Mikrovlnné diody

Pro mikrovlnné účely se používají speciální hrotové diody. Vyrábějí se převážně z křemíku s vodivostí P, nebo též z germania typu N a z arsenidu gallitého typu N, u něhož existují dobré předpoklady pro funkci na velmi vysokých kmitočtech (velká pohyblivost).

Křemík pro výrobu musí být velice čistý. Vysoce se leguje na měrný odpor řádově 10-4 W.m obvykle hliníkem, který dává nejlepší výsledky. Po tepelném zpracování se na povrchu polovodiče vytvoří epitaxní vrstvička několik desetin milimetru silná o velkém měrném odporu a opačné vodivosti, odstraní se vrstva oxidu na jejím povrchu, destička se rozřeže na základní čtverečky a k povrchu čtverečku se přiloží hrot. Uvedenou úpravou získáme malý sériový odpor a zároveň větší závěrné napětí diody (v tomto případě se příznivě uplatňuje tenká epitaxní vrstva a dosáhne se tak dobrých usměrňujících vlastností při závěrném napětí řádově několika voltů).

Protože diody pro centimetrové vlny pracují obvykle v součinnosti s vlnovody nebo koaxiálními kabely, jsou k nim přizpůsobeny konstrukčním tvarem, ten je zachycen na obr. 1. Průměr diody je asi 3 mm. Existují však i jiné úpravy pro zakončení koaxiálních vedení apod. Formováním se pouze ustalují elektrické a mechanické parametry, nevytvoří se subminiaturní přechod PN, jako u hrotových germaniových diod.

Řez křemíkovou diodou pro pásmo 10 cm
Obr. 1 Řez křemíkovou diodou pro pásmo 10 cm
1 – spojovací trubička, banánek, 2 – aretační šroub, 3 – kontaktní pružina, 4 – keramická patrona, 5 – křemíkový krystal, 6 – stavěcí šroub, 7 – hlavice patrony

Dalším prvkem s přechodem PN využívaným v oblasti centimetrových vln je dioda PIN, která se používá jako řízený odpor nebo spínač. Na obr. 2 je znázorněna její základní struktura. Skládá se ze dvou silně legovaných oblastí P+ a N+ a oblasti vlastního (intrinzitního) polovodiče I. Pro funkci diody je rozhodující vlastnost intrinzitní vrstvy I. Její měrný odpor a doba života nosičů výrazně ovlivňují vlastnosti součástky. Objem vrstvy je rozhodující pro výkonové zatížení. Koncentrace příměsí v oblastech P+ a N+, plocha příčného průřezu oblasti I a strmost přechodů ovlivňují sériový odpor Rs.

Dioda PIN
Obr. 2 Dioda PIN
a) struktura, b) závislost diferenciálního odporu Rd na propustném proudu pro dvě různé diody, c) VA charakteristika diody PIN a diody Si s přechodem PN

Přiloží-li se na diodu PIN napětí v přímém směru, nastane injekce nosičů do obou konců oblasti I a její odpor se zmenšuje v závisloti na procházejícím proudu. Vzhledem ke značné časové konstantě rekombinace (asi 1 ms) a velké době potřebné k extrakci těchto nosičů z vrstvy I (závisí na délce této oblasti) nestačí se při vysokých kmitočtech (nad 1 GHz) oblast I vyprázdnit v průběhu záporné půlperiody. Tak se při sinusovém průběhu vf napětí ustálí střední hodnota nosičů v oblasti I a dioda z vysokofrekvenčního hlediska představuje nízkou impedanci, ve velkém rozsahu nezávislou na přenášeném výkonu. Charakter diody je neusměrňující.

Při závěrně polarizované diodě PIN dojde k odčerpání náboje z objemu vrstvy I, vytvoří se oblast prostorového náboje, jejíž tloušťka závisí na přiloženém napětí. Při určitém napětí Udep se prostorový náboj rozšíří do celé vrstvy I. Dioda se chová jako kapacita, jejíž hodnota klesá. Přivedeme-li vf napětí, nestačí se vrstva I v průběhu kladné půlperiody zaplnit nosiči a dioda vykazuje vysokou impedanci s malou závislostí na přivedeném výkonu.

Důležitým parametrem diody PIN je doa života nosičů t v oblasti I, která udává tzv. kritický kmitočet diody

Pro signál o kmitočtu nižším než je kritický kmitočet se chová dioda PIN jako dioda s obyčejným přechodem PN, to znamená, že vf signál bude usměrněn a objeví se značně zkreslen. V nejbližším okolí fc se dioda PIN začíná chovat jako lineární odpor s malou nelineární složkou. Proto je signál ještě do určité míry zkreslen. Na kmitočtech mnohem vyšších než je fc se dioda PIN chová skutečně jako čistě lineární odpor, jehož velikost lze řídit přiloženým ss napětím.

Diody PIN se vyrábějí obvykle z křemíku. Základ tvoří slabě dotovaná oblast I, do níž se z každé strany vytvoří difúzí nebo implantací vrstvy N+ a P+.

Dalším typem mikrovlnných diod je lavinová průletová dioda. Její VA charakteristika se neliší od běžné diody. Vyrábí se z Si, Ge nebo GaAs. Její zajímavou vlastností je, že může generovat vf energii v úzkém kmitočtovém pásu, aniž by VA charakeristika vykazovala negativní Rd. Této generace vf výkonu v mikrovlnném pásmu je dosaženo kombinací lavinového průrazu a průletového zpoždění. Podstata funkce spočívá na vzájemném působení nosičů náboje a elektrického pole. Pohybuje-li se náboj ve směru působícího elektrického pole, toto pole předává nosiči energii. Pohybuje-li se nosič proti směru elektrického pole, část své energie poli vrací. Základní myšlenka využívaná v průletových diodách spočívá v tom, že se uvnitř diody vytvoří podmínky, kdy ss pole přemisťuje nosiče ve směru, který je opačný vůči směru, v němž by ho přemisťovalo střídavé pole. Tímto způsobem se energie předávaná stejnosměrným polem absorbuje polem střídavým, neboli dochází k zesílení střídavého pole na úkor stejnosměrného.

Aby vůbec došlo ke vzniku popisovaného mechanismu, musí mít dioda určitou vnitřní strukturu. Jednou z mnoha možných struktur je typ PNIN, který se podle svého tvůrce nazývá Readova dioda (obr. 3) nebo podle fyzikálního principu lavinová průletová dioda IMPATT (Impact Ionization Avalanche Transit Time – nárazová lavinová ionizace a průletová doba).

Struktura diody IMPATT
Obr. 3 Struktura diody IMPATT
a) lavinová oblast, b) driftová oblast

Polarizujeme-li diodu v zpětném směru, vznikne v oblasti P+N vyprázdněná vrstva s velkým odporem a silným elektrickým polem. V určitém místě přechodu je maximum pole a v něm dochází vnitřní emisí a nárazovou ionizací ke generaci párů elektron-díra. Tyto nosiče se pohybují zbylou oblastí diody a vytvářejí proud. Díry jsou zachyceny okamžitě oblastí P+ a elektrony putují oblastí I do N+. Tenká lavinová oblast způsobí zpoždění elektronů vzhledem k elektrickému poli a další zpoždění vznikne v oblasti I. Vzájemný fázový posuv může nabýt hodnoty až 180°, čímž vznikne pro uvažovaný kmitočet charakter záporného odporu mezi proudem a napětím, a tedy možnost generace st signálu. Pro činnost je tedy důležitý přechod P+N (lavinová generace nosičů) a driftová oblast (zpožďovací linka). Dosahovaný trvalý výstupní výkon se pohybuje kolem 100 mW, impulsový výkon 200 W, kmitočet 3 až 100 GHz, účinnost 10 %.

Literatura

  1. Doc. Ing. Ivan Burger, CSc., Prof. Ing. Lubomír Hudec, DrSc.; Elektronické prvky, Vydavateľstvo technickej a ekonomickej literatúry Bratislava, 1989
  2. PIN diode

Napsat komentář