Seminární práce na RAK - Mikrovlnné obvody

Mikrovlnné diody

Pro mikrovlnné účely se používají speciální hrotové diody. Vyrábějí se převážně z křemíku s vodivostí P, nebo též z germania typu N a z arsenidu gallitého typu N, u něhož existují dobré předpoklady pro funkci na velmi vysokých kmitočtech (velká pohyblivost).

Křemík pro výrobu musí být velice čistý. Vysoce se leguje na měrný odpor řádově 10-4 W.m obvykle hliníkem, který dává nejlepší výsledky. Po tepelném zpracování se na povrchu polovodiče vytvoří epitaxní vrstvička několik desetin milimetru silná o velkém měrném odporu a opačné vodivosti, odstraní se vrstva oxidu na jejím povrchu, destička se rozřeže na základní čtverečky a k povrchu čtverečku se přiloží hrot. Uvedenou úpravou získáme malý sériový odpor a zároveň větší závěrné napětí diody (v tomto případě se příznivě uplatňuje tenká epitaxní vrstva a dosáhne se tak dobrých usměrňujících vlastností při závěrném napětí řádově několika voltů).

Protože diody pro centimetrové vlny pracují obvykle v součinnosti s vlnovody nebo koaxiálními kabely, jsou k nim přizpůsobeny konstrukčním tvarem, ten je zachycen na obr. 1. Průměr diody je asi 3 mm. Existují však i jiné úpravy pro zakončení koaxiálních vedení apod. Formováním se pouze ustalují elektrické a mechanické parametry, nevytvoří se subminiaturní přechod PN, jako u hrotových germaniových diod.

Řez křemíkovou diodou pro pásmo 10 cm

1 - spojovací trubička, banánek, 2 - aretační šroub, 3 - kontaktní pružina, 4 - keramická patrona, 5 - křemíkový krystal, 6 - stavěcí šroub, 7 - hlavice patrony

Dalším prvkem s přechodem PN využívaným v oblasti centimetrových vln je dioda PIN, která se používá jako řízený odpor nebo spínač. Na obr. 2 je znázorněna její základní struktura. Skládá se ze dvou silně legovaných oblastí P+ a N+ a oblasti vlastního (intrinzitního) polovodiče I. Pro funkci diody je rozhodující vlastnost intrinzitní vrstvy I. Její měrný odpor a doba života nosičů výrazně ovlivňují vlastnosti součástky. Objem vrstvy je rozhodující pro výkonové zatížení. Koncentrace příměsí v oblastech P+ a N+, plocha příčného průřezu oblasti I a strmost přechodů ovlivňují sériový odpor Rs.

a) struktura, b) závislost diferenciálního odporu Rd na propustném proudu pro dvě různé diody, c) VA charakteristika diody PIN a diody Si s přechodem PN

Přiloží-li se na diodu PIN napětí v přímém směru, nastane injekce nosičů do obou konců oblasti I a její odpor se zmenšuje v závisloti na procházejícím proudu. Vzhledem ke značné časové konstantě rekombinace (asi 1 ms) a velké době potřebné k extrakci těchto nosičů z vrstvy I (závisí na délce této oblasti) nestačí se při vysokých kmitočtech (nad 1 GHz) oblast I vyprázdnit v průběhu záporné půlperiody. Tak se při sinusovém průběhu vf napětí ustálí střední hodnota nosičů v oblasti I a dioda z vysokofrekvenčního hlediska představuje nízkou impedanci, ve velkém rozsahu nezávislou na přenášeném výkonu. Charakter diody je neusměrňující.