Для схемы, изображенной на рис, 2.7,

2Са i; в

ДСэкв

Используя (2.33) и (2.34), легко показать, что

2С Q

ДС Qo - Q,

(2.34)

(2.35)

Это выражение удобно для экспериментального определения добротности параметрического диода, помещенного в охлажденный резонатор.

Измерение емкости диода С производится следующим образом. Резонатор с диодом настраивается на постоянную рабочую частоту перемещением поршня настройки (рис. 2.6), CMeiuemie которого / отсчиты-пается с помощью линейки и лимба. Егужость диода С определяется по смещению поршня/с помощью градуировоч-ной кривой С = ф(/), построенной с применением эталонного ко1Г1енсатора. Емкость этого конденсатора образована небол1,шим диском, крепящимся в центральном проводнике в месте расположения днода, и стержнем такого же диаметра, который вводится в резонатор вместо держателя диода. Расстояние между стержнем и диском регулируется при помощи пары шестерен с точностью до 0,001 мм. При этом емкость зазора (в пико-фарадах) с учетом краевого эффекта вычисляется по известной формуле

Рис. 2.7. Упрощенная экин-валентиая схема нзмерн-те.чьного резонатора с дно-дом.

4d /

(2.36)

где -диаметр диска; h - толщина диска; - расстояние между диском и стержнем. Следует заметить, что при измерениях емкости диодов описанным методом определяется не истинная емкость р-п перехода, а несколько большая величина. Это обусловлено тем, что диоды имеют индуктивность вво-

аов L которая включена последовательно с емкостью. Измеренная емкость С зм связана с истинной С следующим соотношением:

С - , (2.37)

где соо -частота последовательного резонанса диодов; 0) -частота, на которой производятся измерения; С - емкость р-п перехода.

Из соотношения (2.35) следует, что для определения добротности диодов кроме значения емкости в рабочей точке и величины С необходимо иметь значения Qq и Qs;. Обе эти величины могут быть измерены методом передачи по зависимости проходной мощности от частоты. Причем, ввиду различия номиналов измеряемых емкостей диодов необходимо знать зависимость Qo от емкости, что достигается соответствующей градуировкой. Наличие органов настройки, выведенных из сосуда Дьюара наружу (рис. 2.6), позволяет градуировать резонатор при любой температуре, что производится перед обследованием диодов.

Характерная зависимость т = ф(7) параметрических германиевых диффузионных диодов, применяемых в настоящее время для неохлажденных параметрических усилителей, изображена пунктиром на рис. 2.8. Как видно из рисунка, при понижении температуры примерно до 160°К (-1 ISC) тсначала уменьшается, а затем начинает увеличиваться, что согласуется с теоретической зависимостью р = ,и(7 ) и N = N{T) для диодов с дайной концентра mieii примесей.

При напряжениях смещения, значительно больших, чем контактная разность потенциалов, практически не наблюдается изменения емкости диода с изменением температуры. Это следует из приведенных выше выражений для емкости р-п перехода и подтверждается экспериментальными данными (рис. 2.4,6). Следовательно, при U>Uk изменение сопротивления базы от температуры является определяющим в зависимости т = ф(7 ). Из рис. 2.8, где представлены зависимости т от температуры для нескольких серий диодов, отличающихся удельным сопротивлением, виден характерный минимум при низких температурах. Он обусловлен наличием температурного минимума удельного сопротивления полу-

проводникового материала, из которого изготовлен диод. -Характеристики т=ф(7 ) германиевых диффузионных параметрических диодов, разработанных для низких температур, изображены на рис. 2.9.

Таким образом, используя при низких температурах свойства даже таких известных полупроводников, как

60 80 100120 т 160 1вО 200220гю260280300320 IY.

Рис. 2.8. Влияние о.хлаждения на величину т параметрических диодов, изготовленных из полупроводника с различным р. при (/ р 40-f-50 е.

германий, можно создать параметрические диоды, характеристики которых не только сохраня10тся, но и заметно улучшаются за счет охлаждения до азотных температур, а пробивное напряжение остается высоким.

Весьма интересна работа [32] по созданию охлажденных параметрических диодов на базе кремния. В основе технологии таких приборов лежит одновременная диффузия бора и фосфора при 1200° С в высокоомный эпи-таксиальный слой кремния, выращенный на сильно легированной подложке п-типа. Бор диффундирует в эпи-таксиальный слой толщиной около 2 мк из газовой фазы, фосфор - из подложки.

Некоторые физические параметры этих диодов, измеренные при комнатной температуре, приведены в табл. 2.1, где приняты следующие обозначения:

/со-критическая частота диода при нулевом смещении;

dj - толщина эпитаксиального слоя; d - толщина р-п перехода; Na - концентрация примесей в середине р-п перехода;

Na-Nd - концентрация примесей на границе обедненного слоя при нулевом смещении.

ТАБЛИЦА 2.1

о с(

40-1

625 № I № 2 625 № 3

6.1 5.% 5.SO 5,58

1,07 0.34 0,61 0,6

QJ м x

2.6 1 34 1.76

2.2В

2.25 0,05 1 J,4 1,if

2,3 3,5 2.2 2,28

6 130 111 115

5.5 2.0 2.0 2.0

Измерения зависимости Сб от напряжения смещения показали, что градиент концентрации примесей вблизи перехода является линейной функцией. Входное сопротивление диодов измерялось на частоте 5,514 Ггц. При

тивление диодог

псек , 2.0\

1Л U2 1,0 0.8 0,6

0.3 ом-см

.150 200 250 300 Г,°К

Рис. 2.9. Температурные характеристики группы охлажденных параметрических германиевых диффузионных диодов, легированных глллпем.

охлаждении до Г = 77° К сопротивление г., диодов меняется незначительно. При температуре 4,2° К эти диоды обеспечивают работоспособность СВЧ устройства, потери возрастают относительно потерь при 300°К всего лишь в 2 раза (при т~1,3 псек).

Смесительные полупроводниковые диоды в последние годы получили исключительно широкое распространение благодаря освоению диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) для аппаратуры радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи, радиолокации, радиоастрономии. Во всех этих видах аппаратуры полупроводниковый смеситель, в котором происходит преобразование одной частоты в другую, является одним из основных элементов приемника. Обычно смесительные диоды объединяют с видеодетекторами СВЧ в группу детекторов аверхвысоких частот.

Чаще всего СВЧ детекторы представляют собой точечные германиевые или кремниевые диоды.

Свойства смесительных диодов в первую очередь определяются статической вольтамперной характеристикой, форма которой обусловливает эффективное преобразование и выпрямление, а также элементами эквивалентной схемы диода.

Отличие эквивалентной схемы параметрического диода от смесительного заключается в том, что параметрический диод используется как нелинейное реактивное сопротивление (емкость) при отсутствии токов через р-п переход (переход закрыт ), т. е. когда можно пренебречь шунтирующим влиянием активного сопротивления перехода в силу его большой величины, В смесительных же диодах, используемых при наличии токов через р-п переход (переход открыт>), основную роль играет нелинейное активное сопротивление перехода Rnev, которое может изменяться в широких пределах.

Последовательное сопротивление растекания смесительного диода во многом обусловлено сжатием линий тока в полупроводнике в месте контакта. Для полусферической формы этого контакта с радиусом R сопротивление г, вычисляется по формуле

2n<:R 2.38)

где (т - удельная электропроводность полупроводника.

- 80 -

Обычно для уменьшения величины Ts детекторы изготавливают из сильнолегированных материалов с удельным сопротивлением порядка тысячных долей ома, что приводит к пониженному напряжению пробоя этих приборов по сравнению с параметрическими диодами. При такой повышенной степени легирования работоспособность диодов должна сохраняться при очень низких температурах.

Согласно теории Шокли, в которой рассматривается рекомбинация носителей только в р- и -областях, вольтамперная характеристика диодов при малых уровнях инжекции описывается выражением вида

qU qU

-fqD\ (qD\\ {Гт j) (*Г 2.39)

где Dp и D,i - коэффициенты диффузии для дырок и электронов соответственно; Рп и Пр -плотности дырок в -области и электронов в р-области; LpHLn -длины диффузии дырки и электрона, являющиеся средней величиной пробега диффундирующей дырки (или электрона) до ее исчезновения вследствие рекомбинации с электроном (дыркой). Ток i, представляет собой сумму плотностей обратного дырочного г; , и электронного тока насыщения ins-В реальных несимметричных р-п переходах концентрация примесн в одной из областей является превалирующей.

Тогда, если NN и Lp~Ln, Dp~Dn, то s ,

т. е. ток является следствием диффузии дырок. Зависимость тока is от Т может быть описана выражением

г, = Ле

кТ

(2.40)

где IS.E - ширина запрещенной зоны;

Л -const при достаточной степени легирования и неизменяющемся от Т времени жизни носителей заряда.