Расчет и проектирование диода Ганна

Расчет и проектирование диода Ганна

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

I. Анализ конструктивных особенностей полупроводниковых диодов

1.1 Полупроводниковые диоды

1.1.1 Выпрямительные диоды

1.1.2 Диодные матрицы и сборки. Стабилитроны и стабистроны

1.1.3 Ограничители напряжения

1.1.4 Варикапы. Излучающие диоды

1.2 СВЧ-диоды

1.2.1. Детекторные диоды

1.2.2. Смесительные СВЧ-диоды

1.2.3. Переключательные СВЧ-диоды

1.2.4. Туннельные диоды

1.2.5. Обращенные диоды

1.2.6. Лавинно-пролетные диоды

1.3 Диод Ганна

II. Расчет параметров и характеристик диода Ганна

Вывод

Список используемой литературы

Введение

Научно-технический прогресс немыслим без электроники. Интенсивное развитие электроники связано с появлением новых разнообразных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, которые находят применение в вычислительной технике, автоматике, радиотехники.

Полупроводниковые приборы в виде точечных диодов, или, как их раньше называли, кристаллических детекторов, применяли еще в первых электронных установках. Выпрямительные свойства контактов между металлами и некоторыми сернистыми соединениями были обнаружены в 1874 г. А.С.Поповым (впервые был использован полупроводниковый диод-детектор в его радиотелеграфном приёмнике) в 1895 г при изобретении радио был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых систем. В 1922г О.В.Лосев (открыл способность полупроводникового диода генерировать и усиливать электрические сигналы) использовал отрицательное дифференциальное сопротивление, возникающее при определенных условиях на точечных контактах металла с полупроводником, для генерации и усиления высокочастотных электромагнитных колебаний. Кроме того, им было обнаружено свечение кристаллов карбида кремния при прохождении тока через точечный контакт.

Однако в этот период успешно развивается техника электровакуумных приборов и из-за недостаточного знания строения полупроводников и происходящих в них электрофизических процессов полупроводниковые приборы тогда не получили существенного развития и применения.

В годы Великой Отечественной войны были разработаны точечные высокочастотные и сверхвысокочастотные германиевые и кремниевые диоды. В 1942г в СССР был начат выпуск полупроводниковых термоэлектрических генераторов для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Термогенераторы использовались для питания переносных радиостанций партизанских отрядов. Создание и производство этих и многих других приборов стало возможно благодаря фундаментальным теоретическим и экспериментальным исследованиям свойств полупроводников, проведенным группой ученых под руководством академика А.Ф. Йоффе.

С 1948г с моментов создания американскими учеными Дж. Бардиным, В. Браттейном, и В. Шокли точечного транзистора начался новый этап полупроводниковой электроники. В пятидесятых годах были разработаны различные типы транзисторов, мощных германиевых и кремниевых выпрямительных диодов, тиристоров, туннельных диодов и других полупроводниковых приборов.[1]

Большая работа по изучению процессов выпрямления выполнена немецким ученым В.Шоттки и американским ученым Н.Моттом. Но наиболее крупным достижением в области полупроводниковых приборов явилось изобретение в 1984 г американскими учеными Д.Б.Бардиным, В.Браттейном и У.Шокли полупроводникового усилительного элемента - транзистора. Обладая практически неограниченным сроком службы, транзисторы позволили существенно повысить надежность радиоэлектронных систем, во много раз уменьшить их размеры и сократить потребления ими электрического тока.

В СССР первые образцы точечных транзисторов были изготовлены в 1949 г А.В. Красиловым и С.Г. Мадоян.

Открытие транзистора послужило началом нового этапа в развитии полупроводниковой электроники. В период с 1948 по 1985г было создано более 60 различных типов твердотельных приборов, из которых в настоящее время отечественной и зарубежной промышленностью освоено производство более 30.

Параллельно с разработкой полупроводниковых выпрямителей и усилителей были разработаны приборы, принцип действия которых основан на свойствах полупроводниковых материалов изменять свое сопротивление под действием различных внешних факторов.

Нелинейные полупроводниковые резисторы -терморезисторы, фоторезисторы и варисторы - нашли широкое применение в электронной и радиоэлектронной аппаратуре, автоматике и электротехнике. Первые работы, посвященные вопросам конструирования и применения нелинейных резисторов, были опубликованы в конце 50-х годов. Создание новых типов нелинейных резисторов связано с именами советских ученых Б.Т.Коломийца, И.Т.Шефтеля, В.В Пасынкова.

Большим событием в радиотехнике и технике связи было появление туннельного диода. Его изобретение принадлежит японскому ученому Л.Есаки. В 1957г изучая p-n -переходы, изготовленные в сильнолегированном германии, он обнаружил аномальный ход вольт- амперных характеристик, обусловленный туннельным эффектом.

В последующие годы наблюдается быстрое продвижение полупроводниковых приборов в область сверхвысоких частот. Прогресс в этом направлении был достигнут в результате значительного усовершенствования технологии изготовления СВЧ- транзисторов, туннельных диодов и варикапов. В 1959 г советским ученым А.С. Тагером и его сотрудниками была обнаружена генерация когерентных колебаний СВЧ в p-n -переходе при ударной ионизации. Этот эффект стал основной лавинно-пролетного диода, на котором создан класс СВЧ- устройств: генераторы, усилители и преобразователи частоты.

Несмотря на достигнутые успехи в полупроводниковой электронике, нельзя считать знания в этой области достаточными. Предстоят исследования новых свойств полупроводников и создание принципиально новых приборов.

Полупроводниковая электроника дала возможность развернуть работы по миниатюризации и микроминиатюризации электронного оборудования.[2]

I. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

1.1 Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод- это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода.

В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводниковых приборах может быть электронно-дырочный переход, гетеропереход или контакт металл-полупроводник.

В диоде с электронно-дырочным переходом кроме выпрямляющего электрического перехода должно быть два невыпрямляющих перехода, через которые p- и n-области диода соединены с выводами. В диоде с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта металл- полупроводник всего один невыпрямляющий переход.

а)

Н В Н

а) с электронно-дырочным переходом; В - выпрямляющие контакты;

Н - невыпрямляющие контакты

Рисунок 1.1 Структура полупроводниковых диодов

Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Поэтому при прямом включении диода количество неосновных носителей, инжектированных из сильнолегированной области в слаболегированную область, значительно больше, чем количество неосновных носителей, проходящих в противоположном направлении. В соответствии с общим определением область полупроводникового диода, в которую происходит инжекция неосновных носителей, называют базой диода. Таким образом, в диоде базовой областью является слаболегированная область.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая из двух величин, определяющая свойства и характеристики диода: диффузионная длина неосновных носителей в базе или толщина баз.

Плоскостным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно больше характеристической длины.

Точечным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно меньше характеристической длины.

Выпрямляющий переход кроме эффекта выпрямления обладает и другими свойствами: нелинейностью вольт- амперной характеристики; явлением ударной ионизации атомов полупроводника при относительно больших для данного перехода напряжениях; явлением туннелирования носителей сквозь потенциальный барьер перехода как при обратном, так в определенных условиях и при прямом напряжении; барьерной емкостью. Эти свойства выпрямляющего перехода используют для создания различных видов полупроводниковых диодов: выпрямительных диодов, смесителей, умножителей, модуляторов, стабисторов, стабилитронов, лавинно-пролетных диодов, туннельных и обращенных диодов, варикапов.[1]

1.1.1 Выпрямительные диоды

Диоды, используемые в электрических устройствах для преобразования переменного тока в ток одной полярности, называют выпрямительными.

Разновидностью выпрямительных диодов являются лавинные диоды. Эти приборы на обратной ветви ВАХ имеют лавинную характеристику, подобную стабилитронам. Наличие лавинной характеристики позволяет применять их в качестве элементов защиты цепей от импульсных перенапряжений, в том числе непосредственно в схемах выпрямителей.

1.1.2 Диодные матрицы и сборки

Диодные матрицы и сборки предназначены для использования в многоступенчатых диодно-резистивных логических устройствах, выполняющих операции И, ИЛИ, диодных функциональных дешифраторах, различных коммутаторов тока и других импульсных устройствах. Конструктивно они выполнены в одном корпусе и могут быть электрически соединены в отдельные группы или в одну группу (общий анод и раздельные катоды, общий катод и раздельные аноды), последовательно соединены или электрически изолированы.

1.1.3 Стабилитрон и стабистрон

Стабилитроном называют полупроводниковый диод, напряжение на обратной ветви ВАХ которого в области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего тока.

1.1.4 Ограничители напряжения

Ограничитель напряжения - это полупроводниковый диод, работающий на обратной ветви ВАХ с лавинным пробоем и (или) на прямой ветви характеристики, и предназначен для защиты от перенапряжений электрических цепей интегральных и гибридных схем, радиоэлектронных компонентов и многих других цепей аппаратуры.

Ограничители напряжения могут быть несимметричны и симметричны. Приборы первой группы в основном предназначены для защиты цепей постоянного тока, второй - переменного тока.

1.1.5 Варикапы

Варикап - это полупроводниковый диод, в котором используются зависимость емкости p-n перехода от обратного напряжения.

Варикапы удобны тем, что, подавая на них постоянное напряжение смещения, можно дистанционно и практически безинерционно менять их емкость и тем самым резонансную частоту контура, в который включен варикап. Варикапы применяют для усиления и генерации СВЧ сигналов, перестройки частоты колебательных контуров или автоподстройки частоты.

1.1.6 Излучающие диоды

Излучающим диодом называют полупроводниковый прибор, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока.

По характеристике излучения излучающие диоды можно разделить на две группы: с излучением в видимой части спектра (светодиоды) и инфракрасной - диоды ИК-излучения.

1.2 Сверхвысокочастотные диоды

Большинство сверхвысокочастотных (СВЧ) диодов представляют собой точечные диоды, выпрямление в которых происходит на контакте металл - полупроводник. Особенностью таких контактов является возможность выпрямления без инжекции неосновных носителей в кристалл полупроводника. Поэтому в базе диода не происходит накопления и рассасывания носителей, что свойственно плоскостным диодам, ограничивающих их частотный диапазон.

В зависимости от выполняемой функции и применения СВЧ диоды подразделяются на детекторные, смесительные, умножительные, переключательные, ограничительные, параметрические и генераторные.[3]

1.2.1 Детекторные СВЧ - диоды

Полупроводниковые диоды, предназначенные для детектирования сигнала, называют детекторными. В качестве детекторов используют, как правило, плоскостные или точечные диоды с переходом Шоттки.

Детекторные диоды выпускают в различных корпусах: в керамическом патроне, в коаксиальном патроне, в керамическом патроне в форме таблетки.

Рисунок 1.2 -Эквивалентная схема детекторного диода

1.2.2 Смесительные СВЧ-диоды

Смесительным называют полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

Потери преобразования смесительного диода выражают отношением

L прб= PСВЧ / P п.ч (1.1)

где Рсвч - номинальная мощность подводимого СВЧ - сигнала; Р п. ч - номинальная мощность сигнала промежуточной частоты.

Обычно ?прб выражают в децибелах (дБ).

? прб= 10lg P СВЧ / P п. ч (1.2)

Качество смесительного диода в значительной степени определяется свойствами полупроводника, из которого он изготовлен.

К=б /м ее?/n (1.3)

б - радиус контакта, м - подвижность основных носителей заряда; n - концентрация основных носителей заряда.

Чем меньше значение К, тем лучшими свойствами обладает смесительный диод.

1.2.3 Переключательные СВЧ-диоды

Переключательным называют полупроводниковый диод, предназначенный для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Использование полупроводниковых диодов в качестве переключающих устройств позволяет создавать быстродействующие фазовые модуляторы в миллиметровом диапазоне волн. На рис 1.3 представлены эквивалентные схемы диодов, используемых в качестве переключателей: диода с p-n -переходом или переходом Шоттки (а) и диода с p-i-n-структурой (б).

Рисунок 1.3 -Эквивалентные схемы переключательного диода.

Полная эквивалентная схема переключательного СВЧ- диода помимо сопротивления p-n -перехода содержит емкость корпуса, и индуктивность контактной проволоки (в). В переключательных диодах Lк и Cп являются элементами резонансных контуров, образуемых диодом, и, таким образом, их значения не могут быть произвольными.

Важным параметром выключателей является критическая частота f кр.п. д., характеризующая эффективность переключательного диода и определяемая по формуле :

f кр.п.д, =1/2рCстрvrпр.п.д r обр.п.д (1.4)

где Cстр - емкость структуры.

1.2.4 Туннельные диоды

Туннельным называют полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт- амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

Эквивалентная схема туннельного диода состоит из емкости перехода Cp-n, сопротивления потерь rп - суммарного активного сопротивления кристалла, омических контактов и выводов; дифференциального сопротивления rдиф - величины, обратной крутизне вольт- амперной характеристики; индуктивности диода- полной последовательной индуктивности диода при заданных условиях и емкости корпуса Скор. Емкость между выводами диода Сд= Cp-n + Скор.

Страницы: 1, 2, 3