Помножувач частоти великої кратності міліметрового діапазону з малими втратами (стр. 2 из 4)
У транзисторно-параметричних помножувачах частоти (ТППЧ) використовується нелінійна ємність колекторного переходу транзисторів. При подачі вхідного сигналу прикладена до переходу колектор – база, напруга модулює ємність колекторного переходу, що викликає параметричну генерацію гармонік. Транзистор тут виконує одночасно дві функції: підсилювача потужності вхідного сигналу і варакторного помножувача на ємності переходу колектор - база. На відміну від помножувачів на транзисторах з відсічкою струму колектора в даному випадку гранична частота гармоніки, що виділяється, може істотно перевищувати граничну частоту транзистора.
Принципи побудови схем ТППЧ і методи їхнього аналізу мають багато загального з варакторними помножувачами частоти. На практиці знайшли застосування помножувачі цього типу на відносно потужних і малопотужних транзисторах. Останні, наприклад, можуть забезпечувати коливальну потужність гармоніки, що виділяється порядку 10 мВт на частотах до 1,5 ГГц, що дозволяє ефективно їх використовувати в якості простих, економічних і надійних гетеродинів приймачів дециметрового діапазону.
Ці методи є ефективними лише при помноженні в 2-4 рази, і для створення високоефективних генераторів у мм-діапазоні при помноженні від високостабільних кварцових генераторів потрібно занадто багато каскадів помноження.
У останні роки широке поширення одержали помножувачі частоти на діодах із накопиченням заряду (ДНЗ). У ДНЗ для генерації гармонік використовується режим із відмиканням переходу. При цьому інжектовані в позитивний півперіод напруги на діоді неосновні носії не встигають рекомбінувати (час їхнього життя tр перевищує півперіод сигналу). У результаті накопичення заряду неосновних носіїв при зміні полярності вхідної напруги протягом деякого часу (часу встановлення) перехід залишається практично провідний і обернений струм досягає значної величини. Потім наступає фаза відновлення оберненого опору tв і струм через діод різко зменшується. Таким чином, у ДНЗ залежність i(t) має яскраво виражену нелінійність і форма кривої струму виявляється насиченою гармонійними складовими основної частоти. Насиченість спектру струму гармоніками в ДНЗ збільшується при зменшенні часу відновлення. Саме такий режим найбільш цікавий з погляду використання у ВПЧ.
ДНЗ у порівнянні зі звичайними варакторами мають дві істотних переваги: 1) можливість роботи при значних рівнях вхідної потужності (від одиниць до декількох десятків ватів) із достатньо високою ефективністю; 2) однокаскадне генерування гармонік високого порядку з меншими втратами перетворення, чим у варакторів, до частот 10 ГГц і вище( fвх =200 МГц, n=10, Рвх=0,5 Вт, Рвих=0,06 Вт, h=0,12).
До помножувачів на ДНЗ безпосередньо відносяться помножувачі частоти на діодах з ефектом змикання переходу (ЕЗП-діоди).
Перспективним вбачається також метод радіоімпульсного помноження на ЛПД, у якому достатньо гострий імпульс струму, обумовлений подачею на ЛПД сигналу відносно низької частоти, стимулює самозбудження на високій частоті або посилення на від’ємному опорі лавино-пролітного діода виділеного високочастотного сигналу.
2. Розробка і розрахунок помножувача частоти на ЛПД
2.1. Принцип роботи ЛПД
Принцип роботи лавино-пролітного діода оснований на виникненні від’ємної провідності в діапазоні надвисоких частот, що обумовлено процесами лавинного помноження носіїв і їхнього прольоту через напівпровідникову структуру. Поява від’ємної провідності пов'язана з тимчасовим запізнюванням цих двох процесів, що призводять до фазового зсуву між струмом і напругою. "Лавинне запізнювання " з'являється за рахунок кінцевого часу наростання лавинного струму, а "пролітне запізнювання" -за рахунок кінцевого часу прольоту носіями області дрейфу. Провідність діода від’ємна на деякій частоті, коли сума цих часів дорівнює півперіоду сигналу низької частоти. Виникаюча за рахунок пролітних ефектів у напівпровідникових діодах від’ємна провідність уперше була отримана в 1954 році Шоклі, який вважав, що двоконтактні прилади через свою структурну простоту мають потенційні переваги в порівнянні з триконтактними - транзисторами.
В даний час лавино-пролітний діод є одним із самих потужних твердотільних джерел НВЧ-випромінювання. ЛПД можуть генерувати в неперервному режимі найбільшу потужність у міліметровому діапазоні хвиль. Проте необхідно відзначити складності, з якими зіштовхуються при роботі ЛПД у зовнішньому ланцюгу: високий рівень шуму; необхідність ретельного розрахунку ланцюгів (щоб уникнути розладу або навіть перегоряння діоду, оскільки велика реактивність і сильно залежить від амплітуди осциляцій). Родинним ЛПД приладом є також пролітний діод із захопленим об'ємним зарядом лавини. Робоча частота цього приладу набагато менше пролітної, але К.К.Д. значно вище, чим у ЛПД. У результаті теоретичних досліджень було встановлено, що при роботі в режимі великого сигналу лавинний процес починається в області високого поля, а потім швидко поширюється на весь зразок, у результаті чого останній заповнюється електронно-дірковою плазмою, що проводить, просторовий заряд якої знижує напругу на діоді до дуже малих величин. Тому, що плазма не може бути просто вилучена з приладу, тому цей режим роботи називається режимом із захопленим об'ємним зарядом лавини. Пролітні діоди застосовуються в імпульсних передавачах і в радарах із фазованими решітками.
2.2. Конструкція ЛПД
Діодний проміжок ЛПД являє собою багатошарову напівпровідникову структуру зі складним профілем легування. У залежності від профілю легування можна виділити декілька типів ЛПД, наприклад 2-шарові діоди n-p-типу (мал. 2.1, а), 3-шарові p+-n-n+-типу (мал. 2.1, б), 4- n+-p-i-p+-типу або діоди Ріда (мал. 2.1, в), 4-шарові р+-p-n-n+-типу (мал. 2.1, г), із бар'єром Шоттки ( мал. 2.1, д).
Широке поширення одержали ЛПД із структурою p+-n-n+-типу, у якій концентрація домішок в n-шарі вибирається таким чином, щоб межа запірного прошарку p-n переходу “дотягалася” до межі діодного проміжку, тобто l=L, що є умовою “проколу” діода. Трикутний розподіл електричного поля в цій структурі є характерним для ЛПД усіх відомих типів. ККД таких структур на кремнії порядку 10%. Однією з можливостей збільшення ККД лавино-пролітного діода є використання структури типу р+-p-n-n+, що одержав назву двопролітної структури.
E EEПР EПР
L d
X X
n p p+ n n+
a) б)
Е E
ЕПР ЕПР
L L
Х Х
n+ p i p+ p + p n n+
в) г)
Е
ЕПР
d
L
X
Ме n n+
д)
Мал.2.1.Розподіл електричного поля в діодному проміжку ЛПД
У такій структурі лавинна область розташовується в середині між двома пролітними областями для електронів і дірок і в енергообміні беруть участь обидва типи носіїв. Структура являє собою як би два послідовно включених ЛПД, тому зростає не тільки ефективність, але й опір діода, це у свою чергу дозволяє збільшити площу структури і вихідної потужності.
Ця діодна структура отримана за допомогою подвійної епітаксії. При виготовленні ЛПД-структур необхідно забезпечити високу точність легування: переходи між областями n+, n , p і р+ повинні бути дуже різкими, а товщина n і р - області і концентрація в них домішок заданими з точністю до декількох відсотків. Щоб уникнути небажаного послідовного опору, n+ і р+ - області повинні бути по можливості тонкими і сильнолегованими. Спочатку необхідно вибрати підкладку. Для забезпечення однорідності параметрів виготовлених приладів підкладка повинна бути монокристалічною із низькою концентрацією дефектів. Робочу поверхню шляхом механічного або хімічного полірування варто довести до дзеркального стану. Концентрація легуючої домішки не повинна перевершувати розчинності домішки в кремнії у твердій фазі. Звичайно використовуваними донорними домішками в кремнії служать миш'як і фосфор, а акцепторною домішкою служить бор.
Всі процеси епітаксіального нарощування в кремнії засновані на використанні парофазних реакцій. У якості вихідних матеріалів звичайно застосовують Si2H2Cl2 і SiH4. При високій температурі в атмосфері водню ці з'єднання розкладаються з утворенням Si, Н2 і НСl. Для одержання однорідних монокристалічних прошарків необхідно підтримувати температуру підкладки в жорстко обмеженому інтервалі температур, різноманітному для кожного з вищезгаданих вихідних з'єднань. Швидкість епітаксіального нарощування сильно залежить від температури і тому надзвичайно важливе точне завдання температури й однорідність її розподілу по всій площі пластини. Велике значення також має точна підтримка заданої швидкості потоків газів, що беруть участь у реакції. Для введення легуючої домішки в плівку, що вирощується, використовують декілька методів, одним із них є легування з газів і парів з'єднань, що містять домішки. Введення домішок до складу газоподібних речовин провадитися з використанням фосфіна РН3, арсіна АsH3, діборана В2Н6 і деяких інших газів, що добавляються у водень або інертні гази в концентраціях від 10-4 до 1%, і ця низька концентрація повинна добре підтримуватися. Після виготовлення напівпровідникової структури здійснюють металізацію.
При виборі металізованого покриття істотні два основних поняття. По-перше, використовуваний метал (або метали) повинний утворювати омічний контакт із дуже малим перехідним опором. По-друге, металізація повинна призводити до створення надійного приладу. При виготовленні НВЧ-приладів застосовують комбінації типу Сг-Аu або Тi-Аu. Обидві комбінації мають хорошу адгезію, забезпечують дуже низькі контактні опори і до них легко приєднати контакти. Проте при підвищених температурах спостерігається перенос матеріалу, що призводить до катастрофічних результатів. Один із методів рішення проблем, пов'язаних із взаємною дифузією металів, заснований на застосуванні бар'єрного металу, що розділяє прошарок власне-контактного металу від зовнішнього прошарку з інертного металу - золота. Відмінними бар'єрами, що розділяють метали один від одного, є паладій і платина.