Диоды сверхвысокочастотные: Переключательные диоды

Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах коммутации СВЧ сигналов (в защитных устройствах, в устройствах переключения типа “прием/передача”, в сканируемых антенных решетках и т.п.). Работа таких диодов основана на изменении их полного сопротивления на частоте сигнала в зависимости от величины и полярности напряжения смещения. Переключательные диоды бывают двух типов — резонансные и структуры \(p\)‑\(i\)‑\(n\) (см. диоды структуры p-i-n).

В резонансных диодах используется возможность получения последовательного или параллельного резонанса контура, составленного из реактивностей диода. Параметры схемы подбирают таким образом, чтобы при прямом смещении возникал резонанс параллельного контура, характеризующийся большим сопротивлением. При обратном смещении наступает резонанс последовательного контура и сопротивление диода резко падает. Такие диоды позволяют коммутировать СВЧ сигнал мощностью до 1 кВт в импульсном режиме и до 10 Вт в непрерывном режиме с временем переключения не более 20 нс.

Для повышения уровня коммутируемой мощности требуется увеличивать площадь перехода, что приводит к росту его емкости. Увеличение площади перехода при незначительной емкости достигается в \(p\)-\(i\)-\(n\)-диодах. Основой любого \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода является многослойная полупроводниковая структура, наиболее простой вид которой показан на рис. 2.8-4.

Рис. 2.8-4. Структура p-i-n-диода

Высокоомная внутренняя \(i\)-область имеет обычно толщину от единиц до сотен микрон, концентрация носителей заряда в ней составляет примерно 10¹³ см^‑3. Если источник внешнего постоянного напряжения подключен положительным полюсом к слою \(p\), а отрицательным — к \(n\), то в \(i\)-слое увеличивается концентрация электронов и дырок из-за инжекции дырок из \(p\)‑области и аккумуляции электронов из \(n\)-области. При этом концентрация инжектированных носителей составляет 10¹⁶...10¹⁷ см^-3. Через структуру протекает постоянный ток прямого направления. Обычно плотность тока составляет около 10 А/см². При обратном смещении количество носителей в \(i\)-слое падает относительно начального значения (10¹³ см^-3) еще примерно на порядок. Таким образом, количество носителей в \(i\)-слое при переходе от режима прямого тока к режиму обратного смещения меняется на четыре порядка. Примерно также меняется проводимость \(i\)‑слоя.

Вольт-амперная характеристика \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода, снятая на постоянном токе, качественно не отличается от вольт-амперной характеристики \(p\)-\(n\)-диода (рис. 2.8‑5). Главной отличительной особенностью \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода является то, что он представляет собой инерционную нелинейность. Механизм воздействия на диод напряжения СВЧ радикально отличается от воздействия постоянного напряжения или напряжения сравнительно низких частот.

Рис. 2.8-5. Статическая вольт-амперная характеристика p-i-n-диода и воздействие на него СВЧ сигнала

При воздействии на диод прямого постоянного тока в \(i\)-слое появляется накопленный заряд. При параллельном включении диода в передающую линию в нем протекает ток СВЧ. Влияние этого тока на накопленный заряд, т.е. на проводимость диода, много слабее, чем постоянного тока. Это объясняется тем, что изменение заряда, происходящее в положительный полупериод тока СВЧ, много меньше накопленного заряда. При отрицательных полупериодах СВЧ колебаний, когда ток через диод должен был бы отсутствовать (рис. 2.8‑5), изменение накопленного заряда и соответственно проводимости диода также оказывается незначительным.

Разница в воздействии на проводимость диода постоянного и СВЧ токов возрастает с увеличением времени жизни носителей заряда и повышением частоты колебаний СВЧ. При нулевом или отрицательном смещении низкая проводимость диода, ввиду его инерционности, сохраняется при сравнительно больших напряжениях СВЧ. Короткие положительные импульсы напряжения продолжительностью менее половины периода СВЧ колебаний (рис. 2.8‑5) недостаточны для изменения проводимости диода. Таким образом, для СВЧ колебаний, как в режиме прямого тока, так и в режиме обратного смещения, \(p\)‑\(i\)‑\(n\)‑диод может в первом приближении рассматриваться как стационарный линейный двухполюсник.

Мощность коммутируемого \(p\)‑\(i\)‑\(n\)‑диодами сигнала может достигать сотен киловатт в импульсе. Однако время переключения у этих диодов больше, чем у резонансных переключательных диодов, поскольку в основу их работы положены инерционные процессы инжекции и рассасывания носителей зарядов. При значительном увеличении СВЧ тока или снижении частоты колебаний в \(p\)-\(i\)-\(n\)-диодах может наблюдаться изменение проводимости диода под влиянием СВЧ сигналов, а также эффекты детектирования. Эти явления, с одной стороны, снижают значение коммутируемой мощности, а с другой стороны — полезны при построении полупроводниковых ограничителей СВЧ.

К основным параметрам переключательных диодов относятся: потери запирания (\(L_з\)) и потери пропускания (\(L_{пр}\)), связанные с ними параметр качества (\(K\)) и критическая частота диода (\(f_{кр}\)), время прямого и обратного восстановления, накопленный заряд и др.

Потери запирания (\(L_з\)) и потери пропускания (\(L_{пр}\)). Для любого переключательного диода характерны два основных режима работы. Первый режим — это такое состояние диода, когда коммутируемый им сигнал соответствующей мощности и частоты свободно проходит через коммутируемую цепь (режим пропускания). Второй режим заключается в блокировании диодом коммутируемой цепи на частоте коммутируемого сигнала (режим запирания). Коммутация осуществляется путем изменения сопротивления диода на рабочей частоте. Режиму запирания соответствует малое сопротивление, а режиму пропускания — высокое сопротивление. Для описания основных свойств диодного коммутатора в обоих режимах используется величина, равная отношению мощности СВЧ сигнала, подводимого к коммутационному устройству, к мощности проходящей через это устройство. Такое отношение, выражаемое обычно в децибелах, для режима запирания называется потерями запирания (\(L_з\)), а для режима пропускания — потерями пропускания (\(L_{пр}\)). Зная потери можно легко определить мощность, рассеиваемую на диоде в том или ином режиме работы:

\(P_{рас} = \cfrac{2 P_{пад}}{L} \left( \sqrt{L} -1 \right)\) .

Очевидно, что в режиме запирания рассеиваемая мощность выше и не должна превышать значения максимально допустимого для конкретного используемого в схеме диода.

Качество диода (\(K\)). Для обобщенной характеристики параметров потерь переключательного диода введен специальный коэффициент, который называется качеством переключательного диода. Этот коэффициент вычисляется по формуле:

\( K = \cfrac{\sqrt{L_з} - 1}{\sqrt{L_п} - 1}\) .

Таким образом, качество диода не зависит от схемы его включения в линию, волнового сопротивления линии и т.д., а целиком определяется характеристиками внутренней \(p\)‑\(i\)‑\(n\)‑структуры и параметрами сигнала.

Критическая частота (\(f_{кр}\)). Эффективность диодов при их применении в коммутационных устройствах СВЧ может быть оценена также с помощью такого параметра как критическая частота (\(f_{кр}\)). Критической частотой называется такая частота входного сигнала, при которой (при постепенном увеличении частоты) емкостное сопротивление структуры диода становится равным среднему геометрическому значению его активного сопротивления при прямом токе и обратном смещении.

В общем случае, для критической частоты выполняется:

\( f_{кр} = \cfrac{1}{2 \pi C_д \sqrt{r_{обр} r_{пр}}}\),

где:

\(C_д\) — емкость диода,

\(r_{пр}\) — прямое сопротивление потерь,

\(r_{обр}\) — обратное сопротивление потерь.

Критическая частота напрямую связана с качеством диода, которое может быть вычислено для рабочего сигнала с частотой \(f\) по следующей формуле:

\( K = {\left( \cfrac{f_{кр}}{f} \right)}^2\) .

Обычно в системе параметров переключательного диода содержатся: критическая частота, емкость и СВЧ сопротивление при определенном значении прямого тока. Активное сопротивление диода при отрицательном смещении может быть найдено исходя из приведенных выше формул.