Микроволновая техника - Компоненты

В этой главе мы обсудим микроволновые компоненты, такие как микроволновые транзисторы и различные типы диодов.

СВЧ транзисторы

Существует необходимость в разработке специальных транзисторов, способных выдерживать микроволновые частоты. Следовательно, для микроволновых приложенийsilicon n-p-n transistorsкоторые могут обеспечивать адекватную мощность на микроволновых частотах. Обычно они имеют мощность 5 Вт на частоте 3 ГГц с усилением 5 дБ. Поперечный разрез такого транзистора показан на следующем рисунке.

Конструкция СВЧ транзисторов

An n эпитаксиальный слой типа выращен на n+подложка, составляющая коллектор. На этомnВ этой области слой SiO2 выращивается термически. Аp-base и сильно допированный n-emittersрастворяются в основании. Отверстия выполнены в оксиде для омических контактов. Подключения производятся параллельно.

Такие транзисторы имеют геометрию поверхности, которая подразделяется на встречно-штыревую, оверлейную или матричную. Эти формы показаны на следующем рисунке.

Силовые транзисторы используют все три геометрии поверхности.

Транзисторы с малым сигналом используют встречно-штыревую геометрию поверхности. Встречно-штыревые структуры подходят для приложений с малым сигналом в диапазонах L, S и C.

Геометрию матрицы иногда называют сеткой или сеткой эмиттера. Структуры Overlay и Matrix полезны в качестве силовых устройств в диапазонах UHF и VHF.

Работа СВЧ транзисторов

В микроволновом транзисторе первоначально переходы эмиттер-база и коллектор-база имеют обратное смещение. При подаче микроволнового сигнала переход эмиттер-база становится смещенным вперед. Еслиp-n-pТранзистор рассматривает приложение положительного пика сигнала, прямое смещение перехода эмиттер-база, заставляя отверстия дрейфовать к тонкой отрицательной базе. Отверстия далее ускоряются к отрицательному выводу напряжения смещения между выводами коллектора и базы. Нагрузка, подключенная к коллектору, получает импульс тока.

Твердотельные устройства

Классификация твердотельных микроволновых устройств может быть сделана -

  • В зависимости от их электрического поведения

    • Нелинейный резистивный тип.

      Пример - Варисторы (переменные сопротивления)

    • Тип нелинейного реактивного сопротивления.

      Пример - Варакторы (реакторы переменного тока)

    • Тип отрицательного сопротивления.

      Пример - туннельный диод, диод Импатта, диод Ганна.

    • Тип регулируемого импеданса.

      Пример - PIN-диод

  • В зависимости от конструкции
    • Точечно-контактные диоды
    • Диоды с барьером Шоттки
    • Металлооксидно-полупроводниковые приборы (МОП)
    • Устройства металлической изоляции

Типы диодов, которые мы здесь упомянули, имеют много применений, таких как усиление, обнаружение, выработка мощности, фазовый сдвиг, понижающее преобразование, повышающее преобразование, ограничивающая модуляция, переключение и т. Д.

Варакторный диод

Переменная по напряжению емкость обратносмещенного перехода может быть названа варакторным диодом. Варакторный диод - это полупроводниковое устройство, в котором емкость перехода может изменяться в зависимости от обратного смещения диода. Характеристики CV типичного варакторного диода и его символы показаны на следующем рисунке.

Емкость перехода зависит от приложенного напряжения и конструкции перехода. Мы знаем это,

$$ C_j \: \ alpha \: V_ {r} ^ {- n} $$

где

  • $ C_j $ = Емкость перехода

  • $ V_r $ = обратное напряжение смещения

  • $n$ = Параметр, определяющий тип соединения

Если переход имеет обратное смещение, подвижные носители истощают переход, что приводит к некоторой емкости, где диод ведет себя как конденсатор, а переход действует как диэлектрик. Емкость уменьшается с увеличением обратного смещения.

Корпус диода содержит электрические выводы, которые прикреплены к полупроводниковой пластине, и вывод, прикрепленный к керамическому корпусу. На следующем рисунке показано, как выглядит микроволновый варакторный диод.

Они способны работать с большими мощностями и большими обратными напряжениями пробоя. У них низкий уровень шума. Хотя изменение емкости перехода является важным фактором в этом диоде, паразитные сопротивления, емкости и проводимости связаны с каждым используемым диодом, и их следует поддерживать на низком уровне.

Применение варакторного диода

Варакторные диоды используются в следующих приложениях -

  • Повышающая конверсия
  • Параметрический усилитель
  • Генерация импульса
  • Формирование импульса
  • Цепи переключения
  • Модуляция микроволновых сигналов

Диод с барьером Шоттки

Это простой диод с нелинейным импедансом. Эти диоды в основном используются для обнаружения и смешивания микроволн.

Конструкция диода с барьером Шоттки

Таблетка полупроводника крепится на металлическом основании. К этой кремниевой таблетке острым концом присоединена подпружиненная проволока. Его можно легко установить в коаксиальные или волноводные линии. Следующий рисунок дает четкое представление о конструкции.

Работа диода с барьером Шоттки

При контакте полупроводника с металлом образуется обедненная область. Металлическая область имеет сравнительно меньшую ширину истощения. При контакте происходит поток электронов от полупроводника к металлу. Это истощение создает положительный объемный заряд в полупроводнике, и электрическое поле препятствует дальнейшему течению, что приводит к созданию барьера на границе раздела.

При прямом смещении высота барьера уменьшается, и электроны инжектируются в металл, тогда как при обратном смещении высота барьера увеличивается, и инжекция электронов почти прекращается.

Преимущества барьерного диода Шоттки

Это следующие преимущества.

  • Бюджетный
  • Simplicity
  • Reliable
  • Показатели шума от 4 до 5 дБ

Применение диода с барьером Шоттки

Это следующие приложения.

  • Смеситель с низким уровнем шума
  • Сбалансированный смеситель в радаре непрерывного действия
  • СВЧ детектор

Устройства эффекта Ганна

Дж. Б. Ганн обнаружил периодические колебания тока, протекающего через n-type GaAsобразец, когда приложенное напряжение превысило определенное критическое значение. В этих диодах есть две впадины,L & U valleysв зоне проводимости и перенос электрона происходит между ними в зависимости от приложенного электрического поля. Этот эффект инверсии населения из нижней L-долины в верхнюю U-долину называетсяTransfer Electron Effect и поэтому они называются Transfer Electron Devices (TED).

Применение диодов Ганна

Диоды Ганна широко используются в следующих устройствах -

  • Радиолокационные передатчики
  • Транспондеры в управлении воздушным движением
  • Системы промышленной телеметрии
  • Генераторы мощности
  • Логические схемы
  • Широкополосный линейный усилитель