Устройства защиты входных цепей СВЧ-приемников на полупроводниковых диодах

Среди твердотельных устройств управления СВЧ-сигналами особое место занимают так называемые «самоуправляемые устройства» [1; 2; 5], коэффициент передачи которых изменяется не только при воздействии внешнего сигнала управления, но также при поступлении на вход устройства сигнала повышенной мощности СВЧ.

Устройства могут использоваться как в чисто пассивном, так и в квазиактивном режимах, когда часть выпрямленного СВЧ-сигнала изменяет входной импеданс и коэффициент передачи входных цепей приемного устройства.

Типичная зависимость Р от Р – выходная вых вх характеристика для таких устройств, она показана на рис. 1, а.

Характерно, что коэффициент передачи K = = P_вых / P_вх существенно зависит от уровня мощности на входе. Согласно рис. 1, а , уже при Р_вх =

= 10 мВт потери пропускания возрастают существенно, как показано на участке « а ».

Показанная на рис. 1, б выходная характеристика устройства блокирующего типа [2] отличается от обычной монотонной характеристики, имеет N-образный характер. В допороговой области Р_вх потери можно считать незначительными. Выпрямленный ток немного растет, а затем при Р_вх = Р_{пороговое} возрастает скачком – более чем в 10 раз. Если сопротивление внешней цепи диода выбрано достаточно малым, мощность на участке стабилизации поддерживается практически постоянной.

I. Среди твердотельных устройств управления СВЧ-сигналами особое место занимают схемы защитных устройств – ЗУ, выполненные на полупроводниковых диодах [3].

Рис. 1. Выходные характеристики Р_вых F ( P_вх ) защитных устройств: а ) обычного типа на ограничительных диодах; б ) кусочноломаного типа

Рис. 2. Схема электрическая разработанного самоуправляемого ЗУ

Как показано на рис. 2, в разработанном нами устройстве [3] используется каскадное включение p-i-n-диодов , когда на входе включаются наиболее мощные диоды, а на выходе – диоды с повышенной скоростью переключения.

Диод VD9 типа 2А633А-5 вынесен за пределы СВЧ-тракта и предназначен для существенного улучшения времени восстановления ЗУ – после прекращения воздействия радиоимпульса.

По результатам разработки следует указать основные особенности устройства:

– повышение допустимой СВЧ-мощности на входе в квазинепрерывном и импульсных режимах примерно до 10 ч 10 Вт средней;

– повышение скорости управления ЗУ, ориентировочно до 10 ^ 10 с;

– повышение коэффициента передачи: потерь в режиме пропускания импульсного сигнала до уровня 0,5 ч 1,0 дБ, и ослабления сигнала в закрытом режиме до величины более 40 дБ.

Параметры ЗУ в составе приемного модуля:

– диапазон частот 3 ГГц;

– потери в режиме слабого сигнала 0,6 дБ;

• -    мощность на входе « 450 Вт в импульсе Q = 20, длительность импульса 150 мкс;

• –    запирание в режиме мощного сигнала более 40 дБ;

  – времена переключения по переднему фрон

  - 7

ту менее 10 7 с, по заднему фронту импульса

- 6 менее 10 с.

• II.    Значительный интерес представляют пассивные устройства, выполненные в виде одной о                 +       +

«квазитиристерной» структуры р -n-p-n -типа [4], показанной на рис. 3.

Такая структура выполнена в виде двух взаимодействующих p-n-переходов с чередованием типа проводимости. Одна из внутренних областей база n-типа h ₂, удельное сопротивление которой

Рис. 3. Распределение неравновесных носителей заряда вдоль базы р+-n-p-n+ структуры значительно больше сопротивления третьей области р-типа h3, которая играет роль «антиза-порной» структуры.

Как показано на рис. 3, переключение в проводящее состояние происходит в результате дрейфа неравновесных носителей заряда, когда их «полуволна» достигает внутреннего антиза-порного слоя. Зависимости выпрямленного тока и мощности на выходе от значения Р_вх показаны на рис. 4.

• III.    Проведем расчет импеданса тонкой структуры типа р⁺-n-p-n⁺ в дрейфовом приближении. Представим поле в области базы как результат сложения высокочастотного поля Е _ и поля инжектированного заряда Е_in :

Е ( х ) = Е ■ E in .

Исходное соотношение уравнения Максвелла, закон Кулона:

divE in = -^ , (1)

где 8 0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость свободного пространства; 8 - относительная диэлектрическая проницаемость материала (для кремния 8 = 12); р - плотность пространственного заряда.

Полагаем, что напряженность поля на физической границе р⁺-п-перехода при х = 0 равна нулю.

Е х = 0 = E in + - = 0, (2) так как в противном случае инжекция на p-n-переходе была бы неограниченной.

Глубина проникновения инжектированных носителей заряда определяется величиной L , которая в случае дрейфового переноса пропорциональна напряженности поля.

Заметим, в общем случае имеют место оба механизма переноса носителей заряда: дрейф и диффузия. Однако при напряженности поля

Рис. 4. Зависимости о т входной мощности P_вх : а ) выпрямленного тока I , мА; б ) выходной мощности, Р_вых для многослойной р⁺-n-p-n⁺-структуры

порядка 10 4 В/см (мощность на выходе ~ 1,0 Вт) преобладает дрейфовая составляющая тока. При использовании теоремы Шокли-Рамо интегрированные (1) с учетом (2) для области х <  L ~ дает результат:

w

S i=     рudx,

W ^,

где u – скорость носителей заряда; S – площадь структуры; W – толщина базы.

При нахождении величины скорости u полагаем, что рассеяние носителей заряда на колебаниях решетки является квазиупругим, т. е. при столкновении с решеткой потерями энергии можно пренебречь. Импеданс структур находится в виде отношения напряжения к току [6];

при этом полагаем: dE р dx ss q

w

J Edx

• Z = -0------.

i

Напряженность поля в области базы Е связано с СВЧ-мощностью соотношением (EW)2 = PZq , где Z0 – волновое сопротивление тракта, из ко- торого получаем:

Z = A

,

где А — постоянная величина; L _ш — дрейфовая длина на высокой частоте to = 2п f .

Согласно (6), наведенный ток в структуре

1/2

i = AL^ (PZ0)3/4, где

1/2

• A = 1 ss q ^f q- ) 5

• 2   V m )

  – постоянная величина.

Итак, изменение импеданса на СВЧ может происходить как за счет изменения тока проводимости по закону i ^1/3, так и за счет дрейфа неравновесных носителей заряда.

При распространении этих носителей до области внутреннего p-n-перехода W ® Lw /2, проводимость структуры скачкообразно возрастает, что и продемонстрировано на рис. 4.

При малых уровнях мощности СВЧ-проводимость практически равна нулю. Далее импеданс структуры уменьшается скачком за счет СВЧ-инжекции, т. е. при увеличении концентрации неравновесных носителей по действием СВЧ-поля и при достижении ими внутреннего запертого перехода ( W ® Lw /2) имеет место резкий скачок проводимости.

• IV. При проектировании структуры, толщина внутренней высокоомной области h ₂ выбирается с учетом значений пороговой мощности и диапазона частот. Концентрация примеси в области h ₃ – 10 16 ^ 10^х' см - ³ устанавливается равной или несколько большей концентрации неравновесных носителей в проводящем состоянии для снижения остаточного сопротивления структуры.

Исследованные структуры изготавливались на основе эпитаксиальной технологии методом сублимации кремния в вакууме. Кремний КЭ-100-250 с концентрацией n = 4 ■ 10¹³ см . Концентрация основных носителей в базе h 2 — 10¹⁴ см . Протяженность h 2 « 4 мкм, h .3 ® 8 мкм. Эмиттер и коллектор с концентрацией носителей заряда 19     - 3

• 10 см .

Рис. 5. Ограничительные характеристики многослойной структуры в диапазоне частот 37 ГГц

• V. Динамические характеристики устройства восьми-миллиметрового диапазона волн показаны на рис. 5 [5].

Заключение

Предлагаемые структуры и управляющие устройства на их основе могут найти применение в приемной СВЧ РЭА широкого функционального назначения и в различных диапазонах частот.