3.4.      Диоды СВЧ-диапазона

Диоды СВЧ-диапазона длин волн появились в период разви­тия радиолокационной техники и освоения диапазона коротких волн. К диапазону СВЧ обычно относят область частот от 300 МГц до 300 ГГц, т.е. дециметровые, сантиметровые и миллиметровые длины волн.

Современные СВЧ-диоды изготавливают на основе структур с р-п-переходом, с переходом металл-полупроводник (диоды Шотки), со структурой типа р-i-п. Выпрямляющий переход мо­жет быть как точечным, так и плоскостным, полученным методом диффузии, эпитаксии, ионного легирования или микросплавления. Широкое применение в технике высоких и сверхвысоких частот находят диоды Шотки, выпрямительные свойства которых опре­деляются переходом металл – полупроводник.

Особен­ностями диодов Шотки является следующее:

· ток переносится основны­ми носителями заряда, и отсутствует инжекция неосновных носи­телей заряда;

· отсутствует диффузионная емкость, связанная с процессами накопления и рассасывания неосновных носителей заряда, что существенно повышает быстродействие диодов при переключении тока;

· прямое падение напряжения меньше, чем в обычных диодах с р-п-переходом.

Типичными для диодов Шотки являются прямые напряжения 0,4 – 0,5 В, что примерно на 0,2 В меньше, чем у кремниевых р-п-переходов. Диоды Шотки обла­дают почти идеальной прямой ветвью ВАХ, которая соответствует выражению (1.15) в очень широком диапазоне токов. Об­ратные токи диодов Шотки близки к реальным обратным токам кремниевых р-п-переходов и определяются термогенерацией но­сителей заряда в запирающем слое.

Для получения качественных барьеров Шотки используется вакуумное напыление металлов (молибдена, золота, алюминия и др.) на тщательно очищенную по­верхность высокоомного кремния. Перечисленные преимущества диодов Шотки делают их весьма перспективными для применения в импульсных устройствах и устройствах СВЧ.

Статические характеристики СВЧ-диодов практически не от­личаются от характеристик обычных диодов. Для обратной ветви характерно низкое напряжение пробоя.

По назначению и области применения СВЧ-диоды можно раз­делить на следующие типы: детекторные, переключательные, сме­сительные, умножительные, модуляторные, ограничительные и ре­гулируемые резистивные.

Детекторные СВЧ-диоды предназначены для детектирования сигнала, т.е. выпрямления радиоимпульсов СВЧ колебаний. По­лезный эффект детектирования определяется чувствительностью по току или напряжению.

Чувствительность по току – это отно­шение выпрямленного тока короткого замыкания к поданной на диод СВЧ мощности.

Чувствительность по напряжению – отно­шение приращения напряжения на выходе диода к вызвавшей это приращение мощности СВЧ-сигнала, подводимой ко входу диод­ной камеры с детекторным диодом в рабочем режиме.

Переключательные диоды, предназначаются для применения в устройствах управления уровнем СВЧ-мощности. Наибольшее распространение получили переключательные диоды с плоскост­ным р-п-переходом, полученным диффузией. Разновидностью переключательных дио­дов являются ограничительные полупроводниковые диоды с ла­винным пробоем, предназначенные для ограничения импульсов напряжения, в которых используется зависимость сопротивления переменному току диода от СВЧ-мощности. Переключательные диоды с р-i-n-структурой называют регулируемыми ре

зистивными диодами. Их изготавливают из кремния. Малые емкость и индуктивность р-i-n-структуры при таком включении обеспечи­вают широкую полосу рабочих частот.

Скорость переключения СВЧ-каналов с помощью переключа­тельного диода определяется временем выключения диода, т.е. вре­менем, за которое напряжение на диоде при переключении из от­крытого состояния в закрытое нарастает от 0,2 до 0,8 максималь­ного напряжения. Время выключения определяется процессами накопления и рассасывания носителей заряда.

Смесительным называют полупроводниковый диод, предназна­ченный для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты. Это преобразование используют в особо чувствительных радиолокационных приемниках, где высокочастот­ный сигнал и напряжение гетеродина с помощью смесительного диода преобразуют до сигнал
а более низкой, так называемой промежуточной частоты, что облегчает задачу детектирования огибающей сигнала.

Основными параметрами смесительных диодов являются:

· по­тери преобразования (L);

· коэффициент шума ();

· выпрямленный ток () при заданном уровне мощности.

Потери преобразования, выраженные в децибелах, равны:

,

где  – мощность СВЧ-сигнала, подаваемого на смеситель; – мощность сигна­ла промежуточной частоты.

Значение выпрямленного тока определяет выпрямляющие свой­ства СВЧ-диода на рабочей частоте и характеризует потери пре­образования. Чем больше , тем меньше потери преобразо­вания.

Умножительные диоды предназначены для умножения часто­ты, а модуляторныедля модуляции амплитуды переменного тока.

Отличительной особенностью СВЧ-диодов является их кон­структивное оформление. Корпус диода СВЧ-диапазона проекти­руется таким образом, чтобы он имел минимальные собственную емкость и индуктивность, обеспечивал надежное крепление прибо­ра (рис. 3.6).

Корпус патронного типа, металлокерамический (рис. 3.6, а) или металлостеклянный, используется в длинноволновом участке СВЧ-диапазона. Основными узлами этой конструкции являются керамическая втулка с резьбой 3 и соединяемые с ней резьбовая втулка 1 и иглодержатель 6. Контактная пружинка 5 с заостренным концом изготовлена из вольфрамовой проволоки. Полупроводниковый кристалл 4 напаян на кристаллодержатель 2.

В коротковолновой части СВЧ-диапазона используют другие конструкции. Для конструкции коаксиального типа харак­терно отсутствие выступающих деталей корпуса. Для сборки и настройки прибора в баллон ввинчивается резьбовой кристаллодержатель с полупроводнико­вым кристаллом. В конструкции волноводного типа кристалл по­лупроводника и контактную пружину монтируют непосредственно в отрезке волновода.