CCF20090228006

J

(^a)    (b)    (c)

(ang. hypcrabrupt), z wartościami wykładnika charakterystyce (3.2) poniżej -1/2.

3.2. Diody p-i-n do przełączników, modulatorów i tłumików regulowanych

Struktura diody p-i-n jest zgodna z jej nazwą (Rys. 3.3). Dioda składa się z trzech obszarów półprzewodnika; typu p⁺, stosunkowo grubej warstwy typu i (intrinsic — samoistny — z ^rcguly jednak ze szczątkowym przewodnictwem, n.p. typu n) oiaz warstwy typu n . Przy wskazanym na rysunku znaku napięcia polaryzującego V,, złącza (w praktyce również przy polaryzacji zerowej ze względu na tworzącą się barierę potencjału) dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym.

Rys. 3.3. a) Struktura diod)' p-i-n; b) uproszczony układ zastępczy diody spolaryzowanej zaporowo; c) uproszczony układ zastępczy diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia.

Wówczas uproszczony układ zastępczy diody dla b.w.cz. ma postać jak na Rys. 3.3b: R. przedstawia całkowitą szeregową rezystancję strat a Q pojemność warstwy opróżnionej. Stosownie do rodzaju oprawki układ ten należy uzupełnić układem zastępczym oprawki z Rys. 3.2b. Po przejściu do polaryzacji w kierunku przewodzenia rozpoczyna się proces wstrzykiwania do obszaru „i” elektronów z obszaru n⁺ i dziur z

obszaru p⁺. Pojawia się prąd przewodzenia 1_P a rezystancja R, tego obszaru dla b.w.cz. zaczyna maleć w sposób pokazany na Rys. 3.4. Uproszczony układ zastępczy diody.ma postać jak na Rys. 33c. Widać, że dioda działa dla b.w.cz. jak elektronicznie regulowany rezystor z elementami pasożytniczymi. Diodę można więc zastosować jako przełącznik przez impulsowe przełączanie od stanu wysoko impedancyjnego do stanu nisko impedancyjnego lub też jako regulowany rezystor.

Rys. Rezystancja diody p-i-n przy przejściu od stanu zaporowego do stanu przewodzenia z (przykładowe wartości graniczne).

Proces wstrzykiwania nośników oraz odwrotny proces usuwania nośników z obszaru „i” nie jest natychmiastowy (odgrywa tu istotną rolę grubość warstwy „i” oraz czas życia nośników). W związku z tym szybkość przełączania mikrofalowych diod p-i-n jest ograniczona — w najlepszym przypadku czas przełączenia jest poniżej ns. Ogromnie korzystną cechą diod p-i-n jest możliwość sterowania przepływem sygnałów b.w.cz. za pośrednictwem prądu sterującego U o natężeniu znacznie mniejszym od natężenia prądów b.w.cz. Diody p-i-n są dostępne w rozmaitych wersjach: od elementów o dużych przekrojach i grubościach warstwy „i”, dostosowanych do stosunkowo powolnego sterowania przepływem sygnałów b.w.cz. dużej mocy do szybkich, zminiaturyzowanych elementów do zastosowań w układach malej mocy.

3.3.    Najważniejsze diody generacyjne

Diody lawinowe fIMPAiT — Imnact Ąyalanche and Transit Time)

Zasada pracy tych przyrządów łączy.w sobie dwa zjawiska prowadzące do generacji rezystancji ujemnej: kontrolowaną jonizację lawinową w obszarze złącza p-n oraz opóźnienie W obszarze o stałej (niezależnej od chwilowej wartości natężenia pola) prędkości unoszenia nośników.

Przyrząd („dioda”) Gunna

Zjawisko generacji mikrofal w tym przyrządzie oparte jest na zaobserwowanym przez Gunna procesie generacji ciągu impulsów o dużej częstotliwości powtarzania w próbce arsenku galu (GaAs) poddanej działaniu stałego poła elektrycznego o dużym natężeniu. W przyrządzie Gunna nie ma złącza, stąd nazwa „dioda Gunna” jest nieścisła. Jest to przyrząd często wykorzystywany do generacji wysokich częstotliwości mikrofalowych (do kilkudziesięciu GHz).

3.4. Tranzystory mikrofalowe

Materiały podłożowe: Si, GaAs, InP oraz materiały stosowane w tranzystoracli hcterozłączowych (t.j. ze złączami lub strukturami wykorzystującymi różne półprzewodniki), n.p. AIGaAs, InGaAs. Ostatnio również SiC, SiGe, GaN.

Wymagania materiałowe:

-    duża ruchliwość nośników (wynikają z niej małe rezystancje strat, niskie szumy, duże moce);

-    duża szerokość pasma zabronionego (możliwość pracy w szerszym zakresie temperatur i przy większych napięciach);

-    mała przenikalność elektryczna (małe pojemności _-:J

pasożytnicze);    :

-    dużą przewodność cieplna.

Podstawowe różnice pomiędzy tranzystorami mikrofalowymi a tranzystorami na niższe zakresy częstotliwości: materiały podłożowe, miniaturyzacja struktur (n.p. tranzystory połowę z bramką o szerokości 0.1 pm), struktury z mieszanymi półprzewodnikami.

Rodzaje tranzystorów mikrofalowych

1)    Tranzystory bipolarne, stosowane w zakresie niższych częstotliwości mikrofalowych: we wzmacniaczach o małych szumach do ok. 4 GHz, wzmacniaczach mocy do ok. 2 GHz, oscylatorach do ok. 15 GHz. Ze względu na stosunkowo małe szumy 1/f szczególnie ważne jest to ostatnie zastosowanie.

2)    Heterozlączowe tranzystory bipolarne (ang. HBT - Hetero-junction Bipołar Transistor): stosowane obecnie od niskich częstotliwości mikrofalowych aż do fal milimetrowych. Wykorzystywane są również w MMUS.

3)    Tranzystory' połowę: stosowane we wzmacniaczach o małych szumach i we wzmacniaczach mocy do ok. 20 GHz. Również w oscylatorach, jednak kosztem gorszych właściwości szumowych niż w przypadku tranzystorów bipolarnych.

4)    Tranzystory z elektronami o wysokiej ruchliwości (ang. HEMT - High Electron Mobility Transistor). Jest to odmiana tranzystora połowego umożliwiająca wykorzystanie maksymalnej ruchliwości elektronów, n.p. w GaAs. Stosowane przede wszystkim w zakresie wysokich częstotliwości mikrofalowych i fal milimetrowych, szczególnie we wzmacniaczach o bardzo małych szumach.

Soosoby charakteryzacji tranzystorów mikrofalowych

1) Charakteryzacja w postaci liniowego układu zastępczego (duża liczba elementów reprezentujących strukturę na półprzewodniku + elementy reprezentujące oprawkę lub montaż)