Seminární práce na RAK - Mikrovlnné obvody

Při závěrně polarizované diodě PIN dojde k odčerpání náboje z objemu vrstvy I, vytvoří se oblast prostorového náboje, jejíž tloušťka závisí na přiloženém napětí. Při určitém napětí Udep se prostorový náboj rozšíří do celé vrstvy I. Dioda se chová jako kapacita, jejíž hodnota klesá. Přivedeme-li vf napětí, nestačí se vrstva I v průběhu kladné půlperiody zaplnit nosiči a dioda vykazuje vysokou impedanci s malou závislostí na přivedeném výkonu

Důležitým parametrem diody PIN je doa života nosičů t v oblasti I, která udává tzv. kritický kmitočet diody

Pro signál o kmitočtu nižším než je kritický kmitočet se chová dioda PIN jako dioda s obyčejným přechodem PN, to znamená, že vf signál bude usměrněn a objeví se značně zkreslen. V nejbližším okolí fc se dioda PIN začíná chovat jako lineární odpor s malou nelineární složkou. Proto je signál ještě do určité míry zkreslen. Na kmitočtech mnohem vyšších než je fc se dioda PIN chová skutečně jako čistě lineární odpor, jehož velikost lze řídit přiloženým ss napětím.

Diody PIN se vyrábějí obvykle z křemíku. Základ tvoří slabě dotovaná oblast I, do níž se z každé strany vytvoří difúzí nebo implantací vrstvy N+ a P+.

Dalším typem mikrovlnných diod je lavinová průletová dioda. Její VA charakteristika se neliší od běžné diody. Vyrábí se z Si, Ge nebo GaAs. Její zajímavou vlastností je, že může generovat vf energii v úzkém kmitočtovém pásu, aniž by VA charakeristika vykazovala negativní Rd. Této generace vf výkonu v mikrovlnném pásmu je dosaženo kombinací lavinového průrazu a průletového zpoždění. Podstata funkce spočívá na vzájemném působení nosičů náboje a elektrického pole. Pohybuje-li se náboj ve směru působícího elektrického pole, toto pole předává nosiči energii. Pohybuje-li se nosič proti směru elektrického pole, část své energie poli vrací. Základní myšlenka využívaná v průletových diodách spočívá v tom, že se uvnitř diody vytvoří podmínky, kdy ss pole přemisťuje nosiče ve směru, který je opačný vůči směru, v němž by ho přemisťovalo střídavé pole. Tímto způsobem se energie předávaná stejnosměrným polem absorbuje polem střídavým, neboli dochází k zesílení střídavého pole na úkor stejnosměrného.

Aby vůbec došlo ke vzniku popisovaného mechanismu, musí mít dioda určitou vnitřní strukturu. Jednou z mnoha možných struktur je typ PNIN, který se podle svého tvůrce nazývá Readova dioda (obr. 3) nebo podle fyzikálního principu lavinová průletová dioda IMPATT (Impact Ionization Avalanche Transit Time - nárazová lavinová ionizace a průletová doba).

Struktura diody IMPATT

a)lavinová oblast, b) driftová oblast

Polarizujeme-li diodu v zpětném směru, vznikne v oblasti P+N vyprázdněná vrstva s velkým odporem a silným elektrickým polem. V určitém místě přechodu je maximum pole a v něm dochází vnitřní emisí a nárazovou ionizací ke generaci párů elektron-díra. Tyto nosiče se pohybují zbylou oblastí diody a vytvářejí proud. Díry jsou zachyceny okamžitě oblastí P+ a elektrony putují oblastí I do N+. Tenká lavinová oblast způsobí zpoždění elektronů vzhledem k elektrickému poli a další zpoždění vznikne v oblasti I. Vzájemný fázový posuv může nabýt hodnoty až 180°, čímž vznikne pro uvažovaný kmitočet charakter záporného odporu mezi proudem a napětím, a tedy možnost generace st signálu. Pro činnost je tedy důležitý přechod P+N (lavinová generace nosičů) a driftová oblast (zpožďovací linka). Dosahovaný trvalý výstupní výkon se pohybuje kolem 100 mW, impulsový výkon 200 W, kmitočet 3 až 100 GHz, účinnost 10 %.