Микроволновая техника — Компоненты

В этой главе мы поговорим о микроволновых компонентах, таких как микроволновые транзисторы и диоды разных типов.

Микроволновые Транзисторы

Существует необходимость в разработке специальных транзисторов, чтобы выдерживать микроволновые частоты. Следовательно, для микроволновых применений были разработаны кремниевые npn-транзисторы, которые могут обеспечить адекватную мощность на микроволновых частотах. Они имеют обычно 5 Вт на частоте 3 ГГц с усилением 5 дБ. Вид в поперечном сечении такого транзистора показан на следующем рисунке.

Конструкция СВЧ Транзисторов

Эпитаксиальный слой n- типа выращивают на подложке n +, которая составляет коллектор. В этой n- области слой SiO2 выращивается термически. Р-основа и сильно легированные н-излучатели диффундируют в основание. Отверстия выполнены в оксиде для омических контактов. Соединения выполняются параллельно.

Такие транзисторы имеют геометрию поверхности, которая классифицируется как встречная, наложенная или матричная. Эти формы показаны на следующем рисунке.

Силовые транзисторы используют все три геометрии поверхности.

Транзисторы с малым сигналом используют геометрию поверхности со смещением. Взаимозаменяемая структура подходит для применений с малым сигналом в диапазонах L, S и C.

Геометрию матрицы иногда называют сеткой или эмиттерной сеткой. Оверлейные и матричные структуры полезны в качестве силовых устройств в областях УВЧ и ОВЧ.

Работа СВЧ Транзисторов

В СВЧ-транзисторе первоначально переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в обратном направлении. При применении микроволнового сигнала соединение эмиттер-база становится смещенным в прямом направлении. Если рассматривать pnp- транзистор, то применение положительного пика сигнала направляет прямое смещение соединения эмиттер-база, создавая отверстия для дрейфа до тонкой отрицательной базы. Далее отверстия ускоряются до отрицательной клеммы напряжения смещения между коллектором и клеммами базы. Нагрузка, подключенная к коллектору, получает импульс тока.

Твердотельные устройства

Классификация твердотельных микроволновых устройств может быть сделано —

• В зависимости от их электрического поведения

  • Нелинейный тип сопротивления.

    Пример — Варисторы (переменные сопротивления)

  • Нелинейный тип реактивного сопротивления.

    Пример — варакторы (переменные реакторы)

  • Отрицательный тип сопротивления.

    Пример — туннельный диод, импульсный диод, диод Ганна

  • Тип контролируемого импеданса.

    Пример — PIN-диод

В зависимости от их электрического поведения

Нелинейный тип сопротивления.

Пример — Варисторы (переменные сопротивления)

Нелинейный тип реактивного сопротивления.

Пример — варакторы (переменные реакторы)

Отрицательный тип сопротивления.

Пример — туннельный диод, импульсный диод, диод Ганна

Тип контролируемого импеданса.

Пример — PIN-диод

• В зависимости от их конструкции
  • Точечные контактные диоды
  • Барьерные диоды Шоттки
  • Металлооксидные полупроводниковые приборы (МОП)
  • Металлоизолирующие устройства

Типы диодов, которые мы упомянули здесь, имеют много применений, таких как усиление, обнаружение, генерация мощности, сдвиг фазы, преобразование с понижением частоты, преобразование с повышением частоты, ограничение модуляции, переключение и т. Д.

Варактор Диод

Емкость с переменным напряжением в обратном смещенном контакте может быть названа Varactor диодом. Варакторный диод представляет собой полупроводниковое устройство, в котором емкость перехода может изменяться как функция обратного смещения диода. Характеристики CV типичного Varactor диода и его символов показаны на следующем рисунке.

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

Cj alphaV−nr $$C_j \: \ alpha \: V_ {r} ^ {- n}$$

куда

• $C_j$ = емкость перехода

• $V_r$ = обратное напряжение смещения

• $n$ = параметр, который определяет тип соединения

$C_j$ = емкость перехода

$V_r$ = обратное напряжение смещения

$n$ = параметр, который определяет тип соединения

Если соединение является обратным смещением, подвижные несущие истощают соединение, что приводит к некоторой емкости, где диод ведет себя как конденсатор, а соединение действует как диэлектрик. Емкость уменьшается с увеличением обратного смещения.

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

Они способны обрабатывать большие мощности и большие напряжения обратного пробоя. Они имеют низкий уровень шума. Хотя изменение емкости перехода является важным фактором в этом диоде, паразитные сопротивления, емкости и проводимости связаны с каждым практическим диодом, который должен быть низким.

Применение Varactor Diode

Варакторные диоды используются в следующих приложениях —

• До преобразования
• Параметрический усилитель
• Генерация импульсов
• Формирование импульса
• Коммутационные цепи
• Модуляция микроволновых сигналов

Диод Шоттки Барьер

Это простой диод, который имеет нелинейный импеданс. Эти диоды в основном используются для микроволнового обнаружения и микширования.

Построение барьера Шоттки Диод

Полупроводниковая таблетка монтируется на металлическом основании. Подпружиненный провод соединен острым концом с этой силиконовой таблеткой. Это может быть легко установлено в коаксиальные или волноводные линии. Следующий рисунок дает четкое представление о конструкции.

Операция Шоттки Барьер Диод

При контакте между полупроводником и металлом образуется область обеднения. Металлическая область имеет меньшую ширину обеднения, сравнительно. Когда контакт установлен, поток электронов происходит от полупроводника к металлу. Это истощение создает положительный объемный заряд в полупроводнике, а электрическое поле противодействует дальнейшему течению, что приводит к созданию барьера на границе раздела.

Во время прямого смещения высота барьера уменьшается, и электроны впрыскиваются в металл, тогда как при обратном смещении высота барьера увеличивается, и инжекция электронов практически прекращается.

Преимущества барьерного диода Шоттки

Это следующие преимущества.

• Бюджетный
• Простота
• надежный
• Шум цифры от 4 до 5 дБ

Применение барьерного диода Шоттки

Это следующие приложения.

• Смеситель с низким уровнем шума
• Сбалансированный смеситель в радиолокаторе непрерывного действия
• Микроволновый детектор

Устройства с эффектом Ганна

Дж. Б. Ганн обнаружил периодические флуктуации тока, проходящего через образец GaAs n-типа, когда приложенное напряжение превышало определенное критическое значение. В этих диодах есть две долины, L & U-долины в зоне проводимости, и перенос электронов происходит между ними, в зависимости от приложенного электрического поля. Этот эффект инверсии населения из нижней L-долины в верхнюю U-долину называется эффектом переноса электронов и, следовательно, они называются устройствами переноса электронов (TED).

Применение диодов Ганна

Диоды Ганна широко используются в следующих устройствах —