Материал: Metoda_po_sdache_ekzamena_po_mikrovolnovke

периода траектории электрон отстает от электромагнитной волны ровно на одну длину волны (это условие называется условием синхронизма), то такая волна может эффективно замедлять электрон вдоль всей волнистой траектории. В этом случае поле излучения электрона будет складываться с полем начальной волны, усиливая последнюю (раз электрон замедляется, он теряет энергию, которая переходит в волну).

Пусть электронный пучок и электромагнитная волна входят в ондулятор. Если энергия электронов и длина волны таковы, что удовлетворяется условие синхронизма, то одна половина электронов начинает терять энергию, а другая, поступившая в ондулятор на половину периода волны позже – набирать. Таким образом, сначала средняя энергия электронов не меняется, но происходит модуляция энергии, т. е., пучок разбивается на слои толщиной в половину длины волны с чередующимся отклонением энергии от начальной. Однако частицы с меньшей энергией летят медленнее, а с большей – быстрее. Поэтому «быстрые» слои догоняют «медленные». Следовательно, возникают уплотнения и разрежения, т. е. модуляция плотности электронов с пространственным периодом, примерно равным длине волны. Далее повторяется то же, что было в первой половине ондулятора: одни «полуволновые» слои пучка замедляются, а другие – ускоряются, но теперь энергию теряют слои с большей плотностью частиц, а приобретают - слои с меньшей плотностью. В результате средняя энергия электронов уменьшается, а мощность электромагнитной волны растет.

Если, как и во многих других лазерах, на оси системы слева и справа от ондулятора поставить два зеркала, то волна будет циркулировать между ними и, многократно проходя через ондулятор, каждый раз усиливаться. Конечно, рост интенсивности излучения ограничен. Одной из причин ограничения интенсивности (насыщения) может быть практически полная группировка электронов во второй половине ондулятора. В этом случае дальнейший рост мощности излучения на входе ЛСЭ приводит к уменьшению группировки (разгруппировке) и, следовательно, к снижению мощности, передаваемой пучком в излучение.

Таблица 4 – Характеристики ЛСЭ-автогенератора

18. Классификация диодов с положительным динамическим сопротивлением. Функциональная роль (на примере типового приемо-передатчика). Омические и барьерные контакты в структурах диодов.

Рис. 1 Классификация полупроводниковых приборов

Функциональная роль

Диоды с положительным динамическим сопротивлением для преобразования сигналов и управления их прохождением в микроволновом тракте.

Рис. 2. Блок-схема приемо-передатчика

Антенный переключатель

служит для переключения антенны со выхода передатчика на вход приемника, позволяет регулировать долю проходящей энергии и таким образом сохранять чувствительные элементы от сгорания

Блок защиты приемника

Защищает приемник от сильных помех, угрожающих чувствительным элементам. Диоды соединены в схему, которая не позволяет сигналу пройти дальше.

Полосно-пропускающий фильтр с перестройкой

вырезает влияние помех (S=4kT∆f уменьшаем полосу частот – уменьшается мощность шумов)

Малошумящий усилитель

сигнал не подается прямо на детектор, а предварительно усиливаем специальным прибором, которые имеют малый коэффициент шума. “Береги честь смолоду, а сигнал со входа”. МШУ с данной точки схемы усиливает сигнал, тогда влияние шумов последующих каскадов на коэффициент шума системы будет нивелировано.

Смеситель

позволяет перейти с высокой частоты на более низкую (так как шум в основном белый, то можно уменьшить до частоты 10^5, и будет такой же уровень шумов, как и на свч, зато переносим сигнал на более низкую промежуточную частоту)

Гетеродин

Служит, чтобы перенести полезный спектр на более низкую частоту

отдельный генератор, который дает какую-то стабильную часоту, когда не требуется перестройка или это генератор с перестраиваемой частотой, но он должен быть синхронизирован с частотой, пропускаемой фильтром. Частота гетеродин может управляться внешним напряжением (стрелка на рисунке).

Автоматическая регулировка усиления

Если идет большой сигнал, нелинейности будут сильнее сказываться. С помощью АРУ аттеньюатором уменьшаем сигнал.

В выходной части то же самое, но отражено зеркально.

Иногда, чтобы получить достаточный сигнал ставят линейный усилитель, а потом чтобы кпд было большим ставится прибор усиливающий сигнал (усилитель мощности) до нужной величины.

Омические и барьерные контакты в структурах диодов.

Рис. 3. Граница металл-полупроводник

В зависимости от соотношения работ выхода между металлом и п/п может образовываться обедненный слой, обогащенный слой или инверсный слой. Чаще всего используют обедненный слой, обладающий однонаправленной проводимостью.

Так же как и в p-n переходе, образуется обедненный слой, в котором сосредоточены со стороны п/п ионы легирующей примеси (на картинке как + обозначены), а со стороны металла – электроны (таким образом не будет образовываться диффузионная емкость). Появляется запирающий слой. Эффективная ширина (W) этого слоя обычно определяется контактной разностью потенциалов и приложенным напряжением, но важнейшим элементом, определяющим ЗЗ является энергия носителей, они не будут находиться точно на границе обедененного слоя. Электроны будут двигаться туда-сюда в соответствии с его энергией (3/2kT/q выделено красным на слайде), т. е. тепловым потенциалом (характеризует масштаб зарядовой неоднородности). Итого ширина будет +- половина длины Дебая.

Ток через такую структуру определяется формулой Ричардсона-Дэшмана (с учетом больцмановского распределения электронов по скоростям – решение экспоненциальное). Ток определяется некоторым тепловым током js. A – постоянная Ричардсона.

Так как присутствует двойной заряженный слой, то есть емкость, которую тоже нельзя точно определить т.к. будет размытие зарядовой области. Важно понимать, что если мы прикладываем достаточное напряжение, то может произойти дополнительный разогрев носителей, что может изменить значение емкости.

Рис. 4. Гомогенный p-n переход

В отличие от барьера Шоттки присутствуют 2 типа носителей, которые могут образовывать диффузионную емкость (изменение количества подвижных носителей заряда от напряжения). Такая емкость плоха тем, что носителям, попадавшим в область вне обедненного слоя, нужно время на рассасывание (время жизни носителей). (Если они попадают в область базы и там нет поля, то они будут существовать и образовывать диффузионную емкость достаточно длительное время, что не очень хорошо для СВЧ). Самая большая диффузионная емкость будет, когда подвижные носители будут находиться близко к обедненному слою.

Рис. 5. Омический контакт

Здесь присутствует контакт металл -п/п и барьер n+-n

Второй очень тонкий – возможно туннелирование, плотность тока туннельного эффекта зависит от концентрации доноров в этом слое. Носители будут преодолевать барьер в обе стороны.

Омическим контакт называется потому что работает по закону Ома: пропускает и в одну и в другую сторону.

19. Диоды с положительным динамическим сопротивлением: детекторные диоды: конструкция, ВАХ, ВЧ параметры, эквивалентная схема. Связь физико-топологических параметров прибора с его статическими и динамическими (ВЧ) параметрами.

Конструкция ДД.

1. Точечный диод

Рассмотрим диод с барьером Шоттки (обладает односторонней проводимостью), исторически первый вариант которого представляет собой структуру с контактом Ме-п/п, созданным в точке соприкосновения Ме-ой проволоки с поверхностью поликристаллической пластины кремния p-типа.

Рис. 1. Конструкция точечного диода

1 – Поликристаллический образец кремния p-типа;

2 – Пружина из заостренной на конце вольфрамовой проволоки;

3,4 – Электроды;

5 – Керамический корпус (радиопрозрачная керамика), к которому припаяны электроды.

Особенность: так как острие пружины приваривается к п/п пропусканием импульса тока, в месте сварки образуется барьер Шоттки достаточно малой площади, что обуславливает малую емкость перехода и сравнительно высокое , что приводит к отклонению ВАХ от идеальной и появлению избыточных шумов. Данные недостатки отсутствуют в планарной диоде.

2. Планарный диод.

Представляет собой эпитаксиальную структуру с напыленной Ме-ой пленкой (меза-структура из GaAs).

Рис. 2. Конструкция планарного диода

1 – Металлизация, нанесенная методом вакуумного испарения;

2 – Эпитаксиальная пленка n-типа, которая образует с (1) барьер Шоттки, по своим свойствам близкий к идеальному;

3 – Сильнолегированная n+ подложка, которая способствуют малому .

Me-n+ хороший омический контакт, затем идет барьер Me-п/п.

Особенность: имеет большую по сравнению с точечным диодом емкость, но при этом обладает более высокими значениями критической частоты при меньшем уровне шумов.

Эквивалентная схема.

Рис. 3. Эквивалентная схема ДД

Элементы и характеризуют параметры выпрямляющего перехода диода, элементы (сопротивление контактов) и далее обычно идут проводники на контакты, имеющие индуктивное сопротивление — емкость корпуса прибора.

В «+»-ый полупериод СВЧ-колебаний (при «+»-ом смещении p-n перехода) главный фактором, влияющим на работу прибора является , так как уходит барьер и если брать идеальный случай паразитных параметров нет. При «-»-ом смещении - (из-за расширения ОПЗ, емкость перехода убывает).

Ток будет одинаковым в положительный и отрицательный полупериод, когда емкостное сопротивление примерно равно активному сопротивлению. из этого условия определяется граничная частота. чтобы сделать диод работающий на высокой частоте нужно уменьшать Rs и Cj. Этого можно добиться уменьшением площади контактов.

Для уменьшения Rs должна быть высокой низкополевая подвижность и сравнительно высокое легирование.

Также нужно учитывать угол пролета. (Чтобы шел ток, нужно чтобы носители прошли обедненную область, при высоких концентрациях обедненный слой будет небольшим и соответственно время пролета будет малое, меньше, чем период, на котором работает система)

Основные параметры и характеристики.

1. Вольт-амперная характеристика (ВАХ).

По своему виду схожа с ВАХ любого выпрямляющего контакта.

а) б)

Рис. 4. ВАХ диода а) в линейном масштабе, б) в логарифмическом

Разберем отрицательную ветвь. При небольших обратных смещениях ток через диод практически не меняется и определяется током неосновных НЗ (которые попали в область тянущего ЭП из диффузионных областей перехода) – тепловой ток (I_s). Увеличивая обратное смещение ток, протекающий через диод очень резко возрастает, это происходит из-за того, что диод переходит в режим лавинного пробоя, и если диод долго работает в таком режиме, он может выйти из строя.

Прямая ветвь

Посмотрим на начальный участок прямой ветви: закону Ричардсона-Дэшмана подчиняется второй участок, 1 и 3 отклоняются.

Первый участок

При маленьких напряжениях носители заряда не могут преодолеть потенциальный барьер 0,7..0,9 В, но течет ток. Он обусловлен тем, что у каждого прибора есть поверхность – несовершенный п/п и ток течет по поверхности (ток утечки).