Розробка і розрахунок помножувача частоти на ЛПД

2. Розробка і розрахунок помножувача частоти на ЛПД

2.1. Принцип роботи ЛПД

Принцип роботи лавино-пролітного діода оснований на виникненні від’ємної провідності в діапазоні надвисоких частот, що обумовлено процесами лавинного помноження носіїв і їхнього прольоту через напівпровідникову структуру. Поява від’ємної провідності пов'язана з тимчасовим запізнюванням цих двох процесів, що призводять до фазового зсуву між струмом і напругою. "Лавинне запізнювання " з'являється за рахунок кінцевого часу наростання лавинного струму, а "пролітне запізнювання" -за рахунок кінцевого часу прольоту носіями області дрейфу. Провідність діода від’ємна на деякій частоті, коли сума цих часів дорівнює півперіоду сигналу низької частоти. Виникаюча за рахунок пролітних ефектів у напівпровідникових діодах від’ємна провідність уперше була отримана в 1954 році Шоклі, який вважав, що двоконтактні прилади через свою структурну простоту мають потенційні переваги в порівнянні з триконтактними - транзисторами.

В даний час лавино-пролітний діод є одним із самих потужних твердотільних джерел НВЧ-випромінювання. ЛПД можуть генерувати в неперервному режимі найбільшу потужність у міліметровому діапазоні хвиль. Проте необхідно відзначити складності, з якими зіштовхуються при роботі ЛПД у зовнішньому ланцюгу: високий рівень шуму; необхідність ретельного розрахунку ланцюгів (щоб уникнути розладу або навіть перегоряння діоду, оскільки велика реактивність і сильно залежить від амплітуди осциляцій). Родинним ЛПД приладом є також пролітний діод із захопленим об'ємним зарядом лавини. Робоча частота цього приладу набагато менше пролітної, але К.К.Д. значно вище, чим у ЛПД. У результаті теоретичних досліджень було встановлено, що при роботі в режимі великого сигналу лавинний процес починається в області високого поля, а потім швидко поширюється на весь зразок, у результаті чого останній заповнюється електронно-дірковою плазмою, що проводить, просторовий заряд якої знижує напругу на діоді до дуже малих величин. Тому, що плазма не може бути просто вилучена з приладу, тому цей режим роботи називається режимом із захопленим об'ємним зарядом лавини. Пролітні діоди застосовуються в імпульсних передавачах і в радарах із фазованими решітками.

2.2. Конструкція ЛПД

Діодний проміжок ЛПД являє собою багатошарову напівпровідникову структуру зі складним профілем легування. У залежності від профілю легування можна виділити декілька типів ЛПД, наприклад 2-шарові діоди n-p-типу (мал. 2.1, а), 3-шарові p⁺-n-n⁺-типу (мал. 2.1, б), 4- n⁺-p-i-p⁺-типу або діоди Ріда (мал. 2.1, в), 4-шарові р⁺-p-n-n⁺-типу (мал. 2.1, г), із бар'єром Шоттки ( мал. 2.1, д).

Широке поширення одержали ЛПД із структурою p⁺-n-n⁺-типу, у якій концентрація домішок в n-шарі вибирається таким чином, щоб межа запірного прошарку p-n переходу “дотягалася” до межі діодного проміжку, тобто l=L, що є умовою “проколу” діода. Трикутний розподіл електричного поля в цій структурі є характерним для ЛПД усіх відомих типів. ККД таких структур на кремнії порядку 10%. Однією з можливостей збільшення ККД лавино-пролітного діода є використання структури типу р⁺-p-n-n⁺, що одержав назву двопролітної структури.

E  E

EПРEПР

L  d

X X

n p  p⁺ n n⁺

a) б)

Е E

Е_ПР  Е_ПР

L L

 

Х Х

n⁺ p i p⁺  p ⁺ pnn⁺

в) г)

Е

Е_ПР

d

L

X

Ме n n⁺

д)

Мал.2.1.Розподіл електричного поля в діодному проміжку ЛПД

У такій структурі лавинна область розташовується в середині між двома пролітними областями для електронів і дірок і в енергообміні беруть участь обидва типи носіїв. Структура являє собою як би два послідовно включених ЛПД, тому зростає не тільки ефективність, але й опір діода, це у свою чергу дозволяє збільшити площу структури і вихідної потужності.

Ця діодна структура отримана за допомогою подвійної епітаксії. При виготовленні ЛПД-структур необхідно забезпечити високу точність легування: переходи між областями n⁺, n , p і р⁺ повинні бути дуже різкими, а товщина n і р - області і концентрація в них домішок заданими з точністю до декількох відсотків. Щоб уникнути небажаного послідовного опору, n⁺ і р⁺ - області повинні бути по можливості тонкими і сильнолегованими. Спочатку необхідно вибрати підкладку. Для забезпечення однорідності параметрів виготовлених приладів підкладка повинна бути монокристалічною із низькою концентрацією дефектів. Робочу поверхню шляхом механічного або хімічного полірування варто довести до дзеркального стану. Концентрація легуючої домішки не повинна перевершувати розчинності домішки в кремнії у твердій фазі. Звичайно використовуваними донорними домішками в кремнії служать миш'як і фосфор, а акцепторною домішкою служить бор.

 Всі процеси епітаксіального нарощування в кремнії засновані на використанні парофазних реакцій. У якості вихідних матеріалів звичайно застосовують Si₂H₂Cl₂ іSiH₄. При високій температурі в атмосфері водню ці з'єднання розкладаються з утворенням Si, Н₂ і НСl. Для одержання однорідних монокристалічних прошарків необхідно підтримувати температуру підкладки в жорстко обмеженому інтервалі температур, різноманітному для кожного з вищезгаданих вихідних з'єднань. Швидкість епітаксіального нарощування сильно залежить від температури і тому надзвичайно важливе точне завдання температури й однорідність її розподілу по всій площі пластини. Велике значення також має точна підтримка заданої швидкості потоків газів, що беруть участь у реакції. Для введення легуючої домішки в плівку, що вирощується, використовують декілька методів, одним із них є легування з газів і парів з'єднань, що містять домішки. Введення домішок до складу газоподібних речовин провадитися з використанням фосфіна РН₃, арсіна АsH₃, діборана В₂Н₆ і деяких інших газів, що добавляються у водень або інертні гази в концентраціях від 10^-4 до 1%, і ця низька концентрація повинна добре підтримуватися. Після виготовлення напівпровідникової структури здійснюють металізацію.

 При виборі металізованого покриття істотні два основних поняття. По-перше, використовуваний метал (або метали) повинний утворювати омічний контакт із дуже малим перехідним опором. По-друге, металізація повинна призводити до створення надійного приладу. При виготовленні НВЧ-приладів застосовують комбінації типу Сг-Аu або Тi-Аu. Обидві комбінації мають хорошу адгезію, забезпечують дуже низькі контактні опори і до них легко приєднати контакти. Проте при підвищених температурах спостерігається перенос матеріалу, що призводить до катастрофічних результатів. Один із методів рішення проблем, пов'язаних із взаємною дифузією металів, заснований на застосуванні бар'єрного металу, що розділяє прошарок власне-контактного металу від зовнішнього прошарку з інертного металу - золота. Відмінними бар'єрами, що розділяють метали один від одного, є паладій і платина.

Виготовлений діод монтують у НВЧ - корпус. Корпус забезпечує захист кристала від впливів навколишнього середовища. Основні вимоги, якою повинна задовольняти конструкція корпуса, полягає в забезпеченні малих значень паразитних параметрів С_К і L_к і малого теплового опору. Перша вимога стає вирішальною у більш високочастотному діапазоні, коли значення паразитної ємності має порядок активної області діодної структури, друга вимога грає основну роль у більш низькочастотному діапазоні при роботі діода з високими рівнями потужності. Звичайно застосовують металокерамічні корпуса з використанням чопа з високоглинистої кераміки з e = 9-10, що забезпечують жорсткі вимоги до механічної і кліматичної стійкості. Типова структура корпуса показана на малюнку 2.2.

 

Мал.2.2. Металокерамічний корпус діоду:

1 - тримач, 2 - шайба припою, 3 - втулка, 4 - шайба припою, 5 - кришка, 6 - фланець, 7 - кристал.

Одночасне зниження L і С досягається тільки при зменшенні висоти і діаметра ізоляційного чопа. Мінімальні значення L і Су корпусах такого типу складає відповідно 0,15 нГн і 0,25пФ при найменших габаритах.

Зниження теплового опору досягається використанням у якості кристалотримача матеріалу з високою теплопровідністю, зокрема міді. Одержання узгодженого прошарку кераміки з міддю досягається при використанні компенсуючих каблучок з ковара. Приєднання кристалу до тримача здійснюється або паянням, або за рахунок утворення зв’язку напівпровідника з золотим покриттям тримача. Останній засіб знижує тепловий опір конструкції через відсутність припою, що має гіршу теплопровідність у порівнянні з іншими елементами конструкції.

Для створення між контактними площадками кристалу і корпусу надійного при різноманітних умовах експлуатації електричного контакту використовуються тонкі золоті дротики, що приєднуються за допомогою мікроконтактного зварювання. Після складання, корпус перевіряють на герметичність. Корпус рахується герметичним при натіканні гелію не більш

При використанні ЛПД в помножувачі частоти корпус виконує також роль коливального системи з L і С. Ця система на принциповій електричній схемі являє собою два контури: настроєний на вихідну частоту і настроєний на субгармоніку вхідної частоти.