4.1 Wprowadzenie do urządzeń mikrofalowych w stanie stałym

Ewolucja inżynierii mikrofalowej charakteryzowała się znaczącym przesunięciem w kierunku technologii półprzewodnikowej. W porównaniu z poprzedzającymi je technologiami lamp próżniowych, układy półprzewodnikowe oferują istotne zalety w postaci mniejszych rozmiarów, niższego napięcia i poboru mocy, a także możliwości masowej produkcji i integracji w układach monolitycznych. Ten krok umożliwił rozwój kompaktowych i przenośnych systemów mikrofalowych, na których polegamy dzisiaj. Niniejszy moduł omówi kluczowe tranzystory i specjalistyczne diody, które zostały zaprojektowane do efektywnej pracy w częstotliwościach mikrofalowych.

Tranzystory mikrofalowe

Aby działać w częstotliwościach mikrofalowych, tranzystory muszą być specjalnie zaprojektowane, aby zminimalizować pojemności pasożytnicze i skrócić czas przejścia, które w przeciwnym razie pogorszyłyby wydajność. Typowym urządzeniem do tego celu jest krzemowy tranzystor mikrofalowy NPN.

• Budowa: Tranzystory te są często budowane na podłożu n+, które zapewnia niskooporowy styk kolektora. Na tym podłożu narasta lekko domieszkowana warstwa epitaksjalna typu n, tworząc aktywny obszar kolektora. Baza typu p i silnie domieszkowane emitery typu n są następnie formowane przez dyfuzję do warstwy epitaksjalnej. Aby poradzić sobie ze znacznym natężeniem prądu, styki emitera i bazy są często formowane w określone geometrie powierzchni, takie jak:
  • Przeplatane: Grzebieniowata struktura splecionych palców, odpowiednia do zastosowań w małych sygnałach.
  • Nakładka i matryca: Geometrie zaprojektowane tak, aby zmaksymalizować obwód emitera i umożliwić obsługę wyższych poziomów mocy.
• Działanie: W celu wzmocnienia w obszarze aktywnym, złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym. Po przyłożeniu sygnału mikrofalowego, jego dodatni pik zwiększa polaryzację w kierunku przewodzenia złącza emiter-baza. W przypadku tranzystora NPN powoduje to wstrzyknięcie elektronów z emitera do bardzo cienkiej bazy typu p. Elektrony te są następnie szybko przenoszone przez spolaryzowane w kierunku zaporowym złącze kolektor-baza przez wysokie pole elektryczne, generując wzmocniony impuls prądowy w obwodzie kolektora.

Urządzenia półprzewodnikowe można klasyfikować na podstawie ich właściwości elektrycznych, które określają ich podstawową funkcję w obwodzie mikrofalowym.

• Opór nieliniowy: Urządzenia takie jak warystory, w których rezystancja zmienia się w zależności od napięcia.
• Reaktancja nieliniowa: Urządzenia takie jak diody waraktorowe, w których pojemność zmienia się w zależności od napięcia.
• Opór negatywny: Istotna klasa urządzeń, obejmująca diody Gunna i IMPATT, które można wykorzystać do tworzenia oscylatorów i wzmacniaczy.
• Kontrolowana impedancja: Urządzenia takie jak dioda PIN służą do przełączania i tłumienia.

Po przedstawieniu tranzystora mikrofalowego przejdziemy teraz do szczegółowego omówienia różnych wyspecjalizowanych diod mikrofalowych, które pełnią szeroką gamę ważnych funkcji.

4.2 Specjalistyczne diody mikrofalowe

Diody są podstawowymi elementami systemów mikrofalowych, pełniącymi różnorodne funkcje, od generowania i wzmacniania sygnału, po miksowanie, przełączanie i detekcję. Ich specjalistyczne struktury półprzewodnikowe są projektowane w celu wykorzystania specyficznych zjawisk fizycznych, które są widoczne w częstotliwościach mikrofalowych. W tej sekcji omówimy kilka ważnych typów diod.

Dioda Varactor

• Zasada działania: Dioda waraktorowa jest funkcjonalnie kondensatorem o zmiennym napięciu. Po spolaryzowaniu zaporowo złącza pn półprzewodnikowego powstaje „obszar zubożony” wolny od nośników ruchomych. Obszar ten działa jak dielektryk kondensatora. Szerokość tego obszaru, a tym samym pojemność złącza (C_j), można kontrolować za pomocą przyłożonego napięcia polaryzacji zaporowej (V_r). Zależność ta jest opisana wzorem: C_j \: \alpha \: V_{r}^{-n}, gdzie „n” zależy od profilu domieszkowania złącza. Zwiększenie napięcia zaporowego poszerza obszar zubożony i zmniejsza pojemność.
• Budowa: Typowa dioda waraktorowa mikrofalowa składa się z płytki półprzewodnikowej umieszczonej w obudowie ceramicznej z wyprowadzeniami zaprojektowanymi tak, aby zapewnić niską indukcyjność i pojemność pasożytniczą.
• Aplikacje: Ich pojemność regulowana napięciem sprawia, że ​​idealnie nadają się do stosowania we wzmacniaczach parametrycznych, mnożnikach częstotliwości, elementach strojących w oscylatorach, generowaniu impulsów i modulacji częstotliwości.

Dioda barierowa Schottky’ego

• Zasada działania: To urządzenie powstaje poprzez utworzenie złącza między metalem a półprzewodnikiem (zazwyczaj typu n). W przeciwieństwie do standardowej diody pn, dioda Schottky'ego działa w oparciu o nośniki większościowe. W stanie polaryzacji w kierunku przewodzenia elektrony są wstrzykiwane z półprzewodnika do metalu z bardzo małym ładunkiem, co pozwala diodzie na bardzo szybkie włączanie i wyłączanie. W stanie polaryzacji zaporowej wysokość bariery wzrasta, a przepływ elektronów zatrzymuje się.
• Budowa: Konstrukcja polega na zamontowaniu pastylki półprzewodnikowej na metalowej podstawie i wykonaniu punktowego styku za pomocą ostrego, sprężynowego drutu. Tę konstrukcję można łatwo zintegrować z montażem falowodowym lub koncentrycznym.
• Aplikacje: Duża prędkość przełączania i niski poziom szumów sprawiają, że są one wyjątkowo przydatne jako detektory i mieszacze w odbiornikach mikrofalowych i systemach radarowych fali ciągłej.

Urządzenia efektu Gunna (TED)

• Zasada działania: „Diody” Gunna nie są tradycyjnymi diodami ze złączem pn, lecz półprzewodnikowymi elementami (zwykle z arsenku galu typu n, GaAs), które wykazują ujemny efekt rezystancji. Efekt ten, znany jako Efekt przeniesienia elektronu, wynika z unikalnej struktury pasmowej GaAs, która charakteryzuje się doliną o niższej energii i wysokiej ruchliwości (dolina L) oraz doliną o wyższej energii i niskiej ruchliwości (dolina U). Gdy przyłożone pole elektryczne przekracza próg krytyczny, elektrony zyskują wystarczającą energię, aby przenieść się do doliny U, gdzie ich ruchliwość gwałtownie spada. Powoduje to spadek prądu urządzenia wraz ze wzrostem napięcia, tworząc obszar ujemnej rezystancji różnicowej.
• Budowa: Są to urządzenia bez złącza p-n, często nazywane urządzeniami transferującymi elektrony (TED).
• Aplikacje: Ta ujemna rezystancja pozwala urządzeniom Gunna działać jako oscylatory. Są one szeroko stosowane w nadajnikach radarowych, oscylatorach mocy oraz jako oscylatory lokalne w odbiornikach.

Przejdziemy teraz do omówienia innej ważnej klasy diod, które również wykazują ujemną rezystancję, ale osiągają ją poprzez inny mechanizm fizyczny, związany z czasem przejścia nośników.

4.3 Urządzenia do pomiaru czasu przejścia lawiny

Urządzenia wykorzystujące technologię lawinowego pomiaru czasu przejścia reprezentują potężną klasę komponentów mikrofalowych, zdolnych do generowania znacznej mocy przy wysokich częstotliwościach. Ich działanie opiera się na przemyślanym połączeniu dwóch zjawisk: jonizacji uderzeniowej (przebicia lawinowego) oraz skończonego czasu przejścia nośników ładunku przez materiał półprzewodnikowy. Starannie zaprojektowane opóźnienie między szczytowym napięciem RF a powstałym impulsem prądu, w połączeniu z opóźnieniem czasu przejścia, tworzy dynamiczny efekt ujemnej rezystancji. Dzięki temu urządzenia te mogą działać jako wysoce efektywne oscylatory i wzmacniacze.

Dioda IMPATT

• Imię i nazwisko: Dioda IMPact Avalanche Transit Time z jonizacją udarową.
• Działanie: Dioda IMPATT pracuje z wysokim napięciem wstecznym prądu stałego, co doprowadza ją na skraj przebicia lawinowego. Na to napięcie stałe nakładane jest mniejsze napięcie przemienne RF. Podczas dodatniej połowy okresu napięcia RF całkowite pole staje się wystarczająco silne, aby spowodować jonizacja uderzeniowaProces ten nie jest natychmiastowy; prąd lawinowy narasta i osiąga swój szczyt po tym, jak napięcie RF przekroczy swój szczyt, co powoduje przybliżoną Przesunięcie fazowe o 90° między napięciem a impulsem prądu. Ten impuls ładunku dryfuje następnie przez pozostałą część warstwy n+. Grubość tego obszaru dryfu jest zaprojektowana tak, aby czas przejścia odpowiadał innemu Przesunięcie fazowe o 90°Całkowite przesunięcie fazowe o 180° powoduje efekt ujemnej rezystancji.
• Wady i zastosowania: Proces lawinowy jest z natury uciążliwy. Diody IMPATT są jednak w stanie generować dużą moc i są szeroko stosowane w oscylatorach mikrofalowych, nadajnikach małej mocy (np. radarach policyjnych) oraz wzmacniaczach o ujemnej rezystancji.

Dioda TRAPATT

• Imię i nazwisko: Uwięziona dioda tranzytowa wyzwalana lawiną plazmową.
• Działanie: Dioda TRAPATT pracuje w złożonym, cyklicznym trybie. Na diodzie narasta wysokie napięcie (AB). Wywołuje to gwałtowne przebicie lawinowe, tworząc gęstą, uwięzioną plazmę elektronów i dziur, która powoduje spadek napięcia (BC). Ta uwięziona plazma jest powoli uwalniana przy niskim napięciu (CDE). Po usunięciu plazmy napięcie zaczyna ponownie rosnąć (EFG), a cykl się powtarza. Ten cykl gwałtownego spadku napięcia i powolnego powrotu do pierwotnego stanu pozwala urządzeniu działać jako wysoce wydajny oscylator.

Dioda BARITT

• Imię i nazwisko: Dioda czasu przejścia wtrysku BARrier.
• Działanie: Dioda BARITT również wykorzystuje czas przelotu do uzyskania ujemnej rezystancji, ale różni się od diody IMPATT mechanizmem wstrzykiwania nośników. Zamiast polegać na zaszumionej jonizacji uderzeniowej, wykorzystuje wstrzykiwanie nośników ze złącza spolaryzowanego w kierunku przewodzenia (często bariery Schottky'ego). Wstrzyknięte nośniki dryfują następnie przez pewien obszar, zapewniając niezbędne opóźnienie czasu przelotu, aby wytworzyć ujemną rezystancję. Jej typowa konstrukcja to struktura metal-półprzewodnik-metal (mnm). Główną zaletą diody BARITT jest znacznie niższy poziom szumów, chociaż zazwyczaj generuje ona mniej mocy niż dioda IMPATT.

Chociaż urządzenia półprzewodnikowe zrewolucjonizowały nowoczesne systemy mikrofalowe dzięki swoim kompaktowym rozmiarom, zapotrzebowanie na generację dużej mocy w zastosowaniach takich jak radary i łącza satelitarne nadal opiera się na niezawodnych zasadach technologii lamp próżniowych, które omówimy w następnym module.