17.3.3. Полупроводниковые диоды

Если на переход в. полупроводнике подать обратное смещение [402], то образуется обедненный слой, в котором находится лишь небольшое количество дырок и электронов. Поэтому общий постоянный заряд уже не нейтрализуется подвижными носителями, как в областях вне обедненного слоя, и переход ведет себя как плоскопараллельный конденсатор с противоположно заряженными пластинами, что показано на рис. 17.12, а. При увеличении обратного смещения обедненный слой расширяется, а емкость уменьшается. Следовательно, переход можно рассматривать как переменную емкость [459].

Впервые это явление было использовано [452] для получения в смесителях СВЧ преобразования с усилением; недавно обнаружили, что диоды пригодны и для использования в параметрических усилителях [122, 123, 205, 305, 320, 461]. Теоретически емкость изменяется обратно пропорционально квадрату приложенного напряжения для диодов с резким переходом и кубу приложенного напряжения для диодов с плавным переходом. Практически изменение емкости диода лежит где-то между этими двумя зависимостями: при изменении напряжения на 10 в емкость изменяется от 1 до 10. Показателем для оценки качества обычно служит предельная частота, равная

Типичные значения предельных частот лежат в диапазоне Для наилучших результатов должна превышать сор по крайней мере в 10 раз; когда сор приближается к коэффициент усиления падает, а коэффициент шума растет. Частотная зависимость рассмотрена в работах [51, 144].

Диод с резким переходом образуется [173] каплей индия размером (примесь -типа), которая вплавлена в пластинку германия -типа толщиной и удельным сопротивлением 0,1 ом/см.

Рис. 17. 12. Параметрические усилители, использующие полупроводниковые диоды: а — схема перехода и влияние напряжения смещения; б - схема усилителя с отрицательной проводимостью; в — схема усилителя повышающего преобразователя. (См. [211].)

Диод снабжен выводами с малой индуктивностью. Емкость перехода равна

Зависимость эффективной ширины перехода от напряжения определяется выражением

Контактная разность потенциалов обычно ничтожно мала. Для германия -типа подвижность составляет около 0,3, а удельная проводимость около 1000. Напряжению смещения 6 в обычно соответствует емкость с крутизной изменения индуктивность выводов равна а последовательное сопротивление — 0,5 ом. Добротность довольно высокая на низких частотах, уменьшается на частоте до 17.

Под плавным переходом понимают такой переход [461], у которого концентрация дырок с одной стороны перехода и электронов с другой стороны плавно спадает. Диоды с плавным переходом обладают малым последовательным сопротивлением; емкость

ределяется выражением, сходным с (17.57), но с показателем степени, равным 1/3.

Германиевые диоды с золотой связкой экономичны, практичны и обладают предельными частотами до Более высокие частоты достигаются с помощью кремниевых и германиевых диодов, изготовленных методов диффузии в твердом теле. Переменаую емкость можно также получить на основе диодов [139, 175], транзисторов [539] и других полупроводниковых приборов [192, 588].

Чисто емкостная нелинейная проводимость позволяет [458, 460] теоретически осуществить усиление без шумов; но при наличии потерь можно показать, что выражение (17. 21) для коэффициента шума сводится к

для случаев, когда выход сделан на частоте сигнала или на холостой частоте. Более подробный анализ [185, 538, 541, 616] позволяет получить выражения для оптимальных величин произведения коэффициента усиления на полосу пропускания и коэффициента шума. Разработан ряд параметрических усилителей на диодах [359, 469]; для проверки предсказанного поведения выполнены соответствующие измерения [58].

Типичная схема вырожденного усилителя с отрицательной проводимостью показана на рис. 17.12, б. Для осуществления одноплечего варианта усилителя использован циркулятор. В усилителях такого рода применяются диоды с резкими, плавными и точечноконтактными переходами. Предельные частоты лежат в диапазоне Добротность, например, на частоте составляет 15. Выходные мощности равны выше этих значений наступает насыщение; внутри этого диапазона мощностей произведение коэффициента усиления на полосу пропускания возрастает. Эффективная шумовая температура обычно не превышает 300° К; в известных пределах шумовую температуру можно снизить за счет использования более высокой мощности накачки. Охлаждение [635, 657] диода, например, до 77° К, снижает шумовую температуру с 70 до 20° К. Характеристики таких усилителей с переменной реактивностью непрерывно улучшаются и достигнуто усиление на частотах до [549]. Типичные экспериментальные результаты сведены в табл. 17.5.

Оценивать вышеприведенные характеристики надо с большой осторожностью, так как они могут относиться как к одноканальному, так и к двухканальному режимам работы. Коэффициент усиления таких регенеративных усилителей весьма чувствителен к изменениям сопротивления нагрузки и мощности накачки, поэтому были разработаны методы стабилизации [363].

Повышающий преобразователь с нижней боковой полосой частот благодаря повышению частоты обладает добавочным усилением. На практике коэффициент усиления и полоса пропускания хорошо согласуются с предсказаниями теории [184, 284]. В одном

Таблица 17.5 (см. скан) Характеристики вырожденных одноплечих усилителей с отрицательной проводимостью на кристаллических диодах

из таких усилителей использован объемный резонатор, резонирующий на частотах 1,2, 2,3 и эти резонансы соответствуют возбуждению в прямоугольном параллелепипеде колебаний вида и Диод, который при нулевом смещении имел емкость и последовательное сопротивление 5 ом, был расположен между центральными штырями. Накачка мощностью на частоте позволяла получить усиление на частоте 1,2 или 2,3 Ггц; произведение коэффициента усиления на полосу пропускания было равно а составляла 600° К. Характеристики усилителя можно улучшить путем добавления большего числа реактивных элементов, например двух параллельных контуров, разделенных четвертьволновым] отрезком длинной линии. Можно показать, что для -полюсной цепи [392]

Этот принцип использован [563, 585, 593, 601, 608, 623, 629, 633, 634, 638, 649, 666, 671, 672] при конструировании многих широкополосных параметрических усилителей диодного типа.

Некоторые из типичных характеристик приведены в табл. 17.6.

Диоды с резким переходом обладают более высоким коэффициентом нелинейности и применяются [239] в более низкочастотных системах накачки. В одном случае [81, 83] обе частоты накачки были взяты одинаковыми, а резонансные контуры были выполнены

Таблица 17.6 Характеристики повышающих преобразователей диодного типа с иижней боковой полосой частот

в виде отрезков коаксиальной линии с волновым сопротивлением 50 ом. Частоты накачки, сигнала и холостая составляли соответственно 120, 214 и 86 Мгц; цепи накачки, сигнала и холостой частоты настраивались по отдельности с помощью короткозамыкателей. При мощности накачки коэффициент усиления составлял 8 дб, при этом общая полоса пропускания составляла а коэффициент шума был равен 2,5 дб.

Усилитель с отрицательным сопротивлением требует средств для разделения мощностей на входе и выходе (если последний выполнен на частоте сигнала). Циркулятор (ферритовое устройство) обычно сложен и громоздок, однако в схеме балансного усилителя его можно исключить [624, 664]. Так, например [238], два диода можно расположить в главных плечах двойного волноводного тройника, причем если сигнал подается, например, в плечо Е, то усиленный выход берется из плеча Н. Такой усилитель в вырожденном виде при давал произведение коэффициента усиления на полосу пропускания около и шумовую температуру 400° К.

Собственную нестабильность усилителей с отрицательной проводимостью можно преодолеть при сверхрегенеративной работе, когда мощность накачки настолько велика, что возникает самовозбуждение. Внешнее подавление колебаний осуществляется соответствующей модуляцией источника накачки, тогда как при самогашении колебания нарастают и затухают с постоянной скоростью, определяемой постоянной времени диода В любом случае выходная мощность является функцией входного сигнала. Сверхрегенеративная работа имеет и другое преимущество, заключающееся в том, что напряжение смещения на диоде изменяется по закону огибающей высокочастотного выходного сигнала, так что непосредственно получается продетектированный сигнал. Очень высокое усиление указывает на возможность создания однокаскадного малошумящего приемника СВЧ.

Добротность диода должна быть довольно велика лишь для того, чтобы давать отрицательную проводимость, достаточную для компенсации положительной проводимости схемы и диода; поэтому существующие диоды способны давать усиление вплоть до частоты

25 Ггц. Повышающий преобразователь с нижней боковой полосой частот и с отдельным гашением [503, 504], при накачке на частоте давал на частоте усиление 56 дб в полосе частот с шумовой температурой 65° К. Усилитель [56] для имел при накачке на усиление -72 дб, полосу и шумовую температуру 600° К. Такая же частота накачки позволяла получить усиление 50 дб для частот вплоть до в полосе [559]. Диодные параметрические усилители успешно применяются также и для ограничения без искажения фазы [330].

Повышающий преобразователь с верхней боковой полосой частот своим усилением обязан целиком повышению частоты, поэтому он используется главным образом в нижнем участке диапазона сверхвысоких частот. На рис. 17.12, в показано типичное устройство [211], в котором для выделения частоты сигнала из суммарной частоты требуется демодулятор. На низкочастотном прототипе усилителя [380] при было получено усиление 10 дб в -ной полосе частот с шумовой температурой обычной теории [277], описывающей работу повышающего преобразователя, предполагается, что канал нижней боковой полосы частот нагружен на чисто реактивную нагрузку. Наличие потерь в накапливающем энергию элементе приводит к тому, что коэффициент усиления становится меньше отношения частот, что сопровождается возникновением добавочных шумов. Путем настройки величины проводимостей входного и выходного контуров можно добиться оптимальных значений коэффициента усиления и уровня шума. Один из таких усилителей [211] при имел коэффициент усиления 9 дб и шумовую температуру 170° К. Если мощность выводится по нижней боковой полосе частот, то уравнения (17.10) и (17.11) показывают, что коэффициент усиления, определяемый выражением

возрастает [232]. Коэффициент усиления такого трехчастотного усилителя, работающего в диапазоне возрастает по сравнению с двухчастотным вариантом от 12,5 до 20 дб, шумовая температура в обоих случаях равнялась 70° К. Теоретические значения коэффициента усиления повышающих преобразователей не всегда достижимы [542], однако они были получены на частоте в усилителях с двумя диодами [234, 235]. Другая модель [581] перестраивалась в диапазоне

Параметрические диодные усилители бегущей волны обычно имеют вид периодически нагруженной структуры: их работа исследовалась [135, 208, 269, 535] как для цепей без потерь [267], так и для цепей с потерями [228, 268, 560, 561]. На основе опыта [283, 517] с низкочастотными прототипами было разработано несколько конструкций на, сверхвысоких частотах [598]. В усилителе бегущей волны на были применены [145, 514] четыре

кремниевых диода с диффузными переходами. Один общий контур был выполнен так, что волны сигнала, накачки и холостая волна распространялись почти с одинаковой скоростью. Частота накачки равнялась при суммарной частоте и реактивной нагрузке для обеих частот. Режим работы соответствовал инвертируемому модулятору. При мощности накачки коэффициент усиления в полосе частот равнялся 10 дб, а шумовая температура 360° К. В вырожденной схеме для включались восемь диодов одинакового типа; коэффициент усиления в общей полосе изменялся в пределах дб при коэффициенте шума 2,3 дб. На более высокой частоте при накачке на частоте мощностью спираль, нагруженная диодами с переходами, имела [104] произведение коэффициента усиления на полосу пропускания и коэффициент шума подобные результаты были получены [625] и на

В одном из предложенных усилителей [76], который может быть пригодным для миллиметровых волн, используется два типа поверхностных волн в Н-волноводе, содержащем ферроэлектрический материал; в этом случае можно получить очень широкую полосу пропускания, так как практически все элементы схемы не зависят от частоты. Анализ [545] показал, что в параметрическом усилителе возможно взаимодействие по стоячей волне. Усилитель, использующий этот принцип, состоит в основном из стабильного генератора СВЧ, присоединенного к линии передачи, которая нагружена на варакторный диод. Детектор располагается вблизи минимума на крутой ветви распределения стоячей волны. В результате изменения реактивного сопротивления диода, вызываемого входным сигналом, изменяется фаза напряжения на детекторе. Балансно-мостовая схема для дает усиление до 3 дб при коэффициенте шума 2 дб. Структуры со связанными резонаторами на сантиметровых волнах имеют приемлемые размеры и между диодами можно обеспечить значительное расстояние [119, 677]. Вырожденный четырехзвенный усилитель для 3 Ггц [183], использующий германиевые диоды с золотой связкой, обладает произведением коэффициента усиления на полосу пропускания и шумовой температурой 130° К. Стабильность короткого замыкания достигается путем заполнения диафрагмы связи ферритом, что обеспечивает получение невзаимной характеристики.