Методическое указание по выполнению лабораторной работы по курсу «Беспроводные сетевые технологии»
Лабораторная Работа
«Антенны регистрирующие детекторный СВЧ диод для беспроводной информационной сети»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить физический принцип действия, устройство и характеристики полупроводникового СВЧ диода для радиоастрономических исследований.
ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ: Занести в рабочую тетрадь: название и цель лабораторной работы; основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Для детектирования и индикации колебаний в СВЧ диапазоне многие десятилетия широко применяются полупроводниковые детекторные диоды (видеодетекторы).
Детекторным СВЧ диодом называют электронный прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, предназначенный для преобразования модулированных высокочастотных колебаний. При этом СВЧ сигнал преобразуется в постоянный ток или ток низкой частоты.
Известны три конструктивно-технологические разновидности детекторных диодов: точечно-контактный (ТКД), с барьером Шоттки (ДБШ) и с p-n-переходом. Простейшую конструкцию имеют ТКД, обеспечивающие достаточно высокую чувствительность. ДБШ по сравнению с ТДК обладают более однородными электрическими параметрами и повышенной устойчивостью к электрическим перегрузкам. Диоды с p-n-переходами также обеспечивают высокую однородность электрических параметров, но уступают обоим типам диодов по предельной рабочей частоте. Всего известно более 500 типов детекторных диодов, имеющих различные конструкции и технические характеристики.
Инерционность электрических процессов в диоде зависит от постоянной времени , поэтому для повышения частотного предела в большинстве СВЧ диодов используют переходы с малыми поперечными размерами точечные, барьерная СБАР емкость которых не превышает десятых долей пикофарады, а последовательное сопротивление потерь rб – единиц ома.
2 ПЕРЕХОДЫ МЕТАЛЛ-ПРОВОДНИК
Основными элементами структуры полупроводниковых приборов являются переходы, которые могут быть выпрямляющими и омическими.
Выпрямляющие переходы образуются в месте контакта металла с полупроводником (их называют барьером Шоттки) или на границе раздела двух полупроводников различного типа электропроводности (их называют p-n-переходы). Для них подбирают материалы с различным значением работы выхода (потенциалом) электронов, вследствие чего на границе раздела возникает контактная разность потенциалов, или потенциальный барьер, способствующий протеканию тока в одном направлении и препятствующий – в другом. Благодаря этому переход обладает односторонней проводимостью.
Предположим, что контакт осуществляется между металлом и n-полупроводником, работа выхода которого меньше работы выхода электронов из металла . Энергетические диаграммы до контакта и в состоянии равновесия при контакте показаны на рисунке1.
Поскольку , электроны при контакте из зоны проводимости n-полупроводника переходят в зону проводимости металла, заряжая его отрицательно. В приконтактной области n-полупроводника образуется слой, обеднённый основными носителями и несущий не скомпенсированный положительный заряд ионов-доноров. Образуется приконтактное поле , которое препятствует дальнейшему движению электронов в металл. Это поле отталкивает свободные электроны в области контакта и втягивает в приконтактную область дырки. При равновесии уровни Ферми металла и полупроводника выравниваются. Образовавшийся запирающий слой шириной 1 лежит в основном в толще полупроводника, так как его сопротивление значительно выше.
При подключении внешнего источника питания в прямом направлении (плюс на металле) потенциальный барьер снижается, сопротивление запирающего слоя уменьшается и через переход течёт ток, обязанный перемещению электронов в металл. При подключении обратного напряжения потенциальный барьер повышается, но под действием увеличивающегося поля на переходе возможно движение дырок в металл. Этот ток мал, так как концентрация неосновных носителей в n-полупроводнике невелика.
В результате разности сопротивлений перехода при подключении прямого и обратного напряжений такой переход, как видим, обладает выпрямляющими свойствами.
Внешние металлические выводы прибора должны иметь с полупроводником невыпрямляющий омический переход (контакт), для чего между металлом и полупроводником создаётся тонкий высоколегированный слой полупроводника того же типа проводимости, обычно с малой контактной разностью потенциалов в сторону как металлического вывода, так и полупроводника (структура M-n+-n или M-p+-p, где символ + означает высокую степень легирования).
3 ДИОДЫ С ПЕРЕХОДАМИ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК
Переходы металл-полупроводник (М-П) имеют точечно-кантактные (точечные) диоды и диоды с барьером Шоттки (ДБШ).
3.1 Точечно-контактный
диод
Переход М-П точечно-контактного диода образуется прижимом заострённой проволочки из вольфрама (фосфоритной бронзы) к кристаллу кремния (германия, арсенида галлия) (рисунок 2). Требуемой вольт-амперной характеристики (ВАХ) добиваются индивидуально подбором точки контакта и регулировки силы прижима. Прижимной контакт даёт большой разброс параметров перехода, механически ненадёжен, диоды чувствительны к вибрациям и ударам. Значение обратного тока ТКД велико в соответствии с рисунком 6, а его электрическая прочность невысока.
3.2 Диоды с барьером Шоттки
Переход М-П, получаемый вакуумным напылением металла на полупроводник, называют переходом с барьером Шоттки. ДБШ выполняются из кремния или арсенида галлия n типа, высота потенциального барьера у которых составляет 0,27 – 0,9В. Обычно в качестве металлического электрода используется молибден, золото, алюминий и другие металлы, работа выхода которых для образования выпрямляющего контакта должна быть больше работы выхода кремния.
На пластину низкоомного кремния (n+область) наращивается тонкий (несколько микрометров) эпитаксиальный слой более высокоомного кремния
с концентрацией примесей порядка (n-область) (рисунок 3). На по-
верхность этого слоя методом вакуумного испарения осаждается слой металла. Площадь перехода обычно очень мала (10– 20мкм в диаметре) для диодов сантиметрового диапазона и уменьшается до нескольких микрометров для диодов миллиметрового диапазона и барьерная ёмкость не превышает 1пФ.
Благодаря малой толщине эпитаксиального n-слоя, образующего переход с металлом, сопротивление потерь перехода rпер меньше, а крутизна ВАХ в соответствии с рисунком 6 и электрическая прочность выше, чем у точечного перехода. Однако контактная разность потенциалов некоторых типов ДБШ большая, до 0,9В. Высокая повторяемость параметров ДБШ и их стабильность в процессе эксплуатации обеспечивается современной эпитаксиальной технологией.
Особенности физических процессов в ДБШ заключаются в отсутствии инжекции неосновных носителей в базу (кремний). Запирающий слой, как это было показано ранее, образуется в результате объединения приконтактного слоя полупроводника основными носителями зарядов (в данном случае электронами). Поэтому при подключении прямого напряжения U (плюс на металле) прямой ток возникает в результате движения основных носителей зарядов (электронов) из полупроводника в металл через пониженный потенциальный барьер перехода. Таким образом, в базе диода не происходит накапливания и рассасывания неосновных носителей. Основным фактором, влияющим на длительность переходных процессов, является процесс перезаряда барьерной емкости СБАР. Значение СБАР, как было указано выше, весьма мало (не более 1пкФ), очень малы также и омические сопротивления электродов: металла и . Вследствие этого время перезаряда емкости СБАР, а, следовательно, и длительность переходных процессов также очень малы и составляют десятые доли наносекунды. Эти свойства позволяют использовать ДБШ в наносекундных переключающих схемах, а также на рабочих частотах вплоть до 300ГГц.
ВАХ ДБШ почти идеально описывается экспоненциальной зависимостью для идеализированного диода. Это обстоятельство позволяет с успехом использовать ДБШ в качестве логарифмирующих элементов.
4 ДИОДЫ С p-n-ПЕРЕХОДОМ
Одной из разновидностей диодов с p-n-переходом является обращённый диод.
4.1 Обращенный диод.
Если для прижимного контакта М–n+ использовать металл с акцепторной присадкой и подвергнуть его электроформовке – пропустить через него электрические импульсы тока определённой энергии, то вследствие сильного нагрева приконтактной области под остриём иглы образуется тонкий слой р+-полупроводника, т.е. получается микросплавной точечный переход обращённого диода (ОД) структуры р+-n+ со стабильными параметрами (рисунок 4).
Обращённым называют диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.
При концентрации примесей в p-n-областях диода, меньших, чем в туннельных диодах, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах, можно получить диод, зонная диаграмма которого показана на рисунке 5. Уровень Ферми при такой средней концентрации примесей может быть расположен на потолке валентной зоны p-области и дне зоны проводимости n-области диода, т.е. потолок валентной зоны p-области и дно зоны проводимости n-области при нулевом смещении на диоде находятся на одной высоте по энергетической диаграмме.
Обратная ветвь ВАХ ОД в соответствии с рисунком 6 аналогична прямой ветви ВАХ туннельного диода (ТД), так как при обратных напряжениях происходит туннелирование электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Поэтому обратные токи в ОД оказываются большими при ничтожно малых обратных напряжениях (десятки милливольт).
Прямая ветвь ВАХ ОД аналогична прямой ветви ВАХ обычного выпрямительного диода, так как при прямых напряжениях на ОД прямой ток может быть образован только в результате инжекции носителей заряда через потенциальный барьер электронно-дырочного перехода. Но заметная инжекция может наблюдаться только при напряжениях в несколько десятых долей вольта. При меньших напряжениях прямые токи в ОД оказываются меньше обратных.
Таким образом, ОД обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а
запирающее (непроводящее) – прямому включению.
В отличие от ТД ОД имеют очень маленькую величину пикового тока IП на прямой ветви ВАХ и крутую обратную ветвь, которая используется в качестве рабочей.
Из принципа действия ОД ясно, что они, во-первых, способны работать на очень малых сигналах. Во-вторых, должны обладать хорошими частотными свойствами, так как туннелирование – процесс малоинерционный, а эффекта накопления неосновных носителей при малых прямых напряжениях практически нет. Поэтому ОД можно использовать на СВЧ. В-третьих, из-за относительно большой концентрации примесей в прилегающих к электронно-дырочному переходу областях ОД оказываются мало чувствительными к воздействиям проникающей радиации.
5 ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ
Статическую ВАХ p-n-перехода аппроксимируют выражением
(1)
где – ток насыщения при обратном смещении на диоде;
e – заряд электрона;
U – напряжение на диоде;
m – коэффициент неидеальности ВАХ близкий к двум;
k – постоянная Больцмана;
Т – абсолютная температура.
Пробивное напряжение p-n-перехода достаточно велико благодаря высокой электрической прочности обеднённых слоёв полупроводника (ВАХ p-n на рисунке 6).
Выражение (1) достаточно точно описывает прямую ветвь ВАХ диодов с переходом М-П при токе насыщения порядка 10-9А для ДБШ и 10-6А для
ТКД, причём при для ДБШ и для ТКД. В отличие от p-n-перехода, обратная ветвь ВАХ ТКД и ДБШ наклонна, не имеет чётко выраженного участка насыщения вследствие тонкости перехода и влияния поверхностного тока утечки.
6 НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА ДИОДА
Свойства диода в основном определяются параметрами электрического перехода и его ВАХ. На рисунке 7 показана примерная зависимость параметров перехода rпер и СБАР от напряжения смещения. В соответствии с типом диода и назначением используется нелинейная зависимость сопротивления перехода rпер от прямого смещения или барьерная ёмкость СБАР от обратного смещения. В первом случае диод называют варистором, во втором – варактором.
7 КОНСТРУКЦИЯ
Конструкция некоторых детекторных СВЧ-диодов, используемых в волноводных и коаксиальных линиях, показана на рисунке 8. Корпус диода патронной конструкции (рисунок 8 а, б, в) состоит из двух металлических фланцев 1 и 2, разделённых керамической втулкой 3. На верхнем фланце крепится кристаллодержатель 4 с полупроводниковым кристаллом 5, а в нижнем – настроечный штифт 6 с вольфрамовой контактной пружинкой 7, которая имеет изгибы в обе стороны от оси. Двухсторонний симметричный изгиб уменьшает тангенциальную составляющую силы давления в точке контакта и предотвращает скольжение пружинки по кристаллу. Для повышения поверхностной проводимости, улучшения контакта и коррозийной стойкости металлические фланцы серебрят или золотят.
Для работы в микрополосковых линиях применяют бескорпусные диоды (рисунок 8 г,д,е).
Современные детекторные диоды изготавливают в основном из кремния (Si) и арсенида галлия (GaAs).
, поэтому для повышения частотного предела в большинстве СВЧ диодов используют переходы с малыми поперечными размерами точечные, барьерная СБАР емкость которых не превышает десятых долей пикофарады, а последовательное сопротивление потерь rб – единиц ома.
. Энергетические диаграммы до контакта и в состоянии равновесия при контакте показаны на рисунке1.
, электроны при контакте из зоны проводимости n-полупроводника переходят в зону проводимости металла, заряжая его отрицательно. В приконтактной области n-полупроводника образуется слой, обеднённый основными носителями и несущий не скомпенсированный положительный заряд ионов-доноров. Образуется приконтактное поле 
, которое препятствует дальнейшему движению электронов в металл. Это поле отталкивает свободные электроны в области контакта и втягивает в приконтактную область дырки. При равновесии уровни Ферми металла и полупроводника выравниваются. Образовавшийся запирающий слой шириной 1 лежит в основном в толще полупроводника, так как его сопротивление значительно выше.
(n-область) (рисунок 3). На по-
потенциальный барьер перехода. Таким образом, в базе диода 
не происходит накапливания и рассасывания неосновных носителей. Основным фактором, влияющим на длительность переходных процессов, является процесс перезаряда барьерной емкости СБАР. Значение СБАР, как было указано выше, весьма мало (не более 1пкФ), очень малы также и омические сопротивления электродов: металла и 
. Вследствие этого время перезаряда емкости СБАР, а, следовательно, и длительность переходных процессов также очень малы и составляют десятые доли наносекунды. Эти свойства позволяют использовать ДБШ в наносекундных переключающих схемах, а также на рабочих частотах вплоть до 300ГГц.
(1)
– ток насыщения при обратном смещении на диоде;
10-6А для
для ДБШ и 
для ТКД. В отличие от p-n-перехода, обратная ветвь ВАХ ТКД и ДБШ наклонна, не имеет чётко выраженного участка насыщения вследствие тонкости перехода и влияния поверхностного тока утечки.