4.1 Introduzione ai dispositivi a microonde a stato solido

L'evoluzione dell'ingegneria delle microonde è stata caratterizzata da un significativo spostamento verso la tecnologia a stato solido. Rispetto alle tecnologie a tubi a vuoto che li hanno preceduti, i dispositivi a semiconduttore offrono vantaggi interessanti in termini di dimensioni ridotte, tensione e consumo energetico inferiori, nonché il potenziale per la produzione in grandi volumi e a basso costo e l'integrazione in circuiti monolitici. Questo passaggio ha permesso lo sviluppo dei sistemi a microonde compatti e portatili su cui facciamo affidamento oggi. Questo modulo tratterà i principali transistor e diodi specializzati progettati per funzionare efficacemente alle frequenze delle microonde.

Transistor a microonde

Per funzionare alle frequenze delle microonde, i transistor devono essere progettati in modo specifico per ridurre al minimo le capacità parassite e i tempi di transito che altrimenti ne comprometterebbero le prestazioni. Un dispositivo tipico per questo scopo è il transistor a microonde npn al silicio.

• Costruzione: Questi transistor sono spesso costruiti su un substrato n+, che fornisce un contatto di collettore a bassa resistenza. Su questo substrato viene fatto crescere uno strato epitassiale di tipo n leggermente drogato per formare la regione di collettore attiva. La base di tipo p e gli emettitori di tipo n fortemente drogati vengono quindi formati per diffusione nello strato epitassiale. Per gestire correnti significative, i contatti di emettitore e base sono spesso modellati secondo geometrie superficiali specifiche, come:
  • Interdigitato: Una struttura a pettine con dita interconnesse, adatta per applicazioni a piccolo segnale.
  • Sovrapposizione e matrice: Geometrie progettate per massimizzare la periferia dell'emettitore per gestire livelli di potenza più elevati.
• Funzionamento: Per l'amplificazione nella regione attiva, la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente e la giunzione collettore-base è polarizzata inversamente. Quando viene applicato un segnale a microonde, il suo picco positivo aumenta la polarizzazione diretta sulla giunzione emettitore-base. Per un transistor npn, questo inietta elettroni dall'emettitore nella sottilissima base di tipo p. Questi elettroni vengono quindi rapidamente trascinati attraverso la giunzione collettore-base polarizzata inversamente dall'elevato campo elettrico, creando un impulso di corrente amplificato nel circuito del collettore.

I dispositivi a stato solido possono essere classificati in base al loro comportamento elettrico, che determina la loro funzione primaria in un circuito a microonde.

• Resistenza non lineare: Dispositivi come i varistori, in cui la resistenza cambia con la tensione.
• Reattanza non lineare: Dispositivi come i diodi varactor, in cui la capacità cambia con la tensione.
• Resistenza negativa: Una classe fondamentale di dispositivi, tra cui i diodi Gunn e IMPATT, che possono essere utilizzati per creare oscillatori e amplificatori.
• Impedenza controllabile: Dispositivi come il diodo PIN, utilizzati per la commutazione e l'attenuazione.

Dopo aver introdotto il transistor a microonde, passeremo ora a esaminare nel dettaglio vari diodi a microonde specializzati che svolgono un'ampia gamma di funzioni critiche.

4.2 Diodi a microonde specializzati

I diodi sono componenti fondamentali nei sistemi a microonde e svolgono una vasta gamma di funzioni, dalla generazione e amplificazione del segnale alla miscelazione, commutazione e rilevamento. Le loro strutture semiconduttrici specializzate sono progettate per sfruttare specifici fenomeni fisici che si manifestano alle frequenze delle microonde. Questa sezione esaminerà diverse tipologie importanti.

Diodo Varactor

• Principio di funzionamento: Il diodo Varactor è funzionalmente un condensatore a tensione variabile. Quando una giunzione pn a semiconduttore viene polarizzata inversamente, si forma una "regione di svuotamento" priva di portatori mobili. Questa regione funge da dielettrico di un condensatore. L'ampiezza di questa regione, e quindi la capacità della giunzione (Cj), può essere controllata dalla tensione di polarizzazione inversa applicata (Vr). La relazione è data da: Cj \: \alpha \: Vr}^{-n} dove 'n' dipende dal profilo di drogaggio della giunzione. Aumentando la tensione inversa si allarga la regione di svuotamento e si diminuisce la capacità.
• Costruzione: Un tipico diodo varactor a microonde è costituito da un wafer semiconduttore incapsulato in un involucro ceramico con conduttori progettati per una bassa induttanza e capacità parassite.
• applicazioni: La loro capacità regolabile in tensione li rende ideali per l'uso in amplificatori parametrici, moltiplicatori di frequenza, elementi di sintonizzazione in oscillatori, generazione di impulsi e modulazione di frequenza.

Diodo a barriera Schottky

• Principio di funzionamento: Questo dispositivo è realizzato creando una giunzione tra un metallo e un semiconduttore (tipicamente di tipo n). A differenza di un diodo pn standard, il diodo Schottky funziona in base ai portatori di maggioranza. Quando polarizzato direttamente, gli elettroni vengono iniettati dal semiconduttore nel metallo con pochissima carica immagazzinata, consentendo al diodo di accendersi e spegnersi molto rapidamente. Durante la polarizzazione inversa, l'altezza della barriera aumenta e il flusso di elettroni si interrompe.
• Costruzione: La costruzione prevede il montaggio di un pellet semiconduttore su una base metallica e il contatto puntuale con un filo tagliente caricato a molla. Questa struttura è facilmente integrabile in supporti a guida d'onda o coassiali.
• applicazioni: La loro elevata velocità di commutazione e il basso rumore li rendono eccezionalmente utili come rilevatori e miscelatori nei ricevitori a microonde e nei sistemi radar a onda continua.

Dispositivi a effetto Gunn (TED)

• Principio di funzionamento: I "diodi" Gunn non sono diodi tradizionali con giunzione pn, ma sono dispositivi semiconduttori di massa (tipicamente arseniuro di gallio di tipo n, GaAs) che presentano un effetto di resistenza negativo. L'effetto, noto come Effetto di trasferimento degli elettroni, deriva dalla particolare struttura a bande elettroniche del GaAs, che presenta una valle a bassa energia e alta mobilità (valle L) e una valle a più alta energia e bassa mobilità (valle U). Quando il campo elettrico applicato supera una soglia critica, gli elettroni acquisiscono energia sufficiente per trasferirsi nella valle U, dove la loro mobilità diminuisce drasticamente. Ciò fa sì che la corrente del dispositivo diminuisca all'aumentare della tensione, creando una regione di resistenza differenziale negativa.
• Costruzione: Si tratta di dispositivi di massa senza giunzione pn, spesso denominati dispositivi a trasferimento di elettroni (TED).
• applicazioni: Questa proprietà di resistenza negativa consente ai dispositivi Gunn di funzionare come oscillatori. Sono ampiamente utilizzati nei trasmettitori radar, negli oscillatori di potenza e come oscillatori locali nei ricevitori.

Passeremo ora a un'altra importante classe di diodi che presentano anch'essi una resistenza negativa, ma la ottengono attraverso un diverso meccanismo fisico che coinvolge il tempo di transito del portatore.

4.3 Dispositivi di rilevamento del tempo di transito delle valanghe

I dispositivi a tempo di transito a valanga rappresentano una potente classe di componenti a microonde in grado di generare una potenza significativa ad alte frequenze. Il loro funzionamento si basa su un'ingegnosa combinazione di due fenomeni: l'ionizzazione da impatto (scarica a valanga) e il tempo di transito finito necessario ai portatori di carica per attraversare il materiale semiconduttore. Il ritardo accuratamente progettato tra il picco di tensione RF e l'impulso di corrente risultante, combinato con il ritardo del tempo di transito, crea un effetto di resistenza negativa dinamica. Ciò consente ai dispositivi di funzionare come oscillatori e amplificatori altamente efficienti.

Diodo IMPATT

• Nome e cognome: Diodo a tempo di transito a valanga con ionizzazione a impatto.
• Funzionamento: Il diodo IMPATT è alimentato da un'elevata polarizzazione inversa in corrente continua che lo porta sull'orlo della rottura a valanga. Una tensione alternata RF più piccola viene sovrapposta a questa polarizzazione in corrente continua. Durante il semiperiodo positivo della tensione RF, il campo totale diventa sufficientemente intenso da causare ionizzazione da impattoQuesto processo non è istantaneo; la corrente di valanga si accumula e raggiunge il suo picco dopo che la tensione RF ha superato il suo picco, con conseguente approssimazione sfasamento di 90° tra la tensione e l'impulso di corrente. Questo impulso di carica si sposta quindi attraverso il resto dello strato n+. Lo spessore di questa regione di deriva è progettato in modo che il tempo di transito corrisponda a un altro sfasamento di 90°Lo sfasamento totale di 180° crea l'effetto di resistenza negativa.
• Svantaggi e applicazioni: Il processo a valanga è intrinsecamente rumoroso. Tuttavia, i diodi IMPATT sono in grado di generare elevata potenza e sono ampiamente utilizzati negli oscillatori a microonde, nei trasmettitori a bassa potenza (ad esempio, nei radar della polizia) e negli amplificatori a resistenza negativa.

Diodo TRAPATT

• Nome e cognome: Diodo di transito innescato da valanga di plasma intrappolato.
• Funzionamento: Il diodo TRAPATT funziona in una modalità ciclica complessa. Ai suoi capi si genera un'alta tensione (AB). Questo innesca una rapida scarica a valanga, creando un denso plasma intrappolato di elettroni e lacune che provoca il collasso della tensione (BC). Questo plasma intrappolato viene lentamente estratto a bassa tensione (CDE). Una volta che il plasma è stato eliminato, la tensione inizia a tornare a crescere (EFG) e il ciclo si ripete. Questo ciclo di rapido collasso della tensione e lento recupero consente al dispositivo di funzionare come un oscillatore ad alta efficienza.

Diodo BARITT

• Nome e cognome: Diodo a tempo di transito di iniezione BARRIER.
• Funzionamento: Anche il diodo BARITT utilizza il tempo di transito per ottenere una resistenza negativa, ma differisce dal diodo IMPATT nel suo meccanismo di iniezione dei portatori. Invece di affidarsi alla rumorosa ionizzazione a impatto, utilizza l'iniezione di portatori da una giunzione polarizzata direttamente (spesso una barriera Schottky). I portatori iniettati si spostano quindi attraverso una regione, fornendo il ritardo di transito necessario per creare una resistenza negativa. La sua tipica struttura è metallo-semiconduttore-metallo (mnm). Il vantaggio principale del diodo BARITT è il suo rumore significativamente inferiore, sebbene generi in genere meno potenza di un IMPATT.

Sebbene i dispositivi a stato solido abbiano rivoluzionato i moderni sistemi a microonde grazie alle loro dimensioni compatte, la richiesta di generazione di energia elevata in applicazioni come i collegamenti radar e satellitari si basa ancora sui solidi principi della tecnologia dei tubi a vuoto, che esploreremo nel prossimo modulo.