3. PARAMETRY DETEKCYJNE DIODY

3.1.Właściwości detekcyjne złącza nieliniowego

Do detekcji sygnałów zmiennych - aż do zakresu fal milimetrowych - szczególnie użyteczne są diody punktowe, nazywane też ostrzowymi (rys.3.1), diody z barierą Schottky'ego i diody złączowe wsteczne. Za pierwsze diody punktowe można uważać detektory kryształkowe F-K. Brauna z 1874 r. Kontakt nieliniowy w takich diodach powstaje pomiędzy półprzewodnikiem o dość małej rezystywności i ostrzem metalicznym z wolframu dociśniętym lub lekko wtopionym w krzem albo z fosforobrązu na germanie lub GaAs. Przy wtopionym metalicznym przewodzie tworzy się obszar typu p, a pod nim półsferyczny obszar złącza p-n o rezystancji r_j=ρ_Si/2a, gdy a<<b.

Charakterystyka napięciowo-prądowa diod detekcyjnych jest wybitnie nieliniowa

(3.1)

gdzie I₀- prąd rewersyjny nasycenia wynoszący od 10^-6 do 10^-15 A w zależności od materiału półprzewodnikowego i powierzchni złącza, n - współczynnik (nie)idealności wynoszący od 1,2 dla diod Schottky'ego do 2 dla diody ostrzowej krzemowej.

Najprostszy sygnał napięciowy (tzw. monochromatyczny o pulsacji ) wymuszający prąd w diodzie detekcyjnej ma charakter harmoniczny o amplitudzie U_d dużo mniejszej od napięcia stałego U_D>0, polaryzującego w kierunku przewodzenia diodę (U_d<<U_D), który zapiszemy jako

(3.2)

Dla każdego wymuszenia zależność diodowa (3.1) może być przedstawiona w postaci szeregu Taylora rozwiniętego wokół stałej wartości U_D

(3.3)

gdzie
(3.4)

prąd stały diody przy polaryzacji napięciem stałym U­_D, zaś

(3.5)

chwilowe przyrosty (zmiany) napięcia na diodzie polaryzowanej napięciem (3.2), czyli wywołane małym sygnałem zmiennym u_d(t).

Pierwsza pochodna w rozwinięciu szeregowym (3.3) diody w stałym punkcie pracy (U_D, I_D) ma wartość

(3.6)

i określa rezystancję złącza diody (nazywanej też rezystancją dynamiczną albo różniczkową).

W analizie podstawowych właściwości detekcyjnych diody często wystarczy ograniczyć się do trzech pierwszych wyrazów rozwinięcia szeregowego, zapisując małosygnałowe przybliżenie prądu diody

(3.7)

gdzie ponadto współczynnik g jest drugą pochodną

(3.8)

W ten sposób dla napięcia całkowitego zapisanego w postaci (3.2) mamy

(3.9)

Widzimy, że przy uwzględnieniu już tylko jednego wyrazu nieliniowego w rozwinięciu szeregowym charakterystyki diody powstaje dodatkowy prąd stały diody (1/4)gU_d². W ten sposób następuje konwersja energii wysokoczęstotliwościowej w prąd stały, w której poza sygnałem zmiennym o pulsacji , pojawia się sygnał zmienny o podwojonej pulsacji 2 - tzw. druga harmoniczna. Mówimy, że dioda reaguje na kwadrat amplitudy napięcia małosygnałowego, albo że jest detektorem kwadraturowym oraz powiela częstotliwość sygnału wymuszającego. Efekt konwersji jest tym większy, im mniejsza jest wartość n (n →1 w diodzie idealnej) oraz im większy jest prąd diody. Jednakże należy pamiętać, że przy dużych prądach nieliniowość charakterystyki diody zanika. W zależności od rezystancji obciążenia diody w układzie detekcyjnym (rys.3.2) prąd ten zmienia warunki polaryzacji stałoprądowej diody (rys.3.3).

Dla części stałoprądowej tego układu (rys.3.3) zasilanego zewnętrznym źródłem E_C o rezystancji wewnętrznej R_C , polaryzującym diodę, mamy więc

(3.16) albo

(3.17)

gdzie I_D = I_D(U_D) - zgodnie z charakterystyką diody. Na podstawie równania (3.17) wyznaczamy zatem wartość U_D.

Rozważmy dwa skrajne warunki pracy układu stałoprądowego: rozwarcie, gdy E_C=0 i zwarcie. Przy jego rozwarciu prąd całkowity nie płynie i wówczas z ostatniego równania mamy tylko

(3.18)

W tym przypadku na diodzie detekujemy napięcie U_det= U_D , wyznaczone na podstawie tego równania. Natomiast dla drugiej skrajności: krótkiego zwarcia obwodu polaryzującego R_C=0, z równania (3.17) pozostaje tym razem

(3.19)

Teraz detekowany jest prąd, który wynosi

(3.20)

Oba równania (3.17) i (3.18) wskazują, że punkt polaryzacji na charakterystyce diody przesuwa się w kierunku ujemnych napięć podczas detekcji.

3.2. Detekcyjne diody Schottky'ego

Szczególnie dobre właściwości detekcyjne mają diody Schottky'ego, które pracują głównie na nośnikach większościowych, a więc w schemacie zastępczym na rys.3.4. nie mają pojemności dyfuzyjnej, typowej dla złącz p-n. Dla podstawowej harmonicznej wymuszenia (3.2) napięcie na samym złączu wynosi

(3.21)

zaś moc rozpraszana

(3.22)

Dla każdego detektora definiowana jest czułość prądowa (dla zwartego obwodu)

[A/W] (3.23)

gdzie P_syg jest mocą w.cz. absorbowaną przez detektor, oraz czułość napięciowa dla rozwartego obwodu - jako

(3.24)

Dla detektora diodowego przy zerowej częstotliwości granicznej czułość prądowa wynosi zatem

(3.25)

zaś czułość napięciowa

(3.26)

W diodach Schottky'ego rezystancja małosygnałowa r_d jest dużo większa niż rezystancja szeregowa r_S. Pierwsze dwa składniki po prawej stronie równania (3.20) można więc pominąć, a wtedy okaże się, że czułość prądowa jest określona krzywizną charakterystyki w punkcie pracy

(3.27)

Jeżeli pominiemy r_S jako małe względem r_d w równaniach (3.21) i (3.22), to otrzymamy przybliżoną zależność częstotliwościową czułości prądowej

(3.28)

Z charakteru zależności widać, że gdy pulsacja wzrasta, to () maleje. Ponadto zwykle zachodzi relacja
. Stąd, z warunku (_oc)=  ₀ w najprostszy sposób określamy częstotliwość odcięcia diody detekcyjnej (albo: pulsację odcięcia _oc- cut off)

(3.29)

Dla dobrej, szerokozakresowej detekcji istotne są zatem małe wartości pojemności złączowej i rezystancji szeregowej. Przy typowej dużej rezystancji złącza w diodach Schottky'ego, działają one jako źródła prądu w niskoomowych układach mikrofalowych, a więc należy oceniać przede wszystkim ich czułość prądową. Ponadto przy dużej wartości r_d mianownik w wyrażeniu (3.28) jest dużo większy od jedności. Tak więc czułość mikrofalowa diod Schottky'ego jest dużo mniejsza niż przy prądzie stałym.

Wzrasta ona jednak ze spadkiem temperatury diody - zgodnie z (3.27) - czemu przeciwstawia się wzrost r_d ze spadkiem temperatury. Z drugiej strony jesteśmy w stanie temu zaradzić poprzez zwiększenie prądu I_D+I₀ na dwa sposoby: gorszy (bo zwiększymy szumy) - poprzez większy prąd polaryzacyjny, ale lepiej jest znaleźć diodę z większym prądem zerowym I₀, czyli z mniejszą wysokością bariery Schottky'ego (Low-Barrier Schottky diode - LBS diode) - rys.3.5.

Poza rezystancją dynamiczną, czułością i szumami diody detekcyjnej czułość styczna sygnału TSS - tangential signal sensitivity jest ważnym parametrem katalogowym tych diod. Jest określana przy prostokątnym sygnale, którego poziom jest ustalany na poziomie najwyższego impulsu w widmie szumów, obserwowanych na oscyloskopie przy braku sygnału (rys.3.6).

Poziom mocy sygnału tak określonego daje wartość TSS, która odpowiada relacji sygnał/szumy w przybliżeniu równej 2,6. Wartość TSS dla diod Schottky'ego wynosi około -50 dBm w pasmie 2-18 GHz. Moc równoważna szumów NEP (Noise Equivalent Power) detektora, definiowana jako wejściowa moc w.cz. potrzebna do wytworze-nia na wyjściu relacji sygnał/szumy równej 1 w pasmie o szerokości 1 Hz, jest zatem związana z TSS następująco

(3.30)

Głowica detekcyjna składa się z indukcyjności obciążenia, diody detekcyjnej oraz układu polaryzującego i dopasowania, kompensującego pasożytnicze straty i reaktancję montażową diody dla określonego częstotliwościowego pasma detekcji (rys.3.7).

3.5. Przebieg ćwiczenia

Przedmiotem badań są głowice detekcyjne z różnymi diodami: ostrzową germanową i Schottky`ego.

Pomiary stałoprądowe mają na celu rozpoznanie rodzaju diody - poprzez pomiar charakterystycznego napięcia zagięcia U_K oraz rezystancji obciążenia na wejściu głowicy i rezystancji szeregowej R zamontowanej w głowicy (rys.3.7). Pomiary te wykonujemy multimetrem wysokiej klasy.

Do pomiarów wysokoczęstotliwościowych montujemy układ mikrofalowy wraz z układem zasilania głowicy w module TM1 - według rys. 3.8.

W pierwszym etapie badań nie zasilamy stałoprądowo głowicy detekcyjnej. Dioda nie jest polaryzowana.

Po załączeniu i ustabilizowaniu się mocy generatora mikrofalowego, jego moc regulujemy tylko precyzyjnym tłumikiem bębnowym ze skalą decybelową. Zwiększając tłumienie rejestrujemy wskazania prądu detektora diodowego i miernika mocy HP436A.Obserwujemy także przebiegi otrzymane na ekranie oscyloskopu z detektora i bezpośrednio z anody diody. Odłączając anodę, obserwujemy zmianę poziomu prądu detektora.

W drugim etapie badań należy ustawić stały poziom mocy mikrofalowej i polaryzować stałym napięciem z modułu TM1 diodę w zakresie 0...U_K co 0,05 V odczytując wskazania miernika prądu w.cz. i szerokość linii sygnału na kanale Y_B oscyloskopu.

W sprawozdaniu przedstawić opis elektryczny detektora diodowego, parametry stałoprądowe diody charakterystyki I_det=I_det(P_w.cz.), I_det=I_det(U_D) oraz parametry detekcyjne głowicy.

1

24

---