ است. هنگامی که یک پیوند pn نیمه‌هادی بایاس معکوس می‌شود، یک "ناحیه تخلیه" عاری از حامل‌های متحرک تشکیل می‌شود. این ناحیه به عنوان دی‌الکتریک یک خازن عمل می‌کند. عرض این ناحیه و بنابراین ظرفیت پیوند (C_j) را می‌توان با ولتاژ بایاس معکوس اعمال شده (V_r) کنترل کرد. رابطه به صورت زیر ارائه می‌شود: C_j \: \alpha \: V_{r}^{-n} که در آن 'n' به مشخصات آلایش پیوند بستگی دارد. افزایش ولتاژ معکوس، ناحیه تخلیه را پهن‌تر کرده و ظرفیت را کاهش می‌دهد.
• ساخت و ساز: یک دیود واراکتور مایکروویو معمولی از یک ویفر نیمه‌هادی محصور شده در یک محفظه سرامیکی با سیم‌هایی که برای اندوکتانس و خازن پارازیتی کم طراحی شده‌اند، تشکیل شده است.
• برنامه های کاربردی: ظرفیت خازنی قابل تنظیم با ولتاژ آنها، آنها را برای استفاده در تقویت‌کننده‌های پارامتری، ضرب‌کننده‌های فرکانس، عناصر تنظیم در نوسان‌سازها، تولید پالس و مدولاسیون فرکانس ایده‌آل می‌کند.

دیود مانع شاتکی

• اصل عملیات: این قطعه با ایجاد یک پیوند بین یک فلز و یک نیمه‌رسانا (معمولاً نوع n) تشکیل می‌شود. برخلاف یک دیود pn استاندارد، دیود شاتکی بر اساس حامل‌های اکثریت عمل می‌کند. هنگام بایاس مستقیم، الکترون‌ها از نیمه‌رسانا با بار ذخیره شده بسیار کم به فلز تزریق می‌شوند و به دیود اجازه می‌دهند خیلی سریع روشن و خاموش شود. در بایاس معکوس، ارتفاع سد افزایش می‌یابد و جریان الکترون متوقف می‌شود.
• ساخت و ساز: این ساختار شامل نصب یک گلوله نیمه‌هادی روی یک پایه فلزی و ایجاد تماس نقطه‌ای با یک سیم تیز و فنری است. این ساختار به راحتی در پایه‌های موجبر یا کواکسیال ادغام می‌شود.
• برنامه های کاربردی: سرعت سوئیچینگ بالا و نویز کم آنها، آنها را به عنوان آشکارسازها و میکسرها در گیرنده‌های مایکروویو و سیستم‌های رادار موج پیوسته، بسیار مفید می‌کند.

دستگاه‌های اثر گان (TED)

• اصل عملیات: «دیودهای» گان، دیودهای سنتی با پیوند pn نیستند، بلکه قطعات نیمه‌هادی حجیم (معمولاً گالیوم آرسنید نوع n، GaAs) هستند که اثر مقاومت منفی از خود نشان می‌دهند. این اثر که به عنوان ... شناخته می‌شود. اثر الکترون انتقالی، از ساختار نوار الکترونیکی منحصر به فرد GaAs ناشی می‌شود که دارای یک دره با انرژی کمتر و تحرک بالا (دره L) و یک دره با انرژی بالاتر و تحرک کم (دره U) است. هنگامی که میدان الکتریکی اعمال شده از یک آستانه بحرانی فراتر می‌رود، الکترون‌ها انرژی کافی برای انتقال به دره U را به دست می‌آورند، جایی که تحرک آنها به شدت کاهش می‌یابد. این امر باعث می‌شود جریان دستگاه با افزایش ولتاژ کاهش یابد و ناحیه‌ای از مقاومت دیفرانسیل منفی ایجاد شود.
• ساخت و ساز: اینها قطعات حجیمی بدون پیوند pn هستند که اغلب به عنوان قطعات الکترون انتقالی (TED) شناخته می‌شوند.
• برنامه های کاربردی: این خاصیت مقاومت منفی به قطعات گان اجازه می‌دهد تا به عنوان نوسانگر عمل کنند. آن‌ها به طور گسترده در فرستنده‌های رادار، نوسانگرهای توان و به عنوان نوسانگرهای محلی در گیرنده‌ها استفاده می‌شوند.

اکنون به دسته مهم دیگری از دیودها می‌پردازیم که آنها نیز مقاومت منفی نشان می‌دهند، اما این مقاومت را از طریق مکانیسم فیزیکی متفاوتی شامل زمان عبور حامل به دست می‌آورند.

۴.۳ دستگاه‌های زمان عبور بهمن

دستگاه‌های زمان عبور بهمنی، دسته‌ای قدرتمند از قطعات مایکروویو هستند که قادر به تولید توان قابل توجه در فرکانس‌های بالا می‌باشند. عملکرد آنها بر اساس ترکیبی هوشمندانه از دو پدیده است: یونیزاسیون ضربه‌ای (شکست بهمنی) و زمان عبور محدود که برای عبور حامل‌های بار از ماده نیمه‌هادی لازم است. تأخیر دقیق مهندسی شده بین ولتاژ اوج RF و پالس جریان حاصل، همراه با تأخیر زمان عبور، یک اثر مقاومت منفی پویا ایجاد می‌کند. این امر به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا به عنوان نوسان‌سازها و تقویت‌کننده‌های بسیار مؤثر عمل کنند.

دیود ایمپات

• نام و نام خانوادگی: دیود زمان گذر بهمنی یونیزاسیون ضربه‌ای.
• عملیات: دیود IMPATT با بایاس DC معکوس بالا کار می‌کند که آن را به آستانه شکست بهمنی می‌رساند. یک ولتاژ AC RF کوچکتر بر روی این بایاس DC قرار می‌گیرد. در طول نیم سیکل مثبت ولتاژ RF، میدان کل به اندازه کافی قوی می‌شود که باعث شود یونیزاسیون ضربهاین فرآیند آنی نیست؛ جریان بهمنی ایجاد می‌شود و پس از عبور ولتاژ RF از اوج خود به اوج خود می‌رسد و در نتیجه تقریباً تغییر فاز ۹۰ درجه بین پالس ولتاژ و جریان. این پالس بار سپس در امتداد بقیه لایه n+ رانش می‌کند. ضخامت این ناحیه رانش به گونه‌ای طراحی شده است که زمان عبور با زمان دیگری مطابقت داشته باشد. تغییر فاز ۹۰ درجهتغییر فاز ۱۸۰ درجه‌ای کل، اثر مقاومت منفی را ایجاد می‌کند.
• معایب و کاربردها: فرآیند بهمن ذاتاً نویز دارد. با این حال، دیودهای IMPATT قادر به تولید توان بالا هستند و به طور گسترده در نوسانگرهای مایکروویو، فرستنده‌های کم توان (مثلاً رادار پلیس) و تقویت‌کننده‌های مقاومت منفی استفاده می‌شوند.

دیود TRAPATT

• نام و نام خانوادگی: دیود ترانزیتی تحریک‌شده با بهمن پلاسمای به دام افتاده.
• عملیات: دیود TRAPATT در یک حالت پیچیده و چرخه‌ای عمل می‌کند. ولتاژ بالایی در دیود (AB) ایجاد می‌شود. این باعث ایجاد یک شکست بهمنی سریع می‌شود و یک پلاسمای متراکم و به دام افتاده از الکترون‌ها و حفره‌ها ایجاد می‌کند که باعث فروپاشی ولتاژ (BC) می‌شود. این پلاسمای به دام افتاده به آرامی در ولتاژ پایین (CDE) استخراج می‌شود. پس از پاک شدن پلاسما، ولتاژ شروع به افزایش مجدد (EFG) می‌کند و این چرخه تکرار می‌شود. این چرخه فروپاشی سریع ولتاژ و بازیابی آهسته به دستگاه اجازه می‌دهد تا به عنوان یک نوسان‌ساز بسیار کارآمد عمل کند.

دیود باریت

• نام و نام خانوادگی: دیود زمان عبور تزریق مانع.
• عملیات: دیود BARITT نیز از زمان عبور برای دستیابی به مقاومت منفی استفاده می‌کند، اما در مکانیسم تزریق حامل با دیود IMPATT متفاوت است. به جای تکیه بر یونیزاسیون ضربه‌ای نویزی، از تزریق حامل از یک پیوند بایاس مستقیم (اغلب یک سد شاتکی) استفاده می‌کند. سپس حامل‌های تزریق شده در یک ناحیه حرکت می‌کنند و تأخیر زمان عبور لازم را برای ایجاد مقاومت منفی فراهم می‌کنند. ساختار معمول آن یک ساختار فلز-نیمه‌رسانا-فلز (mnm) است. مزیت اصلی دیود BARITT عملکرد نویز بسیار پایین‌تر آن است، اگرچه معمولاً توان کمتری نسبت به IMPATT تولید می‌کند.

اگرچه دستگاه‌های حالت جامد با اندازه جمع‌وجور خود، سیستم‌های مایکروویو مدرن را متحول کرده‌اند، اما تقاضا برای تولید توان بالا در کاربردهایی مانند رادار و آپ‌لینک‌های ماهواره‌ای هنوز به اصول قوی فناوری لامپ خلاء متکی است که در ماژول بعدی به بررسی آن خواهیم پرداخت.