2. ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Ограничительные диоды используют полупроводниковые структуры типа или Различия и -структур приводят к различию рабочего уровня мощности выше) и быстродействия выше). Различие в уровне мощности объясняется значительно большим объемом -структуры (при одной и той же величине емкости диода объем -структуры на 3—4 порядка больше объема -структуры), а меньшее быстродействие обусловлено накоплением в -слое большого заряда неосновных носителей, время рассасывания твсс которых велико. Время рассасывания у -диодов с различной толщиной -слоя лежит в пределах от единиц до десятков микросекунд, а у -диодов — в пределах от единиц до десятков наносекунд.

Эквивалентные схемы показаны на рис. 6.1, а (диод закрыт, т. е. на него попадает малый уровень СВЧ мощности), и на рис. 6.1, б (диод открыт, т. е. на него попадает высокий уровень СВЧ мощности).

Частота, на которой потери пропускания равны потерям запирания называется критической частотой диода:

Например, для диода Ом при прямом токе мА [100]. По этим данным определяется Ом. В открытом состоянии диод отражает большее количество падающей мощности, однако часть мощности поглощается в диоде, вызывая нагрев полупроводникового перехода.

На рис. 8.1, а показана простая тепловая модель -диода. Предполагая, что переход охлаждается вследствие теплопроводности, определяем максимальную мощность, которую может рассеить полупроводниковый переход, а также температуру перехода. Очевидно,

что падающая: мощность повышает температуру полупроводникового перехода [129]:

где — температура поглотителя тепла (при ) — мощность рассеяния в диоде, — тепловое сопротивление, — время, в течение которого к переходу приложена мощность, — временная температурная постоянная диода, с.

Если падающая мощность является непрерывной, то уравнение (8.1) упрощается:

где — максимально допустимая температура перехода.

Рис. 8.1. Тепловая модель и зависимость температуры диода при воздействии мощности

1 — непрерывной; 2 — импульсной

Для импульсного режима максимальная мощность, которую диод может выдержать, зазисит от длительности импульсов и периода повторения импульсов При импульсном режиме температура перехода увеличивается, когда импульс мощности поглощается в диоде, и уменьшается в интервале между импульсами при условии непрерывного охлаждения диода. Этот эффект показан на рис. 8.1, б. В течение времени одного импульса температура перехода увеличивается согласно уравнению [129]

В между импульсном промежутке диод охлаждается до температуры

где

Температура поглотителя тепла за счет поступающей мощности постепенно растет от до

Температура диода также постепенно растет от до

пока не наступает момент, когда

Приравняв выражения (8.2) и (8.3), получают температуру диода, которую он имеет с этого момента,

Для непрерывного процесса и уравнение можна упростить

Мощность, поглощаемая диодом и рассеиваемая в виде тепла, связана с падающей на ограничитель средней СВЧ мощностью выражением

где — потери пропускания; — потери запирания.

Потери в линии с параллельно включенным диодом

где — волновое сопротивление подводящей линии; — сопротивление диода, шунтирующее линию.

В режиме запирания

Подставив выражение (8.6) в формулу (8.5) и учитывая влияние нескольких диодов, получим

где — сопротивление открытого диода; — число параллельно включенных диодов.

Полагаем, что максимальная температура имеет величину Гмакс Тогда из уравнения (8.4) следует, что максимальная мощность для непрерывного процесса, которую диод может рассеять,

или падающая мощность

Пример 17. Рассчитать максимально допустимую среднюю СВЧ мощность, переключаемую диодом со следующими параметрами: .

Если диод смонтирован в -омную линию как поглотитель тепла, поддерживающий благодаря внешнему охлаждению температуру 25° С, то он коммутировать непрерывную мощность, Вт,

Максимально допустимая импульсная мощность

Используя уравнение (8.7), получаем

Для получаем для

Рис. 8.2. Конструкция средней мощности (а) и смонтированного на керамической плате (б): 1 — вывод; 2 — диод; 3 — пьедестал (поглотитель тепла); 4 — полосковый проводник; 5 — керамическая плата; 6 — «земляная» металлизация платы

Используя параметры для непрерывного режима и считая, что , получаем максимально допустимую импульсную мощность, Вт,

Из уравнения (8.8а) два параметра не даются в техническом условии. Величины этих параметров можно вычислить, зная конструкцию диода и способ его монтажа. Тепловое сопротивление определяем по закону Фурье для тепловых условий, который устанавливает зависимость между градиентом температур и теплопроводностью [129]:

где -теплопроводность, — площадь поперечного сечения — длина, см.

Тепловое сопротивление,

Для определения диода необходимо вычислять тепловое сопротивление раздельно каждого слоя материала в диоде и просуммировать их.

Определим тепловое сопротивление (рис. 8.2, а). Тепловое сопротивление каждого слоя кремниевой структуры вычисляем, используя уравнение (8.9) и константы материалов, приведенные в табл. 15.

Таблица 15

Таблица 16

Размеры диода, показанного на рис. 8.2, а, даны в табл. 16.

Тепловое сопротивление,

Тепловое сопротивление золота

Тепловое сопротивление пьедестала из меди, на котором установлена кремниевая структура,

Тепловое сопротивление медного поглотителя тепла (корпуса)

После суммирования всех частей получаем . Вторым параметром, который не дается в техническом описании на диод, является временная температурная постоянная [129]

где — плотность материала, удельная теплоемкость

Как и при вычислении теплового сопротивления, временная температурная постоянная равна сумме временных постоянных отдельных слоев:

Тепловой постоянной золотого слоя можно пренебречь, после чего получаем

В рассмотренном примере использовался мощный диод, имеющий массивный пьедестал.

Пример 18. Рассчитать мощность для маломощного бескорпусиого диода смонтированного на поликоровой плате (рис. 8.2, б).

Тепловое сопротивление диода определяется по формуле (8.9) как сумма слоев 2, 3, 5. Причем теплопроводность слоя 2 принимаем такую же, как для кремния, т. е.

При вычислениях учитывается, что в данном случае влииние слоя 4 незначительно. Из расчета видно, что максимальное тепловое сопротивление имеет поликоровая плата 5. Хотя тепло отводится также через напыленные проводники, однако из-за тонкого слоя напыления величина теплового сопротивления от этого практически не уменьшается. Тепловое сопротивление металлической рамки 6 мало, его также можно не учитывать.

Определим слоев 2, 3, 5

По техническим условиям Подставив в уравнение (8.8) данные, получим, что диод при внешней температуре может коммутировать падающую среднюю мощность (при -омной подводящей линии):

Считаем, что длительность импульса , период повторения импульсов , тогда допустимая падающая импульсная мощность

Из уравнения (8.7) определим тепловую мощность рассеяния