Файл: Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.07.2024
Просмотров: 85
Скачиваний: 0
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
РЯЗАНСКИЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
>
А. Н. Б АЛЯБИН
\
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ
Рязань 1973
- ' о
ЙігіНйС'ГЕРСТВО ВЫСШЕГО А СРЕДНЕГО „ііЕіШ Л Ш ГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
РЯЗАНСКІЙ РАд йОТЕлНЯЧЕОгіИЯ ИНСТИТУТ
А.Н. ВЛЛЯБйН
TB£P£0TE.’!L1!L1E ПРИБОРЫ СВЧ
Учебное пособие
Рнзань ХЭ73 .
■ Одобрено методическим Советом. Рязанского радиотехничес кого института 21 декабря І??2 года-.
В пособии рассматриваются принципы действия и возможные режимы работы полупроводниковых приборов, используемых для
генерирования, усиления и преобразования колебаний СБЧ в
современных радиоэлектронных устройствах. Основное инима - ние уделено приборам, основанным на использовании явлений в объема полупроводника: лавинно-пролетным диодом и прибо ром с мекдолиныым перекосом электронов.
Учебное пособие предназначено для студентов радиотехни ческих специальностей, изучающих дисциплину "Электронные и
Александр Николаевич БАЛЛ5ИН
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ПРИБОРЫ СВЧ
Учебное пособие
Редактор |
Е .Ій.Ковалева |
. |
Корректор |
П.іІ.ііерехиеет |
||
НБ 03044 |
Подписано |
в |
печать |
16/1- І-Ч7.ѵ г. |
||
Формат 60x84/16. Печ.л. |
6. |
Уч.-изд.л. о ,28. |
||||
Заказ |
№/'АчЭ |
Тираж 600.экз. Цена 55*®* • |
||||
|
Рязанская ооластная |
типографе |
||||
|
г.Рязань, |
ул.Новая, 69 |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Количество периодической научно-технической лите
ратуры, посвященной теоретическому и экспериментально
му исследованию полупроводниковых приборов СВЧ |
(ГШ СВЧ) |
||
и |
их применению, б настоящее |
время чрезвычайно |
велико |
и |
непрерывно увеличивается. |
Подавляющее большинство |
работ представляют результаты исследования узких проб лем, связанных- с созданием отдельных типов откх при - боров и их применением. В таких условиях студентам,
изучающим приборы СЕЧ указывается затруднительно разоб раться в существующем многообразий типов ПП СВЧ и по нять основные направления их развития.
В 1972 г.' в налей стране вышел перевод книги "СВЧ
полупроводниковые приборы и их применение",написанной под редакцией Г.УотсонаКнига позволяет получить до статочно серьезное научное представление о физических принципах работы всех основных ПП С?Ч и методах их расчета. Однако Ънв ухе стала редкостью.
Настоящее пособие ставит своей целью познакомить
студентов с принципами действия основных типов совре менных ПП СВЧ и режимами их работы в радиоэлектронной
аппаратуре. |
Изложение материала ведется с учетом |
объе |
|
ма сведений |
по полупроводниковым приборам низких |
и вы- |
|
. со |
üC'VCT,полученных при изучении дисциплины |
"Элект |
ровные приборы". Наибольшее внимание уделено приборам, основанным на использовании явлений в объеме полупро водника: лавинно-пролетным диодам и приборам 'с междо линным переносом электронов.
-4 -
ВВ Е Д Е Н И Е
Впервые твердотельные приборы ( ТТП ) в диапазоне СВЧ появились в 1940 г. Это были точечные W S i -диоды,
предназначенные для детектирования и преобразования частоты. Почти в течение £0 лет они оставались единст венным типом твердотельных приборов СВЧ. •**
Достижения'в технологии транзисторов,в изучении
"поведения" полупроводников в сильных электрических полях в начале 6и-х годов позволили создать твердотель
ные приборы,работающие на дециметровых,сантиметровых и даже миллиметровых волках. Темпы проникновения полу
проводниковых приборов в область СВЧ были особенно зна чительны в период 1966-59 гг .
Общее представление о состоянии уровня техничес
кого развития |
ТТЛ к концу. 1971 г. даёт приведенная на |
|
рис.1 диаграмма мощность-частота, на которой нанесены |
||
линии--постоя иных значений |
произведения выходной мощно |
|
сти нд квадрат |
частоты |
Вт-ГГц2 г язляющегося обоб- |
|
|
J |
Щёйішы параметром дйя твердотельных генераторов и уси |
лителей СЕЧ, работающих в импульсном и непрерывном ре жимах. Для сравнения следует указать-, что'максимальное значение•этого параметра для вакуумных электронных
приборов, |
работающих в |
импульсном режиме, составляет |
|
/ 0 д - ! |
0 9 Вт-ГГц К В |
непрерывном режиме j'Q - /0’ ° ВтГГц. |
|
Достигнутые .значения мощности в |
ТТП СВЧ близки к |
||
теоретическому пределу |
.цля известных |
полупроводниковых |
материалов. Повышение выходной мощности за счет пзрал-
- D
лельного включения кескояьк /дс С;динаковых приборов так—
же ограничено. Из-за очень малого сопротивления таких
Рис Л . Максимальные значения мощности,получен ные с помощью твердотельных прибороз С5Ч
к концу 1571 г.
1-генеоаторы на туннельных диодах; 2-заоактсрные ум ножители; 3-транаисторы в непрерывном режиме; 4- траыэисторы в импульсном режиме; о-генеоаторы на ^МЭП-приборах в непрерывном режиме; б-генераторы на ■МЭП-прибошх в импульсном режиме; 7-ЛПД пролетные
колебания' в непрерывном режиме; 8-ЛПД пролетные колебания в импульсном режиме; 9-неггоерызный режим 0Н03; 10-импульсный режим 0Н03; 11-ЛДД ' колебания с бегущей лавиной . •
сложных систем оказывается затруднительным согласование
их со схемами СВЧ, з результате чего теряется значитель
ная часты мощности генератора-. Поэтому в дальнейшем
развитие мощных СЕЧ вакуумных и твердотельных приборов,
вероятно,•будет идти параллельно. Возможен также путь
ТбсрдотьныеприборыCB1!
- б -
|
СВЧ. |
|
1 |
твепдотельных приборов |
|
Классификация |
||
I |
||
|
||
|
Рис.И. |
создания гибридных приборов СИ, ■сочетавших достоин ства вакуумных и твердотельных приборов.
По принципу действия все твердотельные приборы» используемые для генерирования,усилении а преобразова- 'ния колебаний СБЧ, могут быть разделены на две группы: приборы.основаиные на использовании физических явлений в переходах, и приборы, основанные на .использовании явленій з объеме однородного полупроводника. На рис.2 приведена классификация "основных типов. ТТП СВЧ, рассмат риваемых.далее, основанная на таком делении.
\
\
I
_ р, -
Раздел первый СВЕРХЗКСОКСЧАСГОТНЫЕ ДИОДЫ И ТРАНЗИСТОРЫ ■
1 .СМЕСИТЕЛЬНЫЕ И ДЕТЕКТОРНЫЕ ДИОДЫ С№ Сваристоры)
В настоящее время лучшими преобразовательными и детекторными диодами на СВР являются точечные диоды (прижимкой контакт между металлом и полупроводником) и диоды с барьером Шоттки ( металл,осажденный на поверх ности полупроводника ) .
Точечные диоды и .диоды с барьером Шоттки приме няются для преобразования частоты и детектирования в дециметровом,сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн. В качестве полупроводника используются кремний, германий к арсенид галлия. Контактные пары металл-слв- болэгирозакный полупроводник обеспечивает выпрямляю щий эффект вследствие-потенциального барьера в месте контакта. о
Устройство и примерные размеры современных вариа торов показаны на рис.З .В точечных диодах (рис.3,в‘) контактная пара образуется путем прижатия острия воль фрамовой пружинки к поверхности эпитаксиального слоя
р-кремния, Б месте прижатия-металлического острия
■образуется погенгпалькый барьер. Физические процессы, связанные с откм барьером, в настоящее время еще не полностью ясны.
. Диоды с барьером Шоттки.изготовляются по планар
ной технологии ( рис.З,й), Контакт образуется путем
&2+75мкм% |
!Л |
ф 5 т \ |
от |
||
|
1 |
|
|
’-о |
|
|
o ' |
I m 'l |
|
|
п |
i P* |
|
п |
у////У//Д/7у7///Ш, |
|
|
Рис.З- Конструкция смесительных СВЧ-диодов: |
||
а - с точечным |
контактом; |
б - с барьером Шоттки, |
напыления или гальванического осаждения металла на эпи
таксиальный' слой полупроводника |
л-типа., обычно оѴ |
или Gc/As . В этих диодах также |
образуется потенциаль |
ный барьер на границе металл-полупроводник,однако физи ческие процессы в этом случае соответствуют процессам барьера Шоттки.
Выпрямленный ток в точечных .диодах и диодах Шоттки определяется выражением
где Q -заряд электрона, U -напряжение на переходе,
П -коэффициент неидеальности.ВАХ диода, И -постоянная Больцмана, ^-абсолютная температура. Еольтамперные характеристики диодов показаны на ри с.4.
Эквивалентная схема варистора приведена на рис.5. Переход металл-полупроводник представляется параллель ным соединением емкости перехода Сп и нелинейной актив
ной проводимостью G |
.Активные потери в полупроводнике |
и металла учитываются |
последовательным сопротивлением . |