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