4.1 सॉलिड-स्टेट माइक्रोवेव उपकरणों का परिचय

माइक्रोवेव इंजीनियरिंग के विकास में सॉलिड-स्टेट तकनीक की ओर एक महत्वपूर्ण बदलाव आया है। इससे पहले की वैक्यूम ट्यूब तकनीकों की तुलना में, सेमीकंडक्टर उपकरण छोटे आकार, कम वोल्टेज और बिजली की खपत, और कम लागत पर बड़े पैमाने पर उत्पादन और मोनोलिथिक सर्किट में एकीकरण की क्षमता के मामले में कई फायदे प्रदान करते हैं। इस बदलाव ने आज के कॉम्पैक्ट और पोर्टेबल माइक्रोवेव सिस्टम के विकास को संभव बनाया है। यह मॉड्यूल उन प्रमुख ट्रांजिस्टर और विशेष डायोड को कवर करेगा जिन्हें माइक्रोवेव आवृत्तियों पर प्रभावी ढंग से काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

माइक्रोवेव ट्रांजिस्टर

माइक्रोवेव आवृत्तियों पर कार्य करने के लिए, ट्रांजिस्टर को विशेष रूप से इस प्रकार डिज़ाइन किया जाना चाहिए कि वे परजीवी धारिता और पारगमन समय को कम से कम कर सकें, अन्यथा ये प्रदर्शन को खराब कर देंगे। इस उद्देश्य के लिए एक विशिष्ट उपकरण सिलिकॉन npn माइक्रोवेव ट्रांजिस्टर है ।

• निर्माण: ये ट्रांजिस्टर अक्सर n+ सबस्ट्रेट पर बनाए जाते हैं, जो कम प्रतिरोध वाला कलेक्टर संपर्क प्रदान करता है। इस सबस्ट्रेट पर एक हल्की डोपिंग वाली n-टाइप एपिटैक्सियल परत उगाई जाती है, जिससे सक्रिय कलेक्टर क्षेत्र बनता है। इसके बाद, एपिटैक्सियल परत में डिफ्यूजन द्वारा p-टाइप बेस और भारी डोपिंग वाले n-टाइप एमिटर बनाए जाते हैं। अधिक करंट को संभालने के लिए, एमिटर और बेस संपर्कों को अक्सर विशिष्ट सतह ज्यामितियों में पैटर्न किया जाता है, जैसे कि:
  • अंतर्विभाजित: आपस में जुड़ी हुई उंगलियों की एक कंघी जैसी संरचना, जो छोटे सिग्नल वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है।
  • ओवरले और मैट्रिक्स: उच्च शक्ति स्तरों को संभालने के लिए उत्सर्जक परिधि को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन की गई ज्यामितियाँ।
• ऑपरेशन: सक्रिय क्षेत्र में प्रवर्धन के लिए, उत्सर्जक-आधार जंक्शन अग्र-बायस्ड होता है और संग्राहक-आधार जंक्शन विपरीत-बायस्ड होता है। जब माइक्रोवेव सिग्नल लगाया जाता है, तो इसका धनात्मक शिखर उत्सर्जक-आधार जंक्शन पर अग्र-बायस को बढ़ा देता है। एक npn ट्रांजिस्टर के लिए, यह उत्सर्जक से इलेक्ट्रॉनों को अत्यंत पतले p-प्रकार के आधार में प्रक्षेपित करता है। ये इलेक्ट्रॉन उच्च विद्युत क्षेत्र द्वारा विपरीत-बायस्ड संग्राहक-आधार जंक्शन पर तेजी से प्रवाहित होते हैं, जिससे संग्राहक परिपथ में एक प्रवर्धित धारा स्पंद उत्पन्न होता है।

ठोस अवस्था वाले उपकरणों को उनके विद्युत व्यवहार के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है, जो माइक्रोवेव सर्किट में उनके प्राथमिक कार्य को निर्धारित करता है।

• गैर-रैखिक प्रतिरोध: वैरिस्टर जैसे उपकरण, जिनमें प्रतिरोध वोल्टेज के साथ बदलता है।
• गैर-रैखिक प्रतिघात: वैरेक्टर डायोड जैसे उपकरण, जिनमें धारिता वोल्टेज के साथ बदलती है।
• नकारात्मक प्रतिरोध: गन और इम्पैट डायोड सहित उपकरणों का एक महत्वपूर्ण वर्ग, जिनका उपयोग ऑसिलेटर और एम्पलीफायर बनाने के लिए किया जा सकता है।
• नियंत्रणीय प्रतिबाधा: पिन डायोड जैसे उपकरण, जिनका उपयोग स्विचिंग और क्षीणन के लिए किया जाता है।

माइक्रोवेव ट्रांजिस्टर का परिचय देने के बाद, अब हम विभिन्न विशिष्ट माइक्रोवेव डायोडों पर विस्तार से चर्चा करेंगे जो कई महत्वपूर्ण कार्यों को पूरा करते हैं।

4.2 विशिष्ट माइक्रोवेव डायोड

डायोड माइक्रोवेव प्रणालियों के मूलभूत घटक हैं, जो सिग्नल उत्पन्न करने और प्रवर्धन से लेकर मिश्रण, स्विचिंग और पहचान तक विविध प्रकार के कार्य करते हैं। इनकी विशेष अर्धचालक संरचनाएं माइक्रोवेव आवृत्तियों पर प्रमुख रूप से होने वाली विशिष्ट भौतिक घटनाओं का लाभ उठाने के लिए निर्मित की जाती हैं। यह खंड कई महत्वपूर्ण प्रकारों का विश्लेषण करेगा।

वैक्टर डायोड

• संचालन का सिद्धांत: वैरेक्टर डायोड कार्यात्मक रूप से एक वोल्टेज-परिवर्तनीय संधारित्र है। जब एक अर्धचालक pn जंक्शन को विपरीत दिशा में बायस किया जाता है, तो गतिशील वाहकों से मुक्त एक "क्षीणन क्षेत्र" बनता है। यह क्षेत्र संधारित्र के परावैद्युत के रूप में कार्य करता है। इस क्षेत्र की चौड़ाई, और इसलिए जंक्शन धारिता (C_j), को लागू विपरीत बायस वोल्टेज (V_r) द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। संबंध इस प्रकार दिया गया है: C_j ≠ α ≠ V_r⁻ⁿ, जहाँ 'n' जंक्शन के डोपिंग प्रोफाइल पर निर्भर करता है। विपरीत वोल्टेज बढ़ाने से क्षीणन क्षेत्र चौड़ा होता है और धारिता घटती है।
• निर्माण: एक विशिष्ट माइक्रोवेव वैरेक्टर डायोड में एक सिरेमिक आवरण में लिपटा हुआ एक अर्धचालक वेफर होता है, जिसके लीड कम परजीवी प्रेरकत्व और धारिता के लिए डिज़ाइन किए गए होते हैं।
• आवेदन: उनकी वोल्टेज-ट्यूनेबल कैपेसिटेंस उन्हें पैरामीट्रिक एम्पलीफायर, फ्रीक्वेंसी मल्टीप्लायर, ऑसिलेटर में ट्यूनिंग एलिमेंट, पल्स जनरेशन और फ्रीक्वेंसी मॉड्यूलेशन में उपयोग के लिए आदर्श बनाती है।

शॉट्की बैरियर डायोड

• संचालन का सिद्धांत: यह उपकरण धातु और अर्धचालक (आमतौर पर n-प्रकार) के बीच जंक्शन बनाकर निर्मित होता है। मानक pn डायोड के विपरीत, शॉट्की डायोड बहुसंख्यक वाहकों के सिद्धांत पर कार्य करता है। अग्रगामी बायस की स्थिति में, इलेक्ट्रॉन अर्धचालक से धातु में बहुत कम संचित आवेश के साथ प्रवेश करते हैं, जिससे डायोड बहुत तेजी से चालू और बंद हो जाता है। विपरीत बायस की स्थिति में, अवरोध की ऊँचाई बढ़ जाती है और इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह रुक जाता है।
• निर्माण: इस संरचना में एक धातु के आधार पर अर्धचालक पेलेट को स्थापित किया जाता है और एक नुकीले, स्प्रिंग-लोडेड तार के साथ बिंदु संपर्क बनाया जाता है। इस संरचना को वेवगाइड या समाक्षीय माउंट में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है।
• आवेदन: उनकी उच्च स्विचिंग गति और कम शोर उन्हें माइक्रोवेव रिसीवर और निरंतर-तरंग रडार प्रणालियों में डिटेक्टर और मिक्सर के रूप में असाधारण रूप से उपयोगी बनाते हैं।

गन इफेक्ट डिवाइसेस (TEDs)

• संचालन का सिद्धांत: गन डायोड पारंपरिक पीएन जंक्शन वाले डायोड नहीं होते, बल्कि ये बल्क सेमीकंडक्टर डिवाइस (आमतौर पर एन-टाइप गैलियम आर्सेनाइड, GaAs) होते हैं जो नकारात्मक प्रतिरोध प्रभाव प्रदर्शित करते हैं। इस प्रभाव को इस प्रकार जाना जाता है: स्थानांतरण इलेक्ट्रॉन प्रभावयह प्रतिक्रिया GaAs की अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना के कारण उत्पन्न होती है, जिसमें एक निम्न-ऊर्जा, उच्च-गतिशीलता घाटी (L घाटी) और एक उच्च-ऊर्जा, निम्न-गतिशीलता घाटी (U घाटी) होती है। जैसे ही लगाया गया विद्युत क्षेत्र एक निश्चित सीमा से अधिक हो जाता है, इलेक्ट्रॉन U घाटी में स्थानांतरित होने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त कर लेते हैं, जहाँ उनकी गतिशीलता तेजी से घट जाती है। इसके कारण वोल्टेज बढ़ने पर उपकरण की धारा कम हो जाती है, जिससे ऋणात्मक विभेदक प्रतिरोध का क्षेत्र बनता है।
• निर्माण: ये पीएन जंक्शन के बिना बल्क डिवाइस हैं, जिन्हें अक्सर ट्रांसफर इलेक्ट्रॉन डिवाइस (टीईडी) कहा जाता है।
• आवेदन: गन उपकरणों की यह ऋणात्मक प्रतिरोध विशेषता उन्हें दोलक के रूप में कार्य करने की अनुमति देती है। इनका व्यापक रूप से रडार ट्रांसमीटरों, पावर दोलक और रिसीवरों में स्थानीय दोलक के रूप में उपयोग किया जाता है।

अब हम डायोड के एक अन्य महत्वपूर्ण वर्ग की ओर रुख करेंगे जो नकारात्मक प्रतिरोध भी प्रदर्शित करते हैं, लेकिन वाहक पारगमन समय से जुड़े एक अलग भौतिक तंत्र के माध्यम से इसे प्राप्त करते हैं।

4.3 हिमस्खलन पारगमन-समय उपकरण

एवलांच ट्रांजिट-टाइम डिवाइस माइक्रोवेव कंपोनेंट्स का एक शक्तिशाली वर्ग है जो उच्च आवृत्तियों पर महत्वपूर्ण शक्ति उत्पन्न करने में सक्षम है। इनका संचालन दो घटनाओं के चतुर संयोजन पर आधारित है: प्रभाव आयनीकरण (एवलांच ब्रेकडाउन) और अर्धचालक पदार्थ से आवेश वाहकों के गुजरने में लगने वाला सीमित पारगमन समय । पीक आरएफ वोल्टेज और परिणामी करंट पल्स के बीच सावधानीपूर्वक इंजीनियर किया गया विलंब, पारगमन समय विलंब के साथ मिलकर, एक गतिशील नकारात्मक प्रतिरोध प्रभाव उत्पन्न करता है। यह इन उपकरणों को अत्यधिक प्रभावी ऑसिलेटर और एम्पलीफायर के रूप में कार्य करने में सक्षम बनाता है।

इम्पैट डायोड

• पूरा नाम: इम्पैक्ट आयनीकरण एवलांच ट्रांजिट टाइम डायोड।
• ऑपरेशन: IMPATT डायोड को उच्च रिवर्स डीसी बायस के साथ संचालित किया जाता है, जो इसे एवलांच ब्रेकडाउन के कगार पर ले आता है। इस डीसी बायस पर एक छोटा आरएफ एसी वोल्टेज आरोपित किया जाता है। आरएफ वोल्टेज के धनात्मक अर्ध-चक्र के दौरान, कुल क्षेत्र इतना मजबूत हो जाता है कि वह एवलांच ब्रेकडाउन का कारण बन सके। प्रभाव आयनीकरणयह प्रक्रिया तात्कालिक नहीं है; हिमस्खलन धारा तब उत्पन्न होती है और अपने चरम पर पहुँचती है जब आरएफ वोल्टेज अपने चरम को पार कर चुका होता है, जिसके परिणामस्वरूप लगभग 90° चरण बदलाव वोल्टेज और करंट पल्स के बीच आवेश का एक पल्स होता है। फिर यह आवेश पल्स n+ परत के शेष भाग में प्रवाहित होता है। इस प्रवाह क्षेत्र की मोटाई इस प्रकार डिज़ाइन की जाती है कि पारगमन समय किसी अन्य मान के अनुरूप हो। 90° चरण बदलावकुल 180 डिग्री का चरण विस्थापन नकारात्मक प्रतिरोध प्रभाव उत्पन्न करता है।
• हानियाँ और अनुप्रयोग: हिमस्खलन प्रक्रिया स्वाभाविक रूप से शोरगुल वाली होती है। हालांकि, IMPATT डायोड उच्च शक्ति उत्पन्न करने में सक्षम होते हैं और इनका व्यापक रूप से माइक्रोवेव ऑसिलेटर, कम शक्ति वाले ट्रांसमीटर (जैसे पुलिस रडार) और नकारात्मक प्रतिरोध एम्पलीफायर में उपयोग किया जाता है।

TRAPATT डायोड

• पूरा नाम: ट्रैप्ड प्लाज्मा एवलांच ट्रिगर ट्रांजिट डायोड।
• ऑपरेशन: TRAPATT डायोड एक जटिल, चक्रीय मोड में काम करता है। डायोड (AB) के सिरों पर उच्च वोल्टेज बनता है। इससे तीव्र हिमस्खलन होता है, जिससे इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों का एक सघन, फंसा हुआ प्लाज्मा बनता है जो वोल्टेज को कम कर देता है (BC)। इस फंसे हुए प्लाज्मा को कम वोल्टेज (CDE) पर धीरे-धीरे निकाला जाता है। प्लाज्मा के निकल जाने के बाद, वोल्टेज फिर से बढ़ने लगता है (EFG), और चक्र दोहराता है। वोल्टेज के तीव्र पतन और धीमी पुनर्प्राप्ति का यह चक्र उपकरण को एक अत्यंत कुशल दोलक के रूप में कार्य करने में सक्षम बनाता है।

बैरिट डायोड

• पूरा नाम: बैरियर इंजेक्शन ट्रांजिट टाइम डायोड।
• ऑपरेशन: BARITT डायोड भी ऋणात्मक प्रतिरोध प्राप्त करने के लिए पारगमन समय का उपयोग करता है, लेकिन वाहक इंजेक्शन तंत्र के मामले में यह IMPATT डायोड से भिन्न है। शोरगुल वाले प्रभाव आयनीकरण पर निर्भर रहने के बजाय, यह एक अग्र-पक्षपाती जंक्शन (अक्सर एक शॉट्की बैरियर) से वाहक इंजेक्शन का उपयोग करता है। इंजेक्ट किए गए वाहक फिर एक क्षेत्र में प्रवाहित होते हैं, जिससे ऋणात्मक प्रतिरोध उत्पन्न करने के लिए आवश्यक पारगमन-समय विलंब प्राप्त होता है। इसकी विशिष्ट संरचना धातु-अर्धचालक-धातु (mnm) संरचना होती है। BARITT डायोड का प्राथमिक लाभ इसका काफी कम शोर प्रदर्शन है, हालांकि यह आमतौर पर IMPATT की तुलना में कम शक्ति उत्पन्न करता है।

हालांकि सॉलिड-स्टेट उपकरणों ने अपने कॉम्पैक्ट आकार के साथ आधुनिक माइक्रोवेव प्रणालियों में क्रांति ला दी है, रडार और सैटेलाइट अपलिंक जैसे अनुप्रयोगों में उच्च-शक्ति उत्पादन की मांग अभी भी वैक्यूम ट्यूब प्रौद्योगिकी के मजबूत सिद्धांतों पर निर्भर करती है, जिसकी हम अगले मॉड्यूल में पड़ताल करेंगे।