Понятие "полупроводниковый диод" объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Классификация полупроводниковых диодов соответствует общепринятой классификации всех полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электронных преобразовательных полупроводниковых диодов различают выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в том числе, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных полупроводниковых диодов выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и полупроводниковые квантовые генераторы.
Очень многие микроволновые приборы создают на основе диодов, поскольку их частотный диапазон зачастую значительно выше, чем у биполярных и полевых транзисторов. Поэтому именно в микроволновой технике можно часто встретить диодные усилители, генераторы, смесители, и другие устройства. В автоматике, в радиотехнике метрового диапазона волн, в компьютерной технике, усилители, генераторы, смесители, и другие электронные устройства чаще выполняют на основе транзисторов и операционных усилителей.
Промышленностью выпускаются различные типы диодов СВЧ, отличающиеся устройством, материалами и областью применения. Диодные структуры, обычно помещают в герметичный металлокерамический корпус (рис.2.6, а). Это обеспечивает их механическую и климатическую устойчивость. В соответствии с общей тенденцией миниатюризации приборов и устройств, а также для уменьшения внешних паразитных воздействий, диоды помещают в корпусы малых размеров. Размеры корпуса связаны с уровнем рабочей мощности диодов. Базу диодной структуры 3 припаивают к медному держателю 1.Второй вывод структуры присоединяют с помощью температурной компрессии к тонкой золотой проволочке 4,которую в свою очередь припаивают к фланцу 6.Фланец и держатель припаивают к керамической втулке 2 с помощью колец из твердого припоя. Для герметичности корпуса крышку 5 сваривают с фланцем электроконтактным, электронно-лучевым или лазерным методами.
Для повышения поверхностной проводимости, улучшения контактов и обеспечения коррозионной стойкости металлические детали покрывают пленкой серебра или золота. Держатель и крышка могут иметь ножку (рис. 2.6, а) или быть плоскими (рис. 2.6, б). Таблеточный корпус (рис. 2.6, в) удобен для включения в полосковую линию и в волновод суженного сечения. Корпус мощного диода (рис. 2.6, е)состоит из массивного держателя и крышки для улучшения теплового отвода при монтаже диода в устройстве.
Диоды могут быть бескорпусными, когда их диодные структуры защищены от влияния внешней среды только слоем эпоксидного компаунда или лака (рис.2.6,г, д). В этом случае базу структуры припаивают к держателю, а эмиттер диода термической компрессией соединяют с ленточными выводами. Такие конструкции удобны для включения в микрополосковую линию передачи (МПЛ). Если диод необходимо включить в МПЛ последовательно, то используют также специальные корпусы (рис. 2.6, ж). Диодную структуру 3при этом припаивают к металлизированному керамическому держателю 2(металлизированные участки корпуса показаны на рисунке жирной линией), площадками 9 диод припаивают к полосковому проводнику МПЛ. Для гибридных интегральных микросхем удобна конструкция диодов без корпуса, с балочными выводами (рис. 2.8). В этой конструкции оба вывода диода 2 формируют в одной плоскости и соединяют с полупроводниковой структурой с помощью окон в изолирующей диэлектрической пленке.
Рис. 2.8. Устройство диода с барьером Шоттки и балочными выводами: 1 — диэлектрическая пленка; 2 — выводы
В эквивалентной схеме диодов СВЧ для переменной составляющей сигнала необходимо учитывать и параметры корпуса. В общем случае диоду соответствует эквивалентная схема, изображенная на рисунке 2.9. Следует отметить, что эквивалентную схему с сосредоточенными параметрами правомерно приводить в соответствие диоду только тогда, когда размеры полупроводниковой структуры и корпуса малы по сравнению с рабочей длиной волны. В такой схеме свойства p–n - перехода или контакта металл – полупроводник отображаются в виде эквивалентного сопротивления ,значение которого определяется устройством и типом перехода, напряжением, приложенным к диоду и температурой. Величина Zn учитывает диффузионную и барьерную емкости, а также дифференциальное сопротивление перехода.
Рис. 2.9. Эквивалентная схема замещения СВЧ диода
Емкость корпуса Скор зависит от его размеров (прежде всего от диаметра и высоты керамической втулки), а также конструкции держателя. Значения емкостей корпуса для современных корпусных диодов находятся в пределах от 0,15 до 0,4 пФ. Для бескорпусных диодов емкость между выводами диода без учета емкости перехода может составлять 0,05 – 0,1 пФ. Так как значения Скор для диодов СВЧ соизмеримы с емкостью перехода, то эта величина должна учитываться при анализе схем.
Емкость СВЧ диодов обычно лежит в интервале от нескольких пикофарад до 0,1 пФ. Большие значения емкостей характерны для приборов метрового и дециметрового диапазона длин волн. Гораздо меньшие значения емкостей имеют диоды, работающие на сантиметровых и миллиметровых волнах. В эквивалентной схеме индуктивность выводов отображают путем включения Lnoc. Значения Lnoc составляют 0,1 – 0,4 нГн. Индуктивность точечных диодов может достигать 1 – 2 нГн. Индуктивность Lnoc вносит заметный вклад в полное сопротивление уже на частотах сантиметрового диапазона. Для её уменьшения используют несколько проволочек или сетку, соединяющую полупроводниковую структуру с фланцем (рис. 2.6, а), и уменьшают высоту корпуса.
Активное сопротивление rпос складывается из сопротивления объема полупроводника, омических контактов и выводов диода. Сопротивление омических контактов и выводов составляет обычно около 0,1 Ом.
На рисунке 2.10 изображено условное обозначение диода, и приведены вольт – амперные характеристики кремниевого Si, арсенид галлиевого GaAs, и германиевого Ge p–n переходов. Если к аноду приложить +, а к катоду подсоединить -, то это прямое включение. А если полярность поменять, то будет обратное включение.
Рис. 2.10. Условное обозначение диода, и вольт – амперные характеристики p–n переходов
Как видно из вольт – амперных характеристик, наименьшее напряжение в прямом включении падает на германиевом Ge p–n переходе (0,3 – 0,4 В). Однако, у германиевого Ge диода велик обратный ток Iобр и мала предельно допустимая температура (70 0 С), а значит и рассеиваемая им мощность. Как известно, активная мощность равна произведению напряжения на ток: P = UхI. Поэтому, идеальный диод должен иметь прямое падение напряжения (Uпр.) и обратный ток (Iобр.), близкие к 0.
У арсенид галлиевого GaAs диода велико падение напряжения в прямом включении (до 1 В), но они выдерживают температуру до 2700 С, то есть обладают большой мощностью рассеяния. Кремниевые Si диоды занимают промежуточное положение. Падение напряжения в прямом включении на кремниевых диодах около 0,7 В и они могут работать до 130 0 С. Учитывая тот факт, что кремний Si весьма недорогой и широко распространённый в природе материал, легко объяснить его широкое применение в производстве электронных приборов, в том числе и приборов СВЧ.
,значение которого определяется устройством и типом перехода, напряжением, приложенным к диоду и температурой. Величина Zn учитывает диффузионную и барьерную емкости, а также дифференциальное сопротивление перехода.
На рисунке 2.10 изображено условное обозначение диода, и приведены вольт – амперные характеристики кремниевого Si, арсенид галлиевого GaAs, и германиевого Ge p–n переходов. Если к аноду приложить +, а к катоду подсоединить -, то это прямое включение. А если полярность поменять, то будет обратное включение.
Рис. 2.10. Условное обозначение диода, и вольт – амперные характеристики p–n переходов