86. ПРОПОРЦИОНАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПЛАНАРНЫХ ЦЕПЕЙ

В ряде случаев по известной топологии планарной цепи путем про порцион ал ьного изменения всех ее размеров можно разрабатывать топологию другой цепи с теми же параметрами, но работающую на другой частоте или с другими (пропорционально измененными) волновыми сопротивлениями линий выводов. Этим методом может также разрабатываться топология узла на полосковых линиях по известной топологии узла на микрополосковых линиях (и наоборот). При этом рассматриваются эквивалентные размеры планарного комнонента, т. е. увеличенные для учета влияния краевых полей вблизи гранин планарной цепи.

ПР01ЮРиИ0Н.Л.(1ьн0ь ИЗМЕНЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПЛАНАРНЫХ ЦЕПЕП ПРИ ИЗМЕНЕНИИ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ

Пропорциональное изменение размеров при изменении рабочей частоты, применимое к устройствам на волноводах, полосковых и мнкрополосковых линиях 115, 16), может применяться также и к двумерным планарным цепям. Если все линейные размеры центрального проводника двумерной планарной цепи уменьшить в К раз и одновременно 6 К раз уменьшить толщину подложки, то полученная планарная цепь будет иметь те же [шраметры при работе на частоте f, что и исходная цепь на частоте/ К- Например, если планарная цепь на подложке толщиной 5 мм предназначена для работы на частоте 1 ГГц, то для использования ее на частоте 10 ГГц необходимо уменьшить все линейные размеры центрального проводника в 10 раз и изготовить тагу на подзожке толщиной 0,5 мм.

Ошдует заметить что для схем полоскового тигга расширение границ, обусловенное влиянием краевых полей, пропорционально высоте подложки. Поэтому фактически для изменения рабочей частоты можно менять физические размеры планарного компонента,

862 ПРОПОРЦИОНАЛЬНОЕ ИЗМРНЕНПР ВОЛНОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИИ

Иоюльзуя те же принципы изменения размеров, можно получить ттланарную цепь с волновыми сопротивлениями всех линий выводов, измененными в несколько раз, которая на той же частоте имеет такие же параметры рассеяния, что и исходная планарная цепь. Новая цепь наносится на подчожку другой толщины, а все размеры двумерного планарного компонента остаются теми же самыми Если планарный компонент наносится на подложку высотой Kd то S-матрица новой цепи будет той же, что и у исходной, нанесенной на подложку толщиной d, У новой планарной цепи волновые сопротивления линий всех выво доб умножаются иа коэффициент К-

Оба упомянутых способа пропорционального изменения размеров могут быть объединены Например, если высота подложки остается не-158

измеиной, а линейные размеры увеличиваются в К раз, то 5 матрица полученной цепи ка частоте flK остается такой же, как и у исходной цепи на частоте/ а все уровни волновых сопротивлений в полученной цепи уменьшатся в К раз

Ч6.3 ПЕРЕХОД от топологии полосковой КОНСТРУКЦИИ К .МИКРОПОЛОСКОВОЙ (И НАОБОРОТ)

принципы пропорционального изменения размеров могут использоваться для получения топологии микрополосковой конструкции, эквивалентной заданной топологии полосковой конструкции (и наоборот). При этом матрица рассеяния планарной цепи полоскового типа с расстоянием между заземленными пластинами 2d будет совпадать с матрицей рассеяния планарной цепи микрополоскового типа на подложке толщиной d Поэтому линейные размеры (между магнитными стенками) будут одинаковы в обоих случаях. Необходимо отметить, что значения волновых сопротивлений линий выводов планарной мнкро полосковой цепи будут вдвое больше соответствующих значений полосковой цепи. Требуемые значения волновых сопротивлений линий выводов могут быть достигнуты, как описано в подразд. 8.6.2, их про порциональным измененнем.

Рассмотренные способы пропорционального изменения размеров обеспечивают дополнительную гибкость при конструировании. Эти способы могут быть использованы при разработке СВЧ устройств вплоть до миплиметрового диапазона both

МОДЕЛИ СВЧ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Современный прогресс в технологии по.зу проводи и ковых приборов 1Юзволяет инженерам СВЧ техники широко использовать твердотельные структуры для различных применений. Такие приборы, как р rt-диоды, варакторы, диоды Шотки, точечные диоды сейчас широко используются в различных устройствах - смесителях умножителях частоты параметрических усилителях фазовращателях, детекторах. Диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, биполярные транзисторы, полевые транзисторы с затвором Шотки используются в ка честве малошумящих источников СВЧ и источников средней мощности. Полевые транзисторы с затвором Шотки и диоды Ганна могут использоваться в быстродействующих логических устройствах

Поведение полупроводникового прибора при заданных геометрии и профиле легирования определяется физическими законами и может описываться набором уравнений. Решение этих уравнений позволяет определить характеристики прибора. При проектировании устройств представлякгг интерес только выходные характеристики прибора. Вы-

ходные характеристики могут описываться эквивалентными схемами состоящими из элементов с сосредоточенными параметрами

Для моделирования полупроводниковых приборов используются в основном два метода. Первый основан на физическом представлении прибора. Физическая структура и рабочий механизмм прибора перево дятся в схемную модель. У некоторых приборов действующий механи,эм достаточно сложен. Поэтому становятся необходимы упрощающие предположения. Решение в замкнутой форме не всегда может быть найдено Второй метод основан на измерении выходных характеристик, из ко торых находятся значения параметров и качественно определяется схемная модель с сосредоточенными параметрами. Он называется методом «черного ящикая или экспериментальным методом

Модель прибора должна по возможности содержать минимальное число элементов. Однако для увеличения области применения модели или для увеличения ее точности может потребоваться большое число элементов. Следовательно, число элементов определяется на основе компромисса между сложностью модели, ее точностью и областью применения.

Очень желательно, чтобы эквивалентная схема не зависела от час тоты, так как при этом упрощается описание характеристик прибора Для приборов, работающих при больших уровнях сигналов, желательно иметь возможность получения его малосигнальных параметров из мо дели прибора для больших сигналов

В этой главе рассматриваются эквивалентные схемы некоторых полупроводниковых приборов, используемых в СВЧ устройствах Даны типовые значения параметров элементов эквивалентных схем а для некоторых приборов приюдятся также приближенные выражения в замкнутой форме для этих элементов схем

Параметры большинства полупроводниковых приборов изменяются от прибора к прибору. Следовательно, для определения некоторых параметров модели часто становятся необходимы экспериментальные измерения Методы измерений, используемые для этой цели, рассмат риваются в гл 10

9 1 ДИОДЫ ШОТКИ и ТОЧЕЧНЫЕ ДИОДЫ

Дноды Шотки являются диодами с переходом металл - полупро водник, для которых выполняются следующие условия:

а) работа выхода для металла в основном больше кТ так что вы сота потенциального барьера перехода металл - полупроводник пре вышает величину кТ!е;

б) толщина обедненного слоя велика по сравнению с величиной h тс. так что туннельным эффектом можно пренебречь;

в) концентрация электронов и дырок в обедненном слое намного меньше, чем концентрация ионизированных примесей.

Диоды Шотки находят применение в смесителях, детекторах, огра ничителях, в устройствах импульсной модуляции и быстродействующих переключателях. В смесителях они обеспечивают лучшие, чем точечные диоды шумовые характеристики Диоды Шотки более надеж 160

Рнс. 9,1. Эквивг ров я р-i-п-диодов:

i диодов Шотки варакто

ны и характеризуются лучшей повторяемостью параметров.

Эквивалентная схема диода Шоткн показана на рис. 9.1, Перечень параметров эквивалентной схемы н их типовые значения приведены в табл. 9 I При последовательном включении диодов в линию их S-параметры могут быть найдены нз эквивалентной схемы диода, состоя щей из эквивалентных сопротивлений, по формулам, приведенным в графе 2 Приложения 2 I Если диод включается в линию параллельно, то используются формулы графы 3 Приложения 2 I эквивалентная проводимость диода

Точечные диоды наиболее широко используются прн приеме СВЧ сигналов в качестве смесителей в супергетеродииных приемниках нли в детекторах приемников прямого усиления. Точечный диод состоит из очень тонкого перехода металл - полупроводник в виде точечного контакта. Эквивалентная схема так,»го диода идентична приведенной эквивалентной схеме диода Шотки

9 2 ВАРАКТОРЫ

которые входит

Варакторы являются нелинейным элементом схемы с перем

реактивным сопротивлением. Изменение реактивного сопротивления определяется емкостью р - я-перехода, которая зависит от приложенного напряжения Варакторы находят применение во многих устройствах таких как модуляторы генераторы параметрические усилите

Таблица 9 I, Типовые значения параметров экв1 диодов Шоткн, вара кто ров и p-i-

ли, преобразователи частоты Они используются также в качестве перестраиваемых элементов

Активной частью варактора является р - и-переход (или переход металл полупроводник для варактора с барьером Шотки). Емкость перехода определяется формулой

где C„ft - емкость перехода при нулевом смещении V - напряжение смещения (напряжение считается положительным, если переход сме щается в прямом направлении); ф - контактная разность потенциалов; Y - показатель степени, определяемый наклоном вольт-фарадной характеристики Активное сопротивление перехода определяется фор мулой

(9 2)

/- /«-.[Р-;-!! (93)

q - заряд электрона k - постоянная Больцмана Т - абсолютная температура; /„д - обратный ток насыщения. В идеальном случае коэффициент л я; 2 для точечных диодов и л; I .(№ для диодов Шотки Эквивалетная схема диода в корпусе, смещенного в обратЕюм на правлении, приведена на рис, 9,1. Перечень параметров элементов эквивалентной схемы и их типовые значения приведены в табл. 9.1

93 р-

п ДИОДЫ

Такие диоды используются для введения затухания, регулировки уровня мощности и амплитудной модуляции СВЧ сигналов посредством управления током через прибор. Они могут использоваться в качестве переключателей, импульсных модуляторов и фазовых манипуляторов если ток переключается с прямого на обратный или изменяется с диск ретным шагом

Структура р - i - п диода является трехслойной с высокоомным промежуточным слоем небольшой толщины расположенным между сильно тегированными слоями р и л-типов. Если диод смещается в прямом направлении, то носители инжектируются в промежуточный слой, называемый i-слоем. Эти носители - дырки и электроны - из-за рекомбинации имеют ограниченное время жизни Плотностью зарядов в промежуточном слое определяется проводимость прибора. Временем жизни т приближенно определяется нижняя частота, ограничивающая применимость прибора. Эта граничная частота может быть рассчитана по приближенной формуле /□ 1/ (2 лт). Время жизни может составлять 0,01-3 МКС и более. На частотах значительно ниже частоты /□ р ~ i ~ п диод ведет себя как обычный р ~ п-переход и ВЧ сигнал поступающий на диод, детектируется. Вблизи частоты /оДИоДначинает вести себя как линейное активное сопротивление с небольшой нели 162

нейной составляющей. На частотах, намного превышающих fg диод ведет себя, по существу как чистое линейное активное сопротивление, величина которого может управляться постоянным током или низкочастотным управляющим сигналом.

При нулевом или обратном смещении i-слой частично обедняется и число носителей заряда уменьшается. Сопротивление обедненной об ласти обычно очень велико - порядка нескольких десятков килоом.

Эквивалентная схема р - i - «-диода в корпусе на высоких час-готах (больших /о) показана на рис. 9.1 Типовые значения параметров эквивалентной схемы приведены в табл. 9.1.

При использовании р - i - «-диода в аналоговых устройствах ток может иметь любые значения от значений порядка Ю мА при прямом смещении до значений, близких к нулю, при обратном смещении. Соответственно изменяется сопротивление R„ Здесь приведем эмпирическую формулу, определякщую сопротивление R„ для обычных р - I - п диодов фирмы Hewlett Packard П)

R„ 26/о"

(9 4)

где Iq - ток при прямом смещении мА Уравнение (9 4) справедливо для области прямых токов 20-10 мА

9 4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ЗАТВОРОМ ШОТКИ

94 1 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Основные функции биполярных транзисторов СВЧ аналогичны функциям низкочастотных транзисторов. Максимальная рабочая час тога (От ограничивается временем пролета носителей между эмиттером и кшлектором Гдн. Это время складывается из времени накопления заряда в переходе эмиттер - база, времени пролета через базу времени пролета обедненного слоя коллектора и времени накопления заряда в коллекторном обедненном слое Первая и последняя состав ляющие из общего времени могут быть уменьшены путем уменьшения емкостей пе реходов эмиттер - база и коллектор - база соответственно. Это достигается уменьшением площадей эмиттера, базы и коллектора. Однако для достижения мак симальиого тока эмиттера и, следователь но, максимальной выходной мощности дли на границы эмиттера должна быть как можно больше. Для достижения высоких значений отношения длины границы эмиттера к плошдаи базы обычно используется встречно-штыревая структура, показанная на рис. 9.2. Для этой цели используются и некоторые другие конфигурации [21 6*

!>11с. 9.2. Ветречно-шты рспая конфигурация би полярного транзистора