Полупроводниковые СВЧ диоды - Горбачев А.И., Кукарин С.В.

Автор: Горбачев А.И. Кукарин С.В.
Теги: общее машиностроение технология машиностроения электроника электротехника электричество полупроводники полупроводниковые приборы свч диоды
Год: 1968
Похожие
Справочник. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные. Диоды импульсные. Оптоэлектронные приборы
Справочник. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды
Электронные приборы
Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений
Текст
                    13
&
ш
О
X
и
ш
ш
о
и
о
S
А. И. Горбачев
С. В. Кукарин

ПОЛУПРО-
ВОДНИКОВЫЕ
СВЧ диоды


ЭЛЕМЕНТЫ
РАДИОЭЛЕКТРОННОМ
АППАРАТУРЫ
А. И. ГОРБАЧЕВ,
С. В. КУКАРИН
ПОЛ У П РОВОДН И КОВЫ Е
s СВЧ
Ct
; диоды
Ш
О
О
ш
00
УДК 621 385 029 64
А. И Горбачев, С. В. Ку кар йн Полупроводниковые СВЧ диоды.
М, «Советское радио», 1968, 64 сгр , т 31 000, ц. 19 коп.
В брошюре дается краткое описание принципа работы и уст-
ройства различных полупроводниковых СВЧ диодов, выполняющих
функции детектирования, преобразования частоты, генерирования,
усиления колебаний и переключения СВЧ трактов.
Содержится определение основных параметров и важнейших
характеристик детекторных, смесительных, умножительных, пара-
метрических, переключательных, генераторных и туннельных диодов.
Приводятся функциональные зависимости параметров диодов от
режима их работы и условий внешней среды.
Показаны примеры конструктивного выполнения отдельных СВЧ
узлов радиоэлектронной аппаратуры с использованием различных
видов полупроводниковых диодов.
Приведены справочные данные о параметрах наиболее распро-
страненных отечественных и зарубежных СВЧ диодов и показаны
перспективы улучшения их технических и эксплуатационных ха-
рактеристик.
Указаны типовые неисправности диодов, меры предосторожно-
сти, методы профилактической проверки годности диодов при экс-
плуатации и хранении с помощью специальной тестерной аппа-
ратуры и испытательных схем.
Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересую-
щихся вопросами применения и эксплуатации изделий электрон-
ной техники в радиотехнической аппаратуре.
13 табл., 36 рис., 20 назв. библ.
Редакционная коллегия серии брошюр ЭРА:
Балашов В. П. (отв. редактор), Бацев В. И., Бергельсон И. Г.,
Девятков Н. Д., Девяткин И. И., Кондратенков В. М., Кузьмин Г. А.,
Кукарин С. В , Морозов И. И., Сретенский В. Н. (зам. отв. редактора),
Темкин С. Е. (зам. отв. редактора), Тимофеев В. Ю., Якимов О. П.,
Яковлев В. Я.
3-3-12
69-68
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые СВЧ диоды 45 уже длительное время приме-
няются в различной радиоэлектронной аппаратуре и измерительной
технике сверхвысокочастотного диапазона (на частотах свыше
300 Мгц). Вначале они использовались для детектирования и сме-
шения сигналов, а по мере разработки новых типов области их
применения значительно расширились.
Большинство функций, ранее выполнявшихся только электро-
вакуумными и газоразрядными СВЧ приборами, в настоящее время
с успехом обеспечивается различными типами полупроводниковых
диодов. Созданные в последнее время параметрические, переклю-
чательные, умножительные, туннельные и лавинно-пролетные диоды
позволили по-новому решать задачи высокочувствительного Приема
и усиления слабых сигналов, безынерционного переключения высо-
кочастотных трактов, эффективного умножения частоты, генериро-
вания высокочастотных колебаний и др.
Основными преимуществами полупроводниковых диодов явля-
ются малые габаритные размеры и вес, ничтожно малое потребле-
ние электрической энергии, высокая механическая прочность и
простота эксплуатации. Однако существующие диоды работают
пока на малых уровнях мощности и поэтом)? могут использоваться
только в приемных трактах и в маломощных задающих каскадах
передающих устройств радиоэлектронной аппаратуры.
Успешное развитие полупроводниковых диодов и на их основе
полупроводниковых интегральных схем открывает большие возмож-
ности модульного конструирования СВЧ узлов и комплексной ми-
кроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры.
Большую роль в создании полупроводниковых диодов сыграли
русские и советские ученые и инженеры Первый детекторный диод
был создан изобретателем радио А. С. Поповым. Этот прибор,
образованный контактом стальной иглы с угольным электродом,
* Раньше полупроводниковые диоды назывались кристалличе-
скими детекторами. В настоящее время это название не отражает
многоцелевого назначения диодов и поэтому не употребляется.
3
использовался для обнаружения электромагнитных колебаний и был
назван когерером. Позднее О. В. Лосев предложил использовать
полупроводниковые детекторы с «падающей» характеристикой (кри-
стадины) для генерирования и усиления высокочастотных колеба-
ний.
Опыт эксплуатации показывает, что надежность работы полу-
проводниковых диодов в аппаратуре зависит не только от качест-
ва их изготовления, ио в значительной мере определяется правиль-
ностью выбора режимов работы и соблюдением установленных
правил эксплуатации и хранения.
Данная брошюра содержит необходимые сведения о назначе-
нии, устройстве, системе электрических параметров, правилах экс-
плуатации и хранения полупроводниковых СВЧ диодов и предна-
значена для широкого круга инженерно-технических работников,
занимающихся разработкой, изготовлением и эксплуатацией радио-
электронной аппаратуры.
Авторы выражают благодарность А. А. Визелю, Н. Е. Сквор-
цовой за критические замечания и полезные советы по улучшению
содержания брошюры.
I. ПРИНЦИП РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИИ
СВЧ диодов
НАЗНАЧЕНИЕ ДИОДОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Современные полупроводниковые СВЧ диоды могут выполнять
в радиоэлектронной аппаратуре самые различные функции, включая
детектирование, смешение частот, усиление, генерирование колеба-
ний, умножение частоты и переключение высокочастотных трактов.
Такое многообразие выполняемых функций обеспечивается доволь-
но обширной номенклатурой специализированных диодов, отвечаю-
щих различным требованиям и различающихся между собой по
устройству и электрофизическим характеристикам. Наименование
существующих специализированных групп СВЧ диодов и их на-
значение приведено в табл. 1.
Смесительные диоды главным образом применяются в узкопо-
лосных приемниках супергетеродинного типа для преобразования
частоты. В данном случае к диоду подводится принимаемый сигнал
Таблица 1
Классификация СВЧ диодов пО назначению
Наименование групп
диодов
Смесительные
Детекторные
Модуляторные
Параметрические
Переключательные
У множительные
Генераторные
Туннельные
Назначение (выполняемые функции)
Смешение колебаний для выделения промежу-
точных частот
Детектирование котебаний
Модуляция СВЧ сигнала
Усиление колебаний
Коммутация СВЧ трактов
Выделение гармоник
Генерирование колебаний
Детектирование, смешение частот, усиление и
генерирование колебаний
5
и колебания гетеродина (чаще всего от клистрона). В результате
смешения частот выделяется разностная частота (обычно порядка
30 или 60 Мгц) и дальнейшее усиление принятого сигнала осущест-
вляется на этой промежуточной частоте. Приемники данного типа
обладают повышенной чувствительностью. Высокая чувствитель-
ность приемника в основном определяется качеством смесительного
диода и уровнем собственных шумов усилителя промежуточной
частоты.
В смесительном режиме в настоящее время можно использовать
диоды с прижимным контактом, туннельные, обращенные и диоды
с барьером Шоттки.
Детекторные диоды преимущественно применяются в широко-
полосных приемниках прямого усиления для детектирования СВЧ
сигналов, а также в измерительной технике в качестве индикаторов
СВЧ колебаний. В связи с малыми уровнями сигналов детекторные
диоды, как правило, работают в режиме квадратичного детектиро-
вания, обеспечивая при этом достаточно высокую чувствительность.
В качестве детекторных диодов можно использовать те же диоды,
что и для смешения частот.
Модуляторные диоды применяются для модуляции СВЧ несу-
щей частоты с целью получения боковых частот, сдвинутых на про-
межуточную частоту. Ранее для целей модуляции (смешение на
высоком уровне мощности) в смесителях передатчиков аппаратуры
радиорелейных линий применялись германиевые диоды со сварным
контактом (типа нелинейного сопротивления). В настоящее время
для этих целей чаще используются диоды с нелинейной емкостью.
Параметрические диоды используются в параметрических уси-
лителях различных конструкций в качестве элемента с переменной
емкостью. Усилители данного типа позволяют существенно повысить
чувствительность сверхвысокочастотных приемников. Для обеспече-
ния работы параметрического усилителя требуется генератор на-
качки и ферритовый циркулятор, что несколько усложняет его кон-
струкцию и правила эксплуатации.
Переключательные диоды получили применение в качестве ком-
мутирующих устройств в СВЧ трактах особенно в тех случаях,
когда необходимы малые габариты и требуется большая скорость
переключения и малая управляющая мощность.
Подобные полупроводниковые переключающие устройства ис-
пользуются на различных уровнях мощности и с успехом заменяют
механические, газоразрядные н ферритовые переключатели СВЧ
трактов. К переключательным диодам следует отнести диоды с р-п
переходом, с рш-структурой и диоды с барьером Шоттки.
6
Умножительные диоды применяются Для умножения и делейий
частоты. Использование диодов в умножительных цепочках позво-
ляет получать высокую стабильность частоты. С помощью этих
диодов удается получить коэффициент умножения частоты 30—40
и более. В качестве умножительных диодов находят широкое при-
менение диоды с нелинейной емкостью, с нелинейным сопротивле-
нием и в последнее время диоды с накоплением заряда.
Генераторные диоды предназначены для использования в твер-
дотельных генераторах СВЧ колебаний. В отличие от отражатель-
ных клистронов, ламп обратной волны и других маломощных гене-
раторов, твердотельные генераторы имеют малую потребляемую
мощность, небольшие размеры, но обладают несколько повышенным
уровнем собственных шумов. К этим генераторам относятся лавин-
ио-пролетные диоды, туннельные диоды и диоды на эффекте
Ганна.
Туннельные диоды в отличие от других СВЧ диодов являются
более универсальными приборами. Они могут эффективно исполь-
зоваться для детектирования сигналов и преобразования частоты,
усиления и генерирования СВЧ колебаний. Однако наиболее пер-
спективны они для использования в качестве усилителей и смеси-
телей СВЧ колебаний, так как имеют низкий уровень собственных
шумов, простую и надежную конструкцию и не требуют генерато-
ров накачки.
Перечисленные выше полупроводниковые СВЧ диоды имеют
определенную маркировку, позволяющую различать их между собой
по материалу полупроводника, назначению, номеру типа, а следова-
тельно, и по электрическим характеристикам. В связи с непрерыв-
ным совершенствованием системы условных обозначений в настоя-
щее время в эксплуатации можно встретить СВЧ диоды трех си-
стем маркировки.
К наиболее старой системе относится трехэлементиая марки-
ровка диодов, первый элемент которой в составе двух букв обо-
значает вид полупроводникового материала:
ДГ — диоды германиевые,
ДК — Диоды кремниевые.
Второй элемент маркировки обозначает назначение диодов:
С — смесительные,
В — детекторные,
И — индикаторные.
Третий элемент состоит из одной цифры, обозначающей порядковый
номер типа диода. В условном обозначении некоторых типов допол-
нительно используется буква «М», которая указывает на то, что
диод подвергался модернизации.
7
Примерами диодов со старой системой маркировки являются
диоды следующих типов: ДГ-С1, ДК-С2, ДК-И1, ДК-В2, ДК-С7М
и др.
Вторая система маркировки содержит также три элемента.
Первый элемент, состоящий из буквы «Д» и цифры, обозначает
назначение диода:
Д4 — диоды смесительные,
Д5 — диоды умножительные,
Д6 — диоды детекторные.
Второй элемент, состоящий из двух цифр, обозначает порядковый
номер типа, а следующая за ними буква указывает на принад-
лежность диода к тому или иному литеру (подтипу). У отдельных
диодов кроме этого используется буква «П», указывающая на то,
что диоды имеют обратную полярность. У диодов, ие имеющих
литеров и обратной полярности, маркировка содержит только два
первых элемента.
К’Числу диодов с указанной системой маркировки относятся
Д404, Д405А, Д405АП, Д409А, Д501, Д605, Д608А и др.
Новая унифицированная система маркировки полупроводниковых
приборов наиболее полно учитывает многообразие их применений
и содержит пять элементов. Из принятого обозначения диодов
можно установить вид материала полупроводника, класс приборов,
назначение, порядковый номер типа я условное обозначение литера.
Первый элемент маркировки в виде цифры обозначает тип по-
лупроводникового материала:
1	— германиевый Ge,
2	— кремниевый'Si,
3	— арсенидогаллиевый GaAs.
Второй элемент в виде буквы обозначает класс приборов:
А — диоды сверхвысоких частот,
Т — транзисторы,
Д — диоды,
В — варикапы,
Ф — фотоприборы,
С — стабилитроны,
И — туннельные диоды,
Н — неуправляемые переключающие приборы,
У — управляемые переключающие приборы,
Ц — выпрямительные столбы.
Третий элемент, состоящий из одной цифры, указывает назначение
диодов. Для класса СВЧ диодов приняты следующие обозначения:
1	— смесительные,
2	— детекторные,
8
3	— модуляторные,
4	— параметрические,
5	— переключательные,
6	— умножительные,
7	— генераторные.
Четвертый элемент в составе двух цифр обозначает порядковый
номер типа, а пятый (в виде буквы) —принадлежность к тому или
иному литеру (подтипу).
Для смесительных диодов может указываться и шестой элемент
(в виде буквы Р), который означает, что диоды выпускаются подо-
бранными парами для использования в балансных смесителях.
Примерами диодов с новыми условными обозначениями (новой
маркировки) являются: 2А101Б (кремниевый смесительный диод),
1А402Б (германиевый параметрический диод), 2AI04AP (кремние-
вые смесительные диоды типа 2А104А, подобранные в пары) и др.
В соответствии с установленным порядком новые условные
наименования могут быть присвоены не только вновь разработан-
ным диодам, но и диодам более ранних разработок.
ПРИНЦИП РАБОТЫ
Полупроводниковые приборы в отличие от электровакуумных
основаны на диффузии и дрейфе носителей электрического заряда
в твердом теле. Процессы, приводящие к возникновению носителей,
и механизмы, с помощью которых можно ими управлять, являются
весьма сложными и связаны с необходимостью применения теории
о строении вещества.
Принцип работы полупроводниковых диодов можно описать
несколько упрощенным способом. При необходимости глубокого
изучения этих вопросов следует воспользоваться имеющейся спе-
циальной литературой [1, 2, 3].
Полупроводниковый диод по своему устройству представляет
собой двухэлектродный прибор, образованный переходом между
двумя, обладающими разными электрофизическими свойствами, об-
ластями в полупроводнике. В качестве полупроводниковых мате-
риалов в различных видах диодов используются кремний (Si), гер-
маний (Ge), арсеиид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb) и
другие интерметаллические соединения элементов. Указанные мате-
риалы применяются как в чистом виде, так и со специально вводи-
мыми примесями. Процесс дозированного введения примесей полу-
чил название легирования полупроводников. В качестве легирующих
примесей широко используются олово, цинк, сурьма, мышьяк, ин-
дий, фосфор, галлий, алюминий и др.
9
Выбор материала полупроводника, типа и величины концентра-
ции вводимых в него примесей определяется назначением диодов и
областями их применения. Легирование полупроводниковых мате-
риалов производится с целью направленного нарушения структуры
кристаллической решетки для высвобождения из нее носителей элек-
трических зарядов — электронов и дырок. Электроны несут отрица-
тельный заряд, а дырки — положительный.
Примеси, обеспечивающие в полупроводниковом материале
избыточное количество электронов, носят название донорных (от-
дающих), а материал с этими примесями называется материалом
n-типа (т. е. с преобладанием отрицательных носителей). Примеси,
создающие в материале избыточное количество дырок, называются
акцепторными (поглощающими), а материалы с этими примесями—
материалами p-типа (т. е. с преобладанием положительных носи-
телей).
Количество носителей зарядов определяется концентрацией при-
месей (донорной и акцепторной) и выбирается таким образом,
чтобы из данного материала получился полупроводниковый диод
с заданными характеристиками. Концентрация примесей количест-
венно характеризуется величиной удельного сопротивления полупро-
водникового материала.
В большинстве типов СВЧ диодов основой является область,
прилегающая к границе между двумя частями полупроводникового
материала, одна из которых легирована донорной примесью, а дру-
гая— акцепторной. Такую переходную область принято называть
электронно-дырочной или р-п переходом.
При воздействии на р-п переход постоянного электрического
поля происходит процесс перемещения носителей, в результате ко-
торого через переход протекает электрический ток. Величина тока
и его направление находятся в определенной зависимости от на-
правления и величины приложенного напряжения. Эта зависимость
обычно представляется вольтамперной характеристикой р-п пере
хода.
На рис. 1 показаны типовые вольтамперные характеристики
диодов различного назначения. Различие в форме характеристик
достигается применением различных полупроводниковых материалов
и примесей, а также степенью концентрации примесей в областях
р-п перехода. Так, например, для получения туннельных диодов со-
держание примесей в полупроводниковом материале увеличивается
па 2—3 порядка по сравнению с обычными диодами, в результате
чего получаются очень узкие р-п переходы с размерами менее
10
6
100 А (в обычных диодах Ширина р-п перехода составляет около
10 000 А).
Буквой А иа рис. 1 обозначены рабочие точки, которые обычно
выбираются из условия обеспечения наилучшего выполнения возла-
гаемых на диоды функций (детектирования, преобразования, уси-
ления, генерации и т. п.).
ч)
Рис. 1. Вольтамперные характеристики полупроводниковых СВЧ диодов-
а — детекторных и смесительных; б — параметрических; в — туннельных и
г — лавинно-пролетных.
Частотные пределы применения полупроводниковых диодов
СВЧ определяются электрофизическими свойствами р-п перехода
и конструкцией диодов.
Электронно-дырочный переход характеризуется в основном
тремя электрофизическими параметрами: емкостью перехода С,
сопротивлением перехода R и сопротивлением объема полупровод-
ника г. Емкость перехода обусловлена инерционностью накопления
и исчезновения неравновесных носителей заряда в нейтральных р-
и и-областях. Сопротивление перехода определяется концентрацией
11
йриМесёй 6 р-п переходе. Сопротивление объема полуйроводййкй
обусловлено исключительно электрической проводимостью материа-
ла полупроводника и практически не зависит от частоты. Емкость
и сопротивление перехода в диапазоне СВЧ практически также не
зависят от частоты.
Конструкция диода влияет на его частотные свойства, хотя при
разработках диодов принимаются меры по ослаблению этого влия-
ния. Особенно большое внимание уделяется изготовлению выводов
полупроводникового диода, которые должны иметь возможно малое
сопротивление контакта и носить омический характер, иметь хоро-
шую теплопроводность и механическую прочность. Несмотря на
принимаемые меры при оценке частотных свойств диодов приходит-
ся считаться с индуктивностью LK и емкостью Ск конструктивных
элементов.
Следовательно, общая эквивалентная схема любого СВЧ дио-
да может быть представлена в виде, указанном на рис. 2. Паразит-
ные параметры схемы Ск и LK приходится компенсировать введе-
нием органов настройки диодной камеры. В этом случае эффектив-
ность работы диода в зависимости от частоты сигнала можно оце-
нить, исходя из учета емкости С и сопротивлений R и г.
Полное сопротивление диода можно представить в виде
1
Z = г + ।	»
~о- + ]шС
где со — круговая частота сигнала.
Мощность сигнала, рассеиваемая на сопротивлении диода
с учетом принятых на рис. 2 обозначений, будет:
гу	аб _	/ 1 \
* с —	2	*
/ I \
где Re I 1 активная составляющая проводимости диода на
частоте сигнала
zi\ 4-0+4)+‘л?2'-2
Re ( 7. J ( г V
4	7	( 1 + “R ) + <о2С2г2
12
Напряжение /7бв, подводимое непосредственно
емкости точечного контакта, составляет некоторую
напряжения £/аб, а именно:
к нелинейной
долю общего
Отношение
бв
(аб
ь?С2г2
можно назвать коэффициентом
использования
мощности подводимого сигнала т|2, т. е.
Рнс. 2 Полупроводниковый днод (а) и его эквивалентная схема (б) на
сверхвысоких частотах:
/ — полупроводник; 2—контактная пружинка; 3 — керамическая втулка; 4 и
5 —ниппели- Ск — емкость корпуса; — индуктивность контактной пружин-
ки; г — сопротивление объема полупроводника; С и R. — нелинейные емкость
и сопротивление р-n перехода.
Коэффициент т]2 достигает своего максимального значения лишь
в случаях, когда либо частота сигнала, либо емкость перехода
пренебрежимо мала, т. е.
^макс
13
Сравнивая эти выражения между собой, можно оценить ча-
стотную зависимость эффективности работы диода
t = _д!_=__________!_________.
^макс 1 । ы2С2г2
( г \2
Из приведенных выражений видно, что чем выше частота или
больше емкость перехода, тем меньше коэффициент использования
мощности сигнала и, следовательно, меньше эффективность работы
диода.
КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ
Полупроводниковые СВЧ диоды выпускаются промышленностью
в различном конструктивном оформлении. В выборе конструкции
диодов определяющим является рабочий диапазон длин волн и
способ включения диодов в высокочастотный тракт.
Рис 3. Внешний вид полупроводниковых СВЧ диодов различного конструк-
тивного оформления
а, б, в — патронной; г — коаксиальной; д — волноводной конструкции.
Внешний вид диодов наиболее распространенных конструкций
показан на рис. 3 и 4, а их устройство — на рис. 5 и 6.
Наибольшее число типов детекторных, смесительных и других
диодов имеет патронную конструкцию, основными конструктивными
элементами которой служат латунные ниппели и керамический
корпус.
Для осуществления точечного контакта с р-п переходом во всех
конструкциях смесительных и детекторных диодов применяется
заостренная на конце пружинка из твердого и упругого материала.
Обычно опа изготовляется из вольфрама диаметром от 50 до
150 мкм. Для некоторых типов диодов применяется вольфрамовая
золоченая пружинка, у диодов старых выпусков — молибденовая
или платино-родиевая пружинка.
Контакт пружинки с полупроводником может быть прижимным
или сварным. В зависимости от этого и диоды называются дио-
дами с прижимным или сварным контактом.
Патронная конструкция имеет ряд преимуществ, а именно:
простота изготовления, широкодиапазонность (ограничение рабочей
длины волны только со стороны коротких волн), надежное закреп-
ление в диодной камере, простота обеспечения вывода по постоян-
Рис. 4 Внешний вид новейших конструкций полупроводниковых СВЧ диодов
а — миниатюрный смесительный (детекторный), б — параметрический; в — пе-
реключательный; г — лавинно-пролетный; д — туннельный.
ному току. Однако диоды данной конструкции недостаточно защи-
щены от воздействия внешних электрических и электромагнитных
полей и поэтому требуют применения металлизированных упаковок
при хранении и особенно осторожного обращения при установке
в аппаратуру.
Отдельные типы диодов изготовляются в виде коаксиальной
конструкции в металлическом корпусе с симметрично расположен-
ным в нем выводом. Такая конструкция удобна для сочленения
с высокочастотным трактом коаксиального типа и обеспечивает хо-
рошую экранировку диода от воздействия внешних полей. Недо-
статками диодов коаксиальной конструкции является малонадежный
контакт с внутренним проводником коаксиального тракта, а также
необходимость применения четвертьволнового трансформатора или
дросселей различного типа для вывода по постоянному току.
Патронная конструкция применяется в диодах дециметрового
и сантиметрового диапазона волн. В миллиметровом диапазоне волн
преимущественно используются диоды коаксиальной и волноводной
конструкции.
Волноводные диоды непосредственно сочленяются с высокоча-
стотным трактом волноводного типа. Они представляют собой еди-
15
ную конструкцию диода с диодной камерой и не требуют введения
в тракт согласующих органов настройки. Однако в связи с конеч-
ными размерами поперечного сечения волновода их рабочий диа-
пазон длин воли ограничен полосой прозрачности волновода
Рис 5 Устройство смесительных и детекторных диодов волноводной (а)
патронной (б, е) и коаксиальной (г) конструкций
1 — полупроводник, 2— контактная пружина, 3 — герметизирующая заливка,
4 — керамическая втулка
Новейшие конструкции диодов (см рис 4 и 6) отличаются
своим миниатюрным оформлением Средн них следует отметить
смесительные и детекторные диоды в стеклянном корпусе с выво-
15
дами для сочленения с высокочастотным трактом полоскового типа,
а также туннельные диоды таблеточной конструкции
Для обеспечения надежного контакта с внешними цепями н
предохранения от коррозии металлические детали диодов обычно
покрываются тонким слоем серебра или золота.
в)

Рис б Устройство туннельных (а), переключательных (б) н параметриче
ских (в) диодов
У диодов патронной конструкции соединение металлических
ниппелей с керамикой осуществляется посредством металлокерами-
ческого спая. Эти диоды не нуждаются в дополнительной герме-
тизации н защите от проникновения влажной атмосферы внутрь
корпуса.
В случае применения-резьбового сочленения ниппеля с керами-
ческой втулкой места соединения защищаются от проникновения
влаги оргаинческнми смолами и лаками.
2—1252	17
и. основные Параметры и режимы
РАБОТЫ СВЧ ДИОДОВ
ПАРАМЕТРЫ ДИОДОВ
Свойства и эффективность работы полупроводниковых диодов
принято оценивать совокупностью электрофизических параметров и
эксплуатационных характеристик Система параметров, характери-
зующих диоды различного назначения, привечена в табл 2 Опреде-
ление и физический смысл этих параметров дается ниже
Таблица 2
Система параметров полупроводниковых диодов
Наименование групп диодов	Электрофизические параметры			Характеристи- ки, определя- ющие условия применения
	классификационные		вспомогательные	
	оооЗщен- ные	частные		
Детекторные	М	^вых	/?„ z»x, ксв	^мин»
Смесительные	F	г, tm	I>ВЫЬГ > /?,ВЫХ > Z.BX» ксв	^макс»
Параметрические	Т) fмакс	С, £/гр	СF , /?п, Дц, /о б р	Р макс»
Перекчючатель- ные	К	С, Дл	Гз> ^пр> ТвоссТ» ТусТ) Cl , /?пр» Rq> /?обр> /прмакс	Римл мало г,
У множительные	Т» ^макс	С, UBV	С, ,	Гк, /обр	^окр ср макс»
Генераторные		Р> Л	/обр> Cl , f^np» Гн, С, /доп> ТКМ, ткч	^01 р ср мин
Туннельные	Гмакс	Я о	/е» /П/Аи Сп, Uф, fQ> Lx, б?к» ^?дмин, /в/С	
В таблице выделены классификационные, вспомогательные пара-
метры и характеристики, определяющие условия применения диодов.
Классификационные параметры, включая частные и обобщен-
ные, используются для разделения диодов на литеры или подтипы.
Таким разделением достигается уменьшение разброса параметров
18
диодов в пределах каждого литера и обеспечивается их взаимоза-
меняемость в аппаратуре.
Характеристики, определяющие условия применения, являются
общими почти для всех видов диодов и включают в себя диапазон
рабочих длин волн (Кмин, Хмакс), предельно допустимые значения
температуры окружающей среды /окр ср макс и ?Онр ср мин, а Также
ряд показателей электрической прочности диодов.
Электрическая прочность является важной характеристикой
диодов, используемых в приемных устройствах, в которых передача
и прием сигналов производятся одной и той же антенной. Из-за
несовершенства защитных, коммутирующих устройств (резонансных
разрядников защиты приемника, ферритовых циркуляторов) на
вход приемника могут просачиваться высокочастотные колебания
от передатчика и посторонних источников. Поэтому наряду с вы-
сокой чувствительностью приема слабых сигналов диоды должны
обладать также достаточной устойчивостью к воздействию относи-
тельно более мощных колебаний
Устойчивость диодов к электрическим перегрузкам принято
характеризовать максимально допустимыми величинами непрерыв-
ной СВЧ мощности (Рмакс), импульсной СВЧ мощности
(Римпмаьс) и энергии коротких (не более 10“8сек) импульсов (1^).
Применение диодов в условиях, не превосходящих предельно
допустимых значений длины волны, температуры окружающей сре-
ды и электрической прочности, обеспечивает получение гарантиро-
ванной в ТУ эффективности выполнения заданных функций и на-
дежности работы
Эффективность работы диодов характеризуется их электрофи-
зическими параметрами, которые в зависимости от назначения дио-
дов имеют различные определения и физический смысл.
Детекторные диоды
Параметрами детекторных диодов являются* чувствительность
по току р, сопротивление в рабочей точке 1/?Вых или сопротивление
в нулевой точке /?о, Добротность Af, шумовое отношение /ш, пол-
ное входное сопротивление ZBX н коэффициент стоячей волны КСВ.
Чувствительность по току служит основной характеристикой
квадратичных детекторов и определяется как отношение выпрям-
ленного тока к высокочастотной мощности, поглощаемой диодом.
При этом сопротивление внешней нагрузки диода должно быть ми-
нимальным. Величина р может быть измерена или определена по
параметрам эквивалентной схемы диода (см. рис. 2).
2е	19
Для случая полного согласования диода с СВЧ трактом, когда
паразитные параметры Ск и LK скомпенсированы настройкой диод-
ной камеры, чувствительность по току определяется соотношением
_____________У
2 (J?eux + r) R +г (1 +
где «— параметр вольтамперной характеристики диода;
^вых — сопротивление в рабочей точке.
Сопротивление в рабочей точке определяется по вольтамперной
характеристике как дифференциальное сопротивление диода при
положительном смещении, соответствующем рабочему режиму дио-
да. Рабочий режим по току положительного смещения устанавли-
вается из условия достижения максимальной чувствительности дио-
да. Для многих типов диодов максимальная чувствительность до-
стигается при токе положительного смещения порядка нескольких
десятков микроампер.
Сопротивление в нулевой точке — дифференциальное сопротив-
ление диода при отсутствии смещения.
Добротность является обобщенным параметром детекторных
диодов и характеризует их чувствительность при детектировании
слабых сигналов. Этот параметр связан с параметрами диода н
видеоусилителя следующим соотношением:
Л4 — —у	=
V Лиевых “Г* Аш
где tm— шумовое отношение диода; 7?ш — эквивалентное шумовое
сопротивление видеоусилителя. В расчетах обычно принимается
равным 1000 ом.
Величина добротности используется для сопоставления диодов
по чувствительности и при подборе лучших экземпляров. Лучшие
диоды имеют добротность более 100 вт~1/2.
Шумовое отношение представляет собой безразмерную вели-
чину отношения мощности шумов на выходе диода в рабочем ре-
жиме и заданной полосе видеочастот к мощности тепловых шумов
активного сопротивления, равного по величине сопротивлению дио-
да в рабочей точке, в том же диапазоне частот и одинаковой тем-
пературе окружающей среды.
Полное входное сопротивление характеризует частотную зави-
симость параметров диодов и измеряется иа входе диодной камеры
в рабочем диапазоне длин волн. Пользуясь эквивалентной схемой
диода (рис. 2,6), можно представить полное входное сопротивление
днода в виде
1
/мСк + 7»Ьк + 2. + г
20
где Zo — сопротивление р-n перехода, представляющего параллель-
ное соединение нелинейной емкости С н нелинейного сопротивле-
ния Я.
Наличие Ск и LK приводит к тому, что мощность подводимого
сигнала ие полностью достигает р-л перехода и частично рассеива-
ется на сопротивлении объема полупроводника л С ростом частоты
сигнала эти потери увеличиваются, поэтому для коротковолновых
диодов принимаются меры по уменьшению величин Ск и LK.
Величина активной составляющей входного сопротивления дио-
да выбирается близкой к волновому сопротивлению СВЧ тракта
(волновода или коаксиальной линии). Реактивная составляющая
компенсируется введением органов настройки детекторной камеры
Коэффициент стоячей волны, служит показателем согласования
СВЧ тракта с детекторной камерой и диодом, находящимся в ра-
бочем режиме. Он измеряется по распределению напряжения стоя-
чей волны в тракте, нагруженном на детекторную камеру с дио-
дом. Чем лучше согласовано входное сопротивление камеры
с волновым сопротивлением тракта, тем меньше КСВ и меньше
потери принимаемого сигнала.
Таблица 3
Параметры и характеристики кремниевых детекторных
диодов сантиметрового диапазона длин волн
Тип диода	М, вт~х!ч не менее	р, а(вт ие менее	Я.ВЫХ. 0-и	КСВ не более	Допустимые пере- грузки	
					р мане* мет	р г импмакс* мет
Д603	35	4	300—900	2	.	1	200*
Д604	35	2,5	500—900	1,8	10	300**
Д607	30	4	400—1200	3	5	100
Д607А	30	4	400—1200	3	5	100
Д608	30	4	400—1200	3		150
Д608А	30	4	400—1200	3	—	200
Д609	80	4	1000—2000	1,6	2	150
2А201А	80	5,5	400—1000	1,5	20	300
2А202А	40	2,5	400—1000	1.5	20	300
• Кратковременно допустимо 2 вт.
Л Кратковременно допустимо 1 вт.
В технических условиях иа диод величина КСВ нормируется,
как правило, на самой короткой волне рабочего диапазона длин
волн в стандартной камере с фиксированной настройкой. Для широ-
кополосных диодов КСВ диода иногда проверяется в трех точках
21
диапазона волн (на краях диапазона и в середине). КСВ диодов,
проверяемый в производстве, характеризует лишь идентичность
выпускаемой продукции и не характеризует эту величину при экс-
плуатации в радиоэлектронной аппаратуре, так как диоды могут
применяться в других камерах и иа других частотах.
Для правильного конструирования детекторной камеры необ-
ходимо зиать входное сопротивление ZBx диода, которое целесооб-
разно измерять в простейшей коаксиальной камере.
Значение параметров и характеристик некоторых распростра-
ненных типов детекторных диодов приведено в табл. 3.
Смесительные диоды
К числу параметров смесительных диодов относятся: потери
преобразования L, шумовое отношение нормированный коэффи-
циент шума Г, выпрямленный ток /ВЫпр> полное входное сопротив-
ление ZBX, выходное сопротивление /?Вых и коэффициент стоячей
волны КСВ.
Потери преобразования являются показателем эффективности
преобразования сигналов высокой частоты в сигналы промежуточ-
ной частоты и вычисляются как отношение мощности подводимого
сигнала к мощности сигнала промежуточной частоты Рп₽ ч:
г	mi Рсвч
Л[дб]-101е ргрч'
Чем меньше величина потерь преобразования диода, тем боль-
ше амплитуда преобразованного сигнала при одной и той же ампли-
туде принимаемого сигнала, а следовательно, тем выше чувствитель-
ность диода. Лучшие диоды имеют потери преобразования ме-
нее 6 дб.
Нормированный коэффициент шума служит обобщенным пара-
метром, наиболее полно характеризующим качество диода. Этот
коэффициент может определяться непосредственными измерениями
или путем вычисления по измеренным значениям параметров диода
L и при известной величине коэффициента шума усилителя
^упч!
^[дб] = ^[дб] + 10 (^ш+^упч — U-
Отсюда видно, что величина F есть не что иное, как коэффициент
шума супергетеродинного приемного устройства, в смесителе кото-
рого используется диод с параметрами L и /щ-
Если коэффициент Шума усилителя промежуточной частоты
йоддерживать постоянным при испытаниях разных экземпляров дио-
дов, то Измеренная величина F может быть принята как параметр
22
Дйода По величине нормированною (т е йриведенного к извест-
ной величине ^упч коэффициента шума более удобно различать
диоды по чувствительности и подбирать пары диодов для баланс-
ных смесителей.
Выпрямленный ток служит вспомогательным параметром, ис-
пользуемым чаще всего для индикации работоспособности диода
при подведении к нему заданной мощности гетеродина. В аппара-
туре этот параметр используется для контроля исправности диода
и гетеродина приемника. Он измеряется в цепи нагрузки диода по
постоянному току.
Выходное сопротивление определяется как дифференциальное
сопротивление диода на промежуточной частоте при заданном уров-
не мощности гетеродина. Величина выходного сопротивления имеет
значение для согласования смесителя с усилителем промежуточной
частоты. При разработке диодов принимаются меры к тому, чтобы
величина выходного сопротивления диода была близкой к стандарт-
ному значению входного сопротивления усилителя.
Полное входное сопротивление диода и коэффициент стоячей
волны определяются таким же образом, как и для детекторных
диодов.
Таблица 4
Параметры и характеристики кремниевых смесительных
диодов сантиметрового, дециметрового и миллиметрового
диапазонов длин волн
Тип диода	F* дб не более	L, дб не более	ксв не более	^2ЫГ °М	Допустимые перегрузки		
					р Г макс мзт	^имЬмавс мет	эрг
ДК-С7М	11,3	7,5	2	250—700	1	100	0,3
Д405	11,2	7,0	2	250—550	20	300	0,3
Д405А, АП	10,3	6,5	1,7	300—500	20	300	0,3
Д405Б, БП	8.5	6,0	1,4	300—450	  	300	0,3
Д406А, АП	10,8	7,0	2,1	240—460	—	100	0,2
Д407	20	12	3	400—1500	—	20	0,02
Д408, Д408П	7,5**	—	1,3	290—390		500	0,5
Д409А, АП		7,5	1,7	350—575	30	300	0,3
2А101А	13,8	10	3	250—550	—	150	0,06
2А101Б	12,8	9	3	150—300	—	250	0,2
2А102А	8,5**	—  —i	1,5	250—450	30	500***	
2А104А	8,5	6,5	1,5	340—560	20	300	0,5
2А105А	10	7,0	1,5	280—470	20	300	0,5
2А105Б	9	6,7	1,5	280—470	20	300	0,5
* При Дупч “ дб.
** Измеряемые, а не вычисляемые величины.
*** При кратковременном воздействии 6 впг.
23
Значения параметров и эксплуатационных характеристик неко-
торых типов кремниевых смесительных диодов, получивших наиболь-
шее распространение в различной радиоэлектронной аппаратуре,
приведены в табл. 4.
Умножительные и параметрические диоды
Параметрами умножительных и параметрических диодов явля-
ются: постоянная времени диода т, предельная частота fManc, ем-
кость р-п перехода С, пробивное напряжение t/np, емкость корпуса
(патрона) Ск, индуктивность диода Лк, сопротивление потерь
и обратный ток /обР.
Постоянная времени диода является обобщенным параметром
и представляет собой произведение величины емкости р-п перехода
на сопротивление потерь
Т— С/?П’
От величины этого произведения зависит предельная частота, на
которой диод можно применять для усиления сигналов или умно-
жения частоты.
Предельная частота служит обобщенной характеристикой дио-
дов и определяет их максимальный частотный диапазон. Она вычис-
ляется по формуле
f_______________
Гмаьс - 2л/?пСМин ’
где Смин — минимальная емкость р-п перехода.
Частота ^макс зависит от параметров диода и является весьма
удобной характеристикой, позволяющей оценивать не только коэф-
фициент шума и эффективность преобразования частоты, но и воз-
можность применения диодов в той или иной конкретной схеме.
Пробивное напряжение представляет собой обратное напряже-
ние на диоде, при котором обратный ток через диод начинает
нарастать лавинообразно. Величина этого напряжения является
определяющим фактором при выборе рабочего режима диода,
а также для оценки динамического диапазона.
Обратный ток — ток, протекающий через диод в обратном на-
правлении при определенном заданном напряжении смещения.
Обычно величина обратного тока диодов ие превышает 0,5—2 мка
при смещении порядка 10—20 в.
Сопротивление потерь представляет собой суммарное омическое
сопротивление полупроводника, контактных соединений виутреииих
и внешних выводов диодов.
Остальные параметры являются вспомогательными и не тре-
буют специального пояснения, так как их физический смысл ясен
из самого названия.
24
ю
л
SX
S
ч
\о
св
Параметры и характеристики германиевых параметрических диодов
к к « >» о.	atfe	0,7
а> Q.	о и	
<L>	ев	
С	S S*	ю	ю
ф	Йт	ю	-
3	S	сч
S	Я	
X	0.	
ь		
о		
		
с	*	
о	о u к £ Л §	о	о	о о	ю	о
		сч
	0.	
		о
	-к. игн е более	Ю	О	С? -	сч"
	к	*•
		
		СЧ	О	to
		сч	сч	сч
	фи *	7	7	1
		оо	со	сч
	и	—	сч
		-	*	о
		о	о
	<и	
	«0 и	
	X	
	пр* ме	о	ю	о СЧ	—1	ю
	Ld (D	
	X	
		
	S	о	о	о
	О 40	—1	сч
		
	»	0)	
	35 ч	ю	ю	о
	* о	йв	Ж
		о	О	СЧ
	о" к	
		
	ь* 4>	
	Ч> EJ	ю ю
	U Q С кэ	СЧ о 00 Ь- СЧ СП г- ь- осо со со со
	Р Щ г X	СЧ СЧ —1	О О О СЧ —' —
		t— Ю ’Г' со	сч сч
		оою^г со	<О со СО LQ	со счсч
		«	- СО —1	~	—	•>	-	*	-	•
	фи	и н	‘i п п
		Щ (О <О СЧ VVcO V СЧ Ф GO GO 00
		Tf со СЧ	—1	СО СЧ — О О
		
		о о о о	о	о о о о о
	со	< СО СП < СП SQ U <СПСП u g
	х S	^-1	—<	—1	сч сч сч сч со со со СО СО
	д у Ц* Я	ООО О ООО О ООО о Q
	е(	TF	тг	xr rf xf	xr> •Т
		<<< < <<< < <<< << хЧ!1	*“*
Примечание. (7СМ — напряжение отрицательного смещения при измерении параметров диодов С, t и ^обр'
25
Параметры и характеристики некоторых типов германиевых па-
раметрических диодов приведены в табл. 5.
Переключательные диоды
Переключательные диоды характеризуются следующей сово-
купностью параметров: потерями пропускания потерями запира-
ния L3, коэффициентом качества К, пробивным напряжением £/Пр,
обратным током /Обр, временем восстановления Твосст, временем
установления Густ, емкостью перехода С, прямым и обратным со-
противлением /?ПР И 7?обр, МаКСИМаЛЬНЫМ ПрЯМЫМ ТОКОМ /Пр макс и
сопротивлением в нулевой точке /?о-
Потери пропускания есть отношение СВЧ мощности, подводи-
мой к переключательному устройству с испытуемым диодом, к про-
ходящей через это устройство мощности в случае, когда диод на-
ходится в состоянии пропускания.
Потери запирания представляет такое же отношение мощ-
ностей, но для случая, когда диод находится в состоянии запи-
рания. Чем меньше потери пропускания и больше потери запирания,
тем совершеннее переключательный диод.
- Коэффициент качества представляет собой основной обобщен-
ный параметр диода, который характеризует эффективность пере-
ключающих свойств диода. Этот коэффициент вычисляется по из-
меренным значениям потерь по формуле
Г- __	— 1
Vl2-\
Коэффициент качества К связан с параметрами диода следую-
щим соотношением:
К = ^2C2R^R,t6p *
Параметры Ln, L3 и К характеризуют переключательное уст-
ройство с диодом. Они зависят от рабочей частоты, волнового со-
противления и конструкции устройства.
Для переключательных диодов с рш-структурой в качестве
обобщенного параметра иногда приводится критическая частота fKp'
f«p ~ 9 г 1/~ р~ р ~ f К•
2,n(J V /?цр^обр
Этот параметр характеризует непосредственно диод и не зависит
от частоты, на которой производятся измерения.
Время восстановления — время перехода диода из режима пря-
мого смещения (состояния пропускания) в режим обратного или
нулевого смещения. Время восстановления рекомендуется измерять
26
при Лз=0,9Л3 ном, где £зном — номинальное значение потерь запи-
рания.
Время установления — время перехода диода из режима обрат-
ного или нулевого смещения в режим прямого смещения. Время
установления рекомендуется измерять при Ln— l,lLn ном, где
£пном — номинальное значение потерь пропускания.
Прямое и обратное сопротивления — сопротивления диода со-
ответственно при положительном и отрицательном смещении, ого-
воренных в технических условиях.
Максимальный прямой ток — максимально допустимый прямой
ток при положительном смещении, обеспечивающий заданную на-
дежность диода при длительной работе.
Остальные параметры носят вспомогательный характер, и их
определение было дано выше.
Параметры и характеристики некоторых типов переключатель-
ных диодов приведены в табл. 6. Для диодов 1А501А—1А501И
значения емкостей С являются приближенными.
Туннельные диоды
Туннельные диоды характеризуются следующими основными па-
раметрами: пиковым током /п, током впадины 7В, отношением токов
/пДвл напряжением пика t/n, напряжением впадины минималь-
ным отрицательным дифференциальным сопротивлением диода
Яд мин, емкостью Сд, сопротивлением потерь гп, удельным током
индуктивностью корпуса Ак, предельной резистивной часто-
той /макс, резонансной частотой /о-
Пиковый ток — прямой ток в точке максимума вольтамперной
характеристики.
Ток впадины — прямой ток в точке минимума вольтамперной
характеристики.
Напряжение пика — прямое напряжение, соответствующее пико-
вому току.
Напряжение впадины — прямое напряжение, соответствующее
току впадины.
Определение токов и напряжений видно из вольтамперной ха-
рактеристики туннельного диода (рис. 7).
Минимальное отрицательное дифференциальное сопротивление
диода — дифференциальное сопротивление в точке перегиба падаю-
щего участка вольтамперной характеристики между точками с ко-
ординатами (/п, Un) и (7в, t/в).
Емкость диода — суммарная емкость перехода С и корпуса
диода Ск:
Сд = Ск С.
27
Сопротивление НдТёрь — суММарйоб оМи4ескоё сопротивление
кристалла, контактных соединений внутренних и внешних выводов.
Удельный ток—отношение пикового тока к емкости перехода.
Удельный ток характеризует качество диода. Чем выше /п, тем
большую мощность способен отдать туннельный диод в генератор-
ном режиме. Чем меньше С, тем выше предельная частота. Поэто-
му параметр InjC характеризует в первую очередь свойства тун-
нельного диода в генераторном режиме.
Индуктивность корпуса — минимальная индуктивность, которую
можно получить в электрической цепи с данным диодом.
Предельная резистивная частота — частота, иа которой актив-
ная составляющая полного сопротивления диода обращается
в нуль. При этом в рабочей точке получается минимальное отри-
цательное сопротивление Предельная резистивная частота являет-
ся основным обобщенным параметром, характеризующим качество
СВЧ диода, и определяется по формуле
£___________1	1 / МИН
Гмавс- 2^дминС V Гп
Чем выше величина fMaKc, тем диод лучше.
Резонансная частота — частота, на которой реактивная состав-
ляющая полного сопротивления диода без учета емкости корпуса
при 7?д мин обращается в нуль,
2Л
Параметры и характеристики германиевых переключательных диодов
Емкость диода (е учетом CF); (7СМ— напряжение отрицательного смещения при измерении параметров диодов С и /Обр-
29
Ё режиме генерации /мдкс—fo 6 режиме усиления эти частоты
должны быть разнесены.
Параметры и характеристики диодов приведены в табл. 7.
Таблица 7
Параметры и характеристики германиевых усилительных
туннельных диодов [20]
Тип диода	ма	С, пф	гп, ОЛ! не более	не ме! ее	с Ггц не менее	пен не более
MS 1209	1,5	0,5	5,0	6,0	50	0,1
0 50X01 D	1,0	0,2	7,0	6,0	50	0,1
TD 408	2,0	0,35	6,о	8,0	40	0,1
О 50X15 F	1,5	0,2	7,0	6,0	50	0,05
TD 407	2,0	0,4	6,0	8,0	35	0,1
D 4961С	2.0	1.2	3,0	6,0	32	0,25
Генераторные диоды
Из генераторных диодов в настоящее время наибольшее при-
менение получили лавинио-пролетиые диоды. Они находят приме-
нение как маломощные генераторы СВЧ колебаний и как эффектив-
ные генераторы шума.
Для генераторных лавинно-пролетных диодов основными пара-
метрами являются: выходная мощность Р, номинальный рабочий
ток /0, температурный коэффициент мощности ТКМ, температур-
ный коэффициент частоты ТКЧ, допустимая величина тока /доп,
а также параметры (/Обр, Ск, Спр, Ск, С), характерные для пара-
метрических диодов.
Выходная мощность — мощность на выходе типового генера-
тора на определенной частоте при использовании лавинно-пролет-
ного диода. Выходная мощность является основным параметром
генератора иа лавинно-пролетном диоде.
Номинальный рабочий ток — величина обратного тока в цепи
диода, при которой обеспечивается выходная мощность генератора,
установленная техническими условиями.
Температурный коэффициент мощности — величина, показываю-
щая изменение выходной мощности в заданном интервале темпера-
туры при изменении температуры окружающей среды на 4° С.
Температурный коэффициент частоты — величина, показывающая
изменение генерируемой частоты в заданном интервале температур
при изменении температуры окружающей среды на 1° С.
30
Допустимая величина тока — допустимое значение тока в цепи
диода, при котором обеспечивается заданная надежность диода при
длительной работе.
Остальные параметры не требуют специального пояснения и их
определение указывалось выше.
УСЛОВИЯ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДИОДОВ
Долговечность и надежность полупроводниковых СВЧ диодов
определяются не только качеством их изготовления, но и соблюде-
нием установленных режимов работы и условий применения.
Для детекторных диодов важное значение имеет выбор режима
работы по напряжению положительного смещения, которое опре-
деляет основные электрические параметры — чувствительность по
току и добротность. Необходимо также хорошее согласование дио-
да с камерой На рис. 8 показано, как влияет ток смещения на па-
раметры диода.
Ток положительного
смещения, мка
Рис 8 Зависимость параметров детек-
торных диодов типа 2А201Л от тока по-
ложительного смещения
Рис 9 Зависимость параметров
смесительных диодов типа Д408 от
подводимой мощности гетеродина.
Оптимальные параметры для детекторных диодов обеспечивают-
ся при токе положительного смещения порядка 20—50 мка.
Для смесительных диодов решающее значение в выборе иаи-
лучшего режима работы имеет мощность гетеродина. ^Минимальный
нормированный коэффициент шума смесительного диода можно по-
лучить при мощности гетеродина порядка 0,5—1,5 мет (рис. 9).
При малой мощности гетеродина возрастают потери преобразо-
вания диода, а при мощности более 2—3 мет возрастает шумовое
отношение. В том и другом случае использования диода иормиро-
31
ванный коэффициент шума возрастет, а следовательно, и ухудшает-
ся чувствительность радиоприемного устройства.
В случае подведения к диоду небольшого положительного сме-
щения можно уменьшить мощность гетеродина почти на порядок
и при этом сохранится динамический диапазон.
Для германиевого смесительного диода применение небольшого
смещения уменьшает шумы диода и разброс по величине входного
сопротивления
напряжение смещения, б
Рис. 10 Зависимость емкости р п перехода параметрического диода типа
IA401A от напряжения смещения
При выборе рабочего режим*? параметрических диодов необхо-
димо правильно выбрать величину напряжения отрицательного сме-
щения и величину мощности накачки. Обычно рабочая точка
выбирается на пологом участке обратной ветви вольтамперной ха-
рактеристики (рис. 1,6) Величина мощности накачки устанавли-
вается такой, чтобы амплитуда напряжения на диоде не превышала
величины напряжения смещения. В противном случае, в зависи-
мости от выбора рабочей точки, в цепи диода появится прямой
или обратный ток С появлением тока увеличатся шумы диода и па-
раметрический усилитель не может быть использован как малошу-
мящий. Иногда используется режим с затодом в область положи-
тельных смещений. Нужно следить также, чтобы величина мощ-
ности накачки, воздействующая на диод, не превышала мощности,
допустимой для данного типа диода.
Емкость диода в рабочей точке, с учетом которой настраивает-
ся контур усилителя, зависит от напряжения смещения. Выбором
напряжения смещения устанавливается определенная величина ем-
кости в соответствии с параметрами контура усилителя.
На рис. 10 в качестве примера показана зависимость емкости
перехода параметрического диода типа 1А401А от напряжения сме-
щения Из рисунка видно, что емкость р~п перехода при изменении
32
напряжения смещения от 0 до —10 в может изменяться более чем
в три раза.
Для переключательных диодов необходимо правильно выбирать
значения напряжения положительного и отрицательного смещения
с целью получения наилучших параметров переключателя СВЧ мощ-
ности.
При использовании диодов 1А501 в переключателях, работаю-
щих на проход, максимальная величина потерь запирания диодов
получается при последовательном резонансе в диоде на определен-
входная мощность, мвт
Рнс 11 Зависимость потерь запирания переключательных диодов типов
1А501А -1А501И от величины подводимой мощности
иой рабочей частоте. Этого резонанса добиваются изменением на-
пряжения смещения на диоде по наименьшей величине проходящего
через переключатель сигнала. Обычно это напряжение составляет
несколько вольт.
Для получения наименьших потерь пропускания диода необ-
ходимо добиться параллельного резонанса в диоде, для чего через
диод пропускается ток величиной 20—50 ма.
В процессе эксплуатации необходимо следить, чтобы величина
коммутируемой СВЧ мощности не превышала величины, допустимой
техническими условиями для данного диода.
Увеличение коммутируемой мощности выше допустимой может
привести к обратимым или необратимым изменениям параметров
Ln и L3, а также к выходу диода из строя.
На рис. 11 приведены зависимости потерь запирания диодов
1А501А—1А501И от величины подводимой мощности. Из рисунка
видно, что снижение потерь запирания у диодов с малой величи-
3-1252	33
ной емкости (1А501И) происходит при СВЧ мощности 50 мет,
а у диодов с большой емкостью — при мощности 400—500 мет.
Для туннельных диодов определяющим является выбор рабо-
чей точки на участке вольтамперной характеристики. Характер за-
Рнс. 12 Характер зависимости
дифференциального сопротивле-
ния туннельного диода от вели-
чины напряжения смещения.
висимости дифференциального сопро-
тивления туннельного диода от вели-
чины напряжения смещения приведен
на рис. 12.
На участке между Un и U3 диф-
ференциальное сопротивление отрица-
тельно.
При использовании туннельного
диода в качестве смесительного рабо-
чая точка выбирается слева от макси-
мума тока.
Для диодов, использующихся в
усилителях, рабочая точка выбирается
так, чтобы шумовая постоянная — ве-
личина, определяющая коэффициент
шума диода, — была бы минимальна.
Эта точка немного не совпадает с ми-
нимальным отрицательным дифферен-
циальным сопротивлением.
Рабочий режим лавинно-пролет-
ного диода указывается в этикетке,
прилагаемой к каждому диоду. В ней
указывается величина поминального тока, при котором гарантирует-
ся величина выходной мощности. При использовании диода в другом
режиме по току, отличному от номинального, величина выходной
6 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9
Тон диода,
Рис. 13 Типовая зависимость выходной мощности СВЧ колебаний лавинно-
пролетного диода от величины тока в цепи днодд.
34
мощности будет изменяться. На рис. 13 приведена типовая зависи-
мость выходной мощности диода о г величины тока.
С увеличением тока выходная мощность, как правило, увели-
чивается. Однако увеличивать ток беспредельно нельзя, потому что
произойдет сильный разогрев диода, который может привести
к выходу диода из строя. Обычно величина допустимого тока равна
/доп“ 1,2/о-
При работе с вышеперечисленными диодами необходимо так-
же следить, чтобы величины воздействующих на диод электриче-
ских перегрузок от защитных устройств, а также внешних источ-
ников СВЧ колебаний не превышали допустимых величин для каж-
дого класса приборов.
ТИПОВЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ ОТ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ
Основное влияние на электрические параметры и надежность
работы полупроводниковых СВЧ диодов оказывают температура
окружающей среды и электрические воздействия иа диод от защит-
ных устройств в радиолокационных станциях и от внешних источ-
ников помех.
Температура окружающей среды, °C
Рис. 14. Зависимость добротности различных экземпляров детекторных дио-
дов типа Д604 от температуры окружающей среды
• На рис. 14—18 приведены зависимости основных параметров
диодов от температуры окружающей среды.
При повышении температуры окружающей среды у детектор-
ных диодов уменьшается чувствительность по току и добротность.
Эти изменения носят обратимый характер.
У кремниевых смесительных диодов с повышением температуры
происходит увеличение потерь преобразования, выпрямленного тока
3*	35
й Йодированного коэффициента ШуМа. Так, гфи теМйёр&|урё
+ 120° С нормированный коэффициент шума увеличивается на 1—
2 дб относительно значения при нормальной температуре. При
умеиЕ>шении температуры до —60° С изменения параметров происхо-
дят в меньшей степени.
Температура окружающей среды
Рис 15 Зависимость нормированного коэффициента шума различных
экземпляров смесительных диодов типа Д405А от температуры окружающей
с^еды.
Рис 16 Зависимость параметров туннельных диодов от температуры окру-
жающей среды
Для туннельных диодов с увеличением температуры возрастает
величина пикового тока и тока впадины и уменьшается напряжение
пика и впадины.
Для параметрических диодов с увеличением температуры воз-
растает постоянная времени диода (за счет увеличения сопротивле-
ния потерь). Емкость р-п перехода практически не изменяется. При
повышенной температуре сильно изменяется величина обратного то-
ка диода, что приводит к увеличению коэффициента шума пара-
метрического усилителя.
У переключательных диодов при повышенной температуре
уменьшаются потери запирания, а следовательно, н качество диода,
36
й тйк&е умёйьшае^сй вёЛйчина допустимой рассеиваемой в дйоЯё
мощности.
Если при нагревании или охлаждении диодов происходят в ос-
новном обратимые изменения параметров, то воздействие на диод
мощности СВЧ колебаний приводит к необратимому ухудшению
параметров. На рис. 19 показано, что срок службы диодов очень
сильно зависит от уровня воздействующей мощности
Рис 17 Типовые зависимости вольтамперной характеристики параметриче-
ских диодов 1А402А—- 1А402Г от температуры окружающей среды
Рис 18 Зависимость допустимой, рабочей мощности и потерь запирания
переключательных диодов 1А504А, 1А505Б от температуры окружающей
среды
37
При воздействии уровня СВЧ импульсной мощности 0,2—0,3 вт
срок службы диодов составляет более 1 000 час, а при мощности
0,8—1 вт срок службы сокращается в 3—5 раз и больше. Поэтому
5	1 - t 1 - I I__________।
е 0 200 400 600 800 1000 1200
Продолжительность работыиас
Рис 19 Характер изменения потерь преобразования смеситечьных диодов
при воздействии различных уровней СВЧ импучьсной мощности
эксплуатация диодов допускается только при значениях мощности,
не превышающих предельно допустимые величины, оговоренные
в ТУ на каждый тип диода.
III. ПРИМЕНЕНИЕ ДИОДОВ В АППАРАТУРЕ
ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ СВЧ УЗЛОВ НА ДИОДАХ
В радиоэлектронной аппаратуре применяются различные узлы,
содержащие полупроводниковые СВЧ диоды. К таким узлам отно-
сятся смесительные и детекторные камеры, переключатели, парамет-
рические усилители, генераторы, умножители, фазовращатели, ат-
тенюаторы и др. Конструкции СВЧ узлов очень разнообразны,
однако общими элементами этих узлов являются резонаторы (в ви-
де отрезков волновода, коаксиальной, полосковой линий и т. п.),
устройства для крепления диода в резонаторе и устройства для
связи с внешними цепями по высокой частоте и постоянному току.
Отдельные примеры конструктивного оформления СВЧ узлов
показаны ниже. На рис. 20 показан внешний вид типичного баланс-
ного смесителя сантиметрового диапазона волн, выполненного на
отрезках прямоугольного волновода. В данном смесителе исполь-
зуется два смесительных диода Принимаемый сигнал через входной
волновод подводится к смесительным камерам, куда одновремен-
но поступают колебания от местного гетеродина, подключенного ко
второму фланцу смесителя. Сигналы разностной частоты посту-
пают на вход усилителя промежуточной частоты.
Устройство для крепления диодов в камере, а также ввод и
вывод сигналов видны на рис. 21, представляющем устройство ти-
38
пичной детекторной (или смесительной) камеры на диоде патронной
конструкции.
Для переключения СВЧ мощности применяется много раз-
личных способов коммутации и конструкций переключателей на по-
лупроводниковых диодах Наиболее простой является конструк-
Рис 20 Внешний вид балансного
смесителя сантиметрового диапазо-
на волн
Рис 21. Конструкция детек-
торной камеры волноводною
типа для диода Д604
1 — диодная камера, 2 —
диод; 3 — вывод для под-
ключения к видеоусилителю

ция проходного переключателя, работающего на отражение
(рис. 22).	।
Принцип переключения заключается в следующем. На диод,
помещенный в центре волноводной
секции, от источника постоян-
ного тока подается напряжение
смещения. При положительном
смещении в диоде можно добить-
ся параллелыюго резонанса на
определенной частоте. В этом
случае сопротивление диота бу-
дет большим и СВЧ мощность
пройдет в тракте с малыми по-
терями. При подаче отрицатель-
ного смещения добиваются по-
следовательного резонанса в дио-
де. Сочротив пение диода станет
малым, оно зашунтирует волно-
вод, и СВЧ мощность отразится
обратно.
Рис 22 Внешний вид переклю-
чательного устройства проход-
кою типа на волноводе
39
Подобные переключатели проходного типа находят все более
широкое применение в измерительной технике, в лабораторных испы-
тательных установках и других видах аппаратуры. Управление пере-
ключением высокочастотного тракта с помощью этих переключателей
очень простое. В этом их достоинство по сравнению с механическими
переключателями.
Рис. 23. Чертеж вставки и «/щи-структуры для сантиметрового диапазона
волн:
а — диодная nlpln-структура с выводом по постоянному току (диод типа
2А505); б — переключательная вставка с впаянной диодной структурой.
Рис. 24. Внешний вид удвоителя частоты с выходом в 3-сантиметровый диа-
пазон волн, работающего на диоде с переменной емкостью.
На рис. 23 показан чертеж вставки (б), в которую впаяна
шрш-структура (а) с выводом для подачи на нее напряжения
смещения. Вставку можно непосредстррнно прдклрэчатр 1$ црдно*
40
водному тракту. Регулировкой напряжения смещения на р/м-диоде
можно плавно изменять затухание в СВЧ тракте и тогда эта
вставка используется как регулируемый аттенюатор. При работе
источника смещения в импульсном режиме можно коммутировать
мощность с большой частотой переключения.
Параметрические диоды кроме своего основного применения
в усилителе СВЧ также широко применяются в генераторах гармо-
ник. В этих генераторах исполь-
зуется нелинейная зависимость
емкости перехода параметрическо'
го диода от величины напряжения
сигнала. Общий вид такого удвой-
теля частоты с выходом в 3-сан-
тиметровый диапазон показан на
рис. 24.
К коаксиальному входу под-
водится мощность основной часто-
ты, а с волноводного выхода сни-
мается мощность удвоенной ча-
стоты. Настройка умнюжительной
камеры производится с помощью
трех настроечных винтов, поме- 
щенных на волноводе.
С помощью таких удвоителей Рис- 25- Внешний вид генера-
тора сантиметрового диапазона
МОЖНО конструировать высокоста- волн на лавинно-пролетном
бильный по частоте генератор на	диоде,
твердом теле с выходом в сан-
тиметровый диапазон волн и с входной частотой, стабилизирован-
ной кварцем.
На рис. 25 показан внешний вид генератора сантиметровых
волн на лавинно-пролетном диоде. Этот генератор непосредственно
подключается к волноводному тракту посредством фланца. На ге-
нератор от источника постоянного тока подается необходимое на-
пряжение смещения.
Приведенные примеры далеко не исчерпывают большого мно-
гообразия конструкций узлов аппаратуры на полупроводниковых
диодах СВЧ, но дают некоторое представление об общих элемен-
тах их конструкций.
ПЕРСПЕКТИВЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СВЧ ДИОДОВ
В настоящее время отмечается интенсивное развитие интеграль-
ных полупроводниковых СВЧ схем. Особенно значительные успехи
получены в области создания малошумящих усилителей и генера-
торов СВЧ на твердом теле б последнее время у нас и ай ру-
бежом ведутся разработки полупроводниковых интегральных схем
(модулей) СВЧ диапазона, представляющих совокупность прибо-
ров, заключенных в один общий корпус и выполняющих функции
отдельных СВЧ блоков (узлов) радиоэлектронной аппаратуры.
Вместе с этим, продолжается процесс улучшения технических ха-
рактеристик и самих полупроводниковых СВЧ диодов.
Для оценки перспектив усовершенствования СВЧ диодов це-
лесообразно рассмотреть последние достижения в этой области
[3, 5, 9].
Таблица 8
Сравнительная оценка усилителей СВЧ
Тип прибора	Макси- мальная частота, Г гц	Макси- мальная рабочая темпера- тура, °C	Потребля- емая мощ- ность, вт	Коэффи- циент усиления дб	Достигну- тый мини- мальный коэффици- ент шума, дб
Вакуумный триод	10	200—700	0,1—1		12
ЛЕВ	300	200—700	10	20—30	2,5—10
Параметрический усилитель	70	20	0,1*	15—20	2
Транзистор	1 00	60—150	ю-3	10—20	6—10
Туннельный диод	100	250—450	ю-4	15—20	2
♦ Без учета генератора накачки.
Современный уровень развития малошумящих усилителей СВЧ
диапазона виден из данных, приведенных в табл. 8 [3].
Среди полупроводниковых усилителей представляют особый ин-
терес усилители на туннельных диодах. Они наиболее экономичны,
имеют малые габаритные размеры, вес и обеспечивают достаточное
усиление при малом коэффициенте шума.
За последнее время зарубежными фирмами разработано и
выпускается большое число типов подобных усилителей на раз-
личные диапазоны частот. Некоторое представление о технических
характеристиках усилителей на туннельных диодах дают данные
[7, 8], приведенные в табл. 9.
Основными недостатками усилителей на туннельных диодах
являются их низкая устойчивость к воздействию мощности СВЧ
колебаний, а также сильная зависимость коэффициента усиления
от температуры окружающей среды. Однако использование термо-
стабилизации и защитных средств от воздействия просачивающей-
42
01 cd tf S 4		Срок службы, тыс. час	25	1	ю сч	3000	1	35	1	001	35	1
cd				СО	CD^		СЧ			СО	СЧ	
		Вес,		о*	со		со*	о*		о*	о	
	с диодах	Подводи- мая мощ- ность, вт	1	0.012	1	0,30	200'0	о со о	1	0,30	0,30	1
	3 к Л К	на:	Ю	^"4	lO			о	ю	L0 сч	ю	LO
	лей на тунне.		^^4	^"4	^"4			сч				
		1 1 Допусти- мый vpo-  вень СВЧ । мощности, мет	о со	О	30	।	50 1	о ^-4	30	20	о LO	30	20
	(V к ч я о >5	Стабиль- ность уси- ления от темпера- т\ры, дб/°С	0,3	0,25	0,03	0,03	0,25	0,03	1	0,01	I 0,03	1
	Я я я о Я си Ф н Я Я Л я к я	Коэффи- циент глу- ма, дб	2,8			4,5	ю	ю	6,0	5,5	ю CD	О
		Коэффи- циент усиления, дб	1 +21	СЧ +1 00	1+53	НО +1 сч	3+51	1+51	ю ^4 +1 сч	13±1	15±1	16+1,5 ।
	3 CU ф ж я CU	шазон ча- от, Гец 1	ю о	,7—2,7	7 от	сч 7	,4-5,0	о’п—о'	О сч 1 о	,2—12,7	СЧ CD 1 00	,0—19,0
	я к	Диг СТ'	о		сч	со		ь»	00	сч	ю	00
		Тип усилителя	NTAC-425B	1133	N С-3003	АСР-3950-12	0901	NTAC-9000B	Т7620	S168	NT АС-16000В	Т9701
43
ся мощности передатчика позволяет широко применять эти усили-
тели в различных видах радиоэлектронной аппаратуры.
В последнее время достигнуты значительные успехи в разра-
ботках твердотельных СВЧ генераторов. В 1959 году Вальд-Пер-
лов В. М. и Тагер А. С. впервые в нашей стране создали СВЧ ге-
нератор на германиевом диффузионном диоде [9], основанном иа
эффекте возникновения отрицательного сопротивления при лавин-
5
Q
*
С»
Частота^ Ггц
Рис. 26. Графики максимальных зна-
чений выходной мощности генераторов
иа ЛПД, достигнутой за рубежом.
S—на кремниевых диодах в непре-
рывном режиме; О — на кремниевых
диодах в импульсном режиме; £ — на
германиевых диодах в непрерывном
режиме; А — на арсенидогаллиевых
диодах в непрерывном режиме.

ном пробое в диоде. Эти дио-
ды получили название лавии-
но-пролетных (ЛПД).
Аналогичные по принципу
действия диоды разрабатыва-
ются и выпускаются также за-
рубежными фирмами на основе
применения кремния, германия
и арсенида галлия. Современ-
ные достижения по созданию
генераторов на ЛПД видны
из рис. 26 (см. [10]).
Особенностью генераторов
на ЛПД является сравнитель-
но высокий уровень внутрен-
них шумов, присущий механиз-
му лавинной ионизации в дио-
де, а также значительные теп-
ловые перегрузки в активной
области, связанные с малым
коэффициентом полезного дей-
ствия. Повышенные шумы ге-
нераторов на ЛПД позволили
разработать специальные вы-
сокоэффективные генераторы шума на СВЧ с эффективной темпера-
турой шума порядка 105—107 °К [9].
Для повышения уровня выходной мощности генераторов тре-
буется создание конструкций диодов с хорошим теплоотводом.
В 1963 году Ганн [5] обнаружил эффект возбуждения колебаний
СВЧ в полупроводниковом материале (в арсениде галлия) при
приложении к чему постоянного напряжения. В отличие от других
приборов в ^аторе иа эффекте Ганна используется тонкая пла-
стинка г одного полупроводника без р-п переходов.
^стоящему времени за рубежом имеется одни промышлеи-
образец генератора типа SX-3400, работающий в диапазоне
3 Гец с мощностью на выходе 50—70 мет в непрерывном ре*
44
Жиме и порядка 100 вт в импульсном режиме [11]. В связи
с перспективностью генераторов на эффекте Ганиа многими фир-
мами ведутся интенсивные исследования, направленные на освоение
новых диапазонов частот, повышение выходной мощности и созда-
ние промышленных образцов генераторов.
х В [12] приводятся данные о последних достижениях в области
создания мощных генераторов на эффекте Ганна. На частоте
1,1 Ггц в импульсном режиме получена выходная мощность 380 вт,
а на частоте 10 Ггц — мощность 33 вт. По оценкам зарубежных
специалистов в ближайшее время яри разработке кристаллов с по-
Рис. 27. Максимальные значения выходной мощности различных видов ге-
нераторов на твердом теле:
генераторы на ЛПД
Ц—в непрерывном, □—в импульсном режимах,
генераторы Ганна
• — в непрерывном, О— в импульсном режимах,
генераторы Гаина в режиме LSA
Д — в непрерывном, А — в импульсном режимах.
вышениым пробивным напряжением можно ожидать получение на
частотах порядка 10 Ггц выходной мощности около 400 кет в им-
пульсе. Эти генераторы в ближайшем будущем могут заменить не-
которые мощные электровакуумные СВЧ приборы.
При работе генераторов Ганна в режиме ограничения накоп-
ления пространственного заряда — ОНПЗ (режим LSA) и увеличе-
нии напряженности электрического поля (в 3—4 раза превышаю-
щего пороговые значения) удается существенно повысить выходную
мощность, а также создать эффективные генераторы в миллимет-
ровом и субмиллиметровом диапазонах волн. Фирмой Bell разрабо-
таны генераторы на диапазон волн от 50 до 88 Ггц с выходной
мощностью в непрерывном режиме порядка 20 мет. Ожидаемые
уровни мощности подобных генераторов составляют несколько ватт
в непрерывном режиме в диапазоне 30—300 Ггц с коэффициентом
45
полезного действия порядка 20% и сотни киловатт в импульсном
режиме в сантиметровом диапазоне [13].
Сравнительные данные о возможностях повышения выходной
мощности с применением твердотельных генераторов различных ви-
дов показаны на рис. 27 [14].
Как видно из приведенного рисунка, наиболее перспективными
(среди известных) с точки зрения получения наибольшей выход-
ной мощности являются генераторы на эффекте Ганна, работаю-
щие в режиме ОНПЗ.
Рис 28 Значения выходной мощности и коэффициента полезною действия И
утроителей частоты на трех типах диодов с переменной емкостью
Достижение повышенной мощности и высокой стабильности ча-
стоты возможно реализовать с помощью умножителей частоты на
диодах с переменной емкостью (варакторах). Генераторы подоб-
ного типа весьма перспективны для измерительной аппаратуры,
гетеродинов приемников СВЧ, передающих устройств допплеровских
радиолокационных станций и аппаратуры радиорелейных линий
связи.
Высокая стабильность частоты таких генераторов может быть
обеспечена путем применения задающих генераторов, стабилизиро-
ванных кварцем, с последующим умножением частоты на полупро-
водниковых диодах.
Некоторые результаты исследований по умножению частоты,
полученные па серийных диодах [15], приведены на рис. 28. Как
видно из рисунка с помощью умножителей частоты иа диодах
можно получить выходные мощности порядка 5—10 вт в непре-
46
рЫвПоМ режиме с коэффициентом полезного действия до 65% в диа-
пазоне дециметровых и сантиметровых волн.
Наряду с развитием работ в области создания СВЧ усилите-
лей, генераторов и умножителей на твердом теле продолжаются
поиски и разработки новых типов различных полупроводниковых
диодов с лучшими характеристиками. В связи с этим в последние
годы появились новые разновидности диодов, как например, диоды
с барьером Шоттки (диоды с горячими носителями), диоды с на-
коплением заряда, обращенные туннельные диоды, диоды с рт-
структурой и другие.
Диоды с барьером Шоттки позволяют расширить динамический
диапазон смесительных, детекторных, параметрических и переклю-
чательных диодов и имеют повышенную электрическую прочность.
Принцип действия диода основан на выпрямляющем действии
контакта металл—полупроводник (барьера Шоттки). В отличие от
обычных диодов с прижимным контактом у этих диодов выпрям-
ляющий контакт осуществляется не прижимом иглы, а напылением
или гальваническим нанесением металла на полупроводник. Такая
технология обеспечивает более плотный контакт и однородность
потенциала по площади контакта. Это приводит к улучшению
вольтамперной характеристики и снижению шумового отношения /га,
что позволяет использовать большие площади контактов по срав-
нению с обычными диодами, а следовательно, увеличивается стой-
кость этих диодов к воздействию электрических перегрузок.
Диоды с барьером Шоттки изготовляются на основе эпитак-
сиальных структур. Отсутствие накопления неосновных носителей
Таблица 10
Технические характеристики смесительных диодов
с барьером Шоттки [16]
Тип диода	Частота, на которой нор- мируются параметры, Мец	F, дб не бо- лее	С при (7=0, пф не более	°"	р макс» вт	1F, эре
МА-4850	3060	9,0	1,0	125—250	1,0	20
МА-4851	3060	7,5	0,7	125—250	1,0	10
МА-4852	3060	6,5	0,5	125—250	0,5	7
МА-4853	3060	5,5	0,3	125—250	0,5	7
МА-4855	3060	6,5	0,5	125—250	0,5	7
МА-4856	9375	7,5	0,35	125—250	0,5	5
МА-4857	9375	7.0	0,4	125—250	0,5	5
МА-4858	9375	6,5	0,35	125—250 г	0,5	5
47
улучшает быстродействие диода при использовании их в качестве
переключательных
В табл 10 приведены технические характеристики смесительных
диодов с барьером Шоттки, выпускаемых в США.
Диоды с барьером Шоттки обладают также более высокой
чувствительностью по сравнению с обычными кремниевыми диодами
с прижимным контактом
Из рис 29, на котором приведены зависимости коэффициента
Рис 29 Зависимость коэффициента шума от частоты для различных сме-
сительных диодов
I — кремниевые диоды с прижимным контактом, 2 — кремниевые диоды
с барьером Шоттки, 3 — арсенидогаллиевые диоды с барьером Шоттки.
таллиевые диоды с барьером Шоттки по коэффициенту шума в сред-
нем на 0,5—2 дб лучше обычных диодов с прижимным контактом,
особенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона волн.
В последнее время для целей умножения частоты находят при-
менение диоды с накоплением заряда и резким восстановлением
обратного сопротивления (ДНЗ).
Таблица И
Характеристики умножителей на диодах с накоплением
заряда
Тип диода	fBX, Мги,	рвх. ет	Коэффи- циент умножения	f вых» Мгц	р ВЫ X * вт
hpa 0300	200	15	10	2000	2
hpa 0300	400	15	5	2000	5
hpa 0320	2 000	2	5	10 000	0,15
В отличие от обычных диодов с переменной емкостью, у кото-
рых рабочая точка выбирается на отрицательном участке вольт-
амперной характеристики, в ДНЗ используется режим, когда сигнал
48
«заходит» в положительную область При этом носители, которые
инжектируются в положительном полупериоде входного сигнала, не
успевают рекомбинировать При отрицательном полупериоде они
двигаются в сторону р-п перехода в виде компактного сгустка,
вследствие чего некоторое время сохраняется аномально высокая
отрицательная проводимость, а за-
тем происходит резкое восстановле-
ние обратною сопротивления Дан-
ный режим работы создает иелиней-
ную зависимость тока через р-п пе-
реход, богатую I армониками
ДНЗ позвозяют получать высо-
кий коэффициент полезного действия
при умножения частоты в относитеаь-
но мааое число раз при одновремен-
ном свешены уровня рабочей мощ
ности С эти< диодов можно полу
ЧИТо гармоники высших порядков
при однокаскадном генерировании,
что позволяет сократить габаритные
размеры и вес умножительного
устройства и повысить его надежность.
Рис 30 Типовая вольтампер
ная характеристика обращенно-
го диода
В табл. 11 приведены некоторые данные по генераторам гармо-
ник на диодах с накоплением заряда [19]
В качестве детекторных и смесительных СВЧ диодов получили
применение так называемые обращенные туннельные диоды Меха-
низм работы обращенного диода аналогичен туннельному диоду
Различие состоит лишь в степени легирования полупроводника,
в результате чего уменьшается величина пикового тока и увеличи-
вается обратный ток Вольтамперная характеристика обращенного
диода принимает форму, показанную на рис 30
За рубежом выпускаются обращенные диоды на основе гер-
мания, кремния и арсенида галлия Некоторое представление о па-
раметрах этих диодов дают сведения, приведенные в табл 12 [20]
Для реализации лучших параметров обращенные диоды рабо-
тают при малой мощности гетеродина
По сравнению с обычными диодами с прижимным контактом
обращенные диоды имеют малый уровень избыточных шумов, что
дает возможность получать малый коэффициент шума при работе
на допплеровских частотах У этих диодов также малая темпе-
ратурная зависимость электрических параметров и при работе в де-
текторном режиме обеспечиваются те же характеристики, что и
4—1252
49
Табчица 12
Параметры обращенных диодов
Тип диода	Материал попу провод!ика	Электрически^ харак тернстикн на частоте 20 кец		^выг ом	КСВ, не более
		F дб, не более	<>б- не бо пее		
МА4610	Германий	15	6	50—200	2
МА4610А	Германий	12	3	50—200	2
МА4619	Германий	15	6	50—200	2
Примечание КСВ указам в диапазоне частот 8 8 — 13 3 Гец
у обычных диодов, однако обращенные диоды не требуют дополни
тельного смещения
Большую перспективу применения в переключающих устройст
вах СВЧ имеют диоды на основе рт-структуры, об падающие
управляемым переменным активным сопротивлением Эти диоды
отличаются простотой изготовления и содержат центральную об
ласть слаболегированного полупроводника (^область) и контактные
области с обеих сторон с высокой концентрацией акцепторной и до-
норной примесями (р+ и области) При подаче положительного
смещения сопротивление диода становится очень малым, а при от-
рицательном смещении сопротивление увеличивается до нескольких
килоом Это свойство диода используется для коммутации сигна-
лов в СВЧ трактах
В табл 13 приведены характеристики некоторых типов pin, дно
до в
Таблица 13
Параметры и характеристики кремниевых /нп-диодов
Тип диода	Ч, Об не болеп	£3, дб 1 е менее	"'уст макс» мксек	твОссТ макс* мксек 		' р 1 г ими ма; с* квт L					р мап вт
2А505А	0,4	20	6,0	60	0,5	2,0
2А505Б	0,4	17	6,0	60	0,5	2,0
2А505В	0,6	17	6,0	60	0,5	2,0
Примечание Пон использовании диодов 2А505 в Н образном волно
воде допустимая величина мощности /-’имгг может быть увеличена до
И 1т1 XI d w	*
5 кет
В целях повышения электрической прочности смесительных
детекторных, у множительных и тругнх дпотов за рубежом получило
50
р? вптис повое направпенпе в конструировании 'чюдов— обиедп и
ние в одном корпусе нескольких переходов
В работе [17] приводится описание многоконтактного СВЧ
диода с барьером Шотгки, состоящего из девяти параллельно сое
диненных р п переходов на одном кристалле кремния Этим дости
гается уменьшение емкости корпуса, приход°щсися па один пере
ход, расширение динамического диапазона, уменьшение потерь пре
образования в смесительном режиме до 4 (?) и увеличение чувст
вительности по току в детекторном режиме до 12 5 а/вт
Имеются также сведения об интеграции диодов с перемен
ной емкостью [5] Для применения в качестве умножителя частоты
разработан сложный варактор, состоящий из четырех кристаллов,
соединенных последовательно в общем корпусе Испытания такого
варактора в утроителе частоты (с 4 до 12 Ггц) показали возмож
ность увеличения выходной мощности в 18 раз по сравнению с од-
ним варактором
При другом конструктивном оформлении интегрального варак-
торного диода типа L8504 [18] удалось повысить выходную мощ
ность умножителя частоты до 15 вт при кпд порядка 50%
Характерным для современного развития твердотельно i элек
тропики являются поиски и создание СВЧ модулей и узлов с при
менением интегральных схем на полупроводниковых приборах
Полупроводниковые СВЧ диоды и модули, о которых указы
валось выше, в самое ближайшее время паГдут широкое примеие
пне в рачиоэлектронноп аппаратуре
IV. ПРАВИЛА ЭКСПЛУАТАЦИИ И ХРАНЕНИЯ
СВЧ ДИОДОВ
МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ
Попупроводннковые СВЧ диоды надежно выполняют свои
функции в радиоэлектронной аппаратуре и сохраняют работоспо
собпость при длительном хранении только при соблюдении реко
мендуемых режимов работы, условий хранения и правил обращенья
Невыполнение указанных условий в большинстве случаев приводит
к нарушению работоспособности (отказу) диодов
В практике наблюдаются два вида отказов диотов полные и
параметрические
Полные отказы являются следствием появления обрывов кон
такта металла с полупроводником, пробоев, коротких замыканий
между выводами электродов, поломки корпуса диода в месте спаев
керамики с металлическими выводами и т п Эти повреждения ча
4*
51
Ще всего вызываются неосторожным обращением с диодами при
транспортировке и установке в аппаратуру, сильными электриче-
скими и механическими воздействиями, превышающими допустимые
пределы
К параметрическим отказам относятся постепенные или вне-
запные необратимые ухудшения электрических параметров диодов
вследствие воздействия на них повышенной влажности, перепада
температуры окружающей среды и электрических нагрузок
В целях предупреждения возникновения отказов диодов необ-
ходимо соблюдать меры предосторожности, которые указываются
в инструкциях по эксплуатации.
Особое значение для большинства типов диодов приобретает
предохранение их от воздействия внешних электрических наводок
и электромагнитных полей.
Во избежание случайных повреждений диодов необходимо*
— хранить диоды в металлизированных заводских упаковках;
— при установке диодов в аппаратуру для снятия статических
зарядов с оператора необходимо сначала коснуться корпуса аппара-
туры той же рукой, в которой находится диод;
—	соблюдать рекомендуемый режим работы диода по постоян-
ному току и напряжению смещения, мощности гетеродина;
—	принимать меры, исключающие воздействие на аппаратуру
мощных электромагнитных колебаний от внешних источников,
—	при совместной работе диода с защитными резонансными
разрядниками и ферритовыми циркуляторами следить за их ис-
правностью;
—	выводы диода по постоянному току хорошо экранировать
и т д
Наряду с указанными предосторожностями требуется также
предохранять диоды от воздействия механических нагрузок, повы-
шенной температуры, влажности и агрессивных сред С этой целью
необходимо
—	обеспечивать надежное крепление диода в диодной камере
с усилием, не превышающим 1,5 кг;
—	при установке диодов в аппаратуру не допускать воздействия
изгибающих и скручивающих моментов, превышающих допустимые
величины;
—	держатели диодов (цанги) изготавливать из пружинящего
материала, позволяющего выбирать имеющийся эксцентриситет вы-
водов диодов порядка 0,1—0,2 мм;
—	не располагать диоды вблизи нагревающихся частей и узлов
аппаратуры;
52
йе храниФь дйоДЫ в Помещениях, i Де иМеютсй пйрь! кислот,
щелочей и других агрессивных сред, во избежание коррозии кон-
тактирующих поверхностей;
— предохранять диоды от атмосферных осадков и выпаде-
ния росы.
Соблюдение указанных мер предосторожности позволяет зна-
чительно продлить долговечность и сохранность диодов, намного
превысив минимальные гарантируемые в технической документации
нормы
ПРОВЕРКА ГОДНОСТИ ДИОДОВ
Качество полупроводниковых СВЧ диодов определяется сово-
купностью их высокочастотных параметров и эксплуатационных ха-
рактеристик. В процессе эксплуатации, транспортировки и хране-
ния диодов их качество может существенно измениться и не
соответствовать техническим условиям. Это несоответствие может
быть обнаружено даже при проверке основных параметров диодов
Рис 31 Внешний вид испытателя смесительных и детекторных СВЧ диодов
В связи с этим необходимо контролировать качество диодов перед
их установкой в аппаратуру, при профилактических проверках,
в процессе храпения и при входном контроле па рациоюхпическпх
предприятиях.
Оценка качества диодов может производиться по определению
соответствия параметров требованиям технических условий, а также
53
путём проверки Годности Диодов упрощенными способами. Первый
способ проверки мало пригоден для применения в полевых условиях,
гак как требует использования комплекса сложных высокочастот-
ных измерительных установок п высококвалифицированного обслу-
живающего персонала. Проверка годности диодов, т. е. их способ-
ности выполнять заданные функции, не требует сложной аппаратуры
и доступна для имеющегося технического персонала.
Рнс. 32. Зависимость дииамнческо-
го сопротивления диодов от напря-
жения смещения: / — диод с мень-
шими потерями преобразования,
2 — диод с большими потерями
преобразования.
В основу методов проверки
годности СВЧ диодов может быть
положена зависимость высокоча-
стотных параметров диодов от
характера их вольтамперных ха-
рактеристик, измеряемых на по-
стоянном токе или низких час-
тотах.
На рис. 31 приведен внешний
вид испытателя смесительных и
детекторных СВЧ диодов для
оценки годности всех типов смеси-
тельных и детекторных диодов с
прижимным контактом. Проверка
годности таких диодов произво-
дится путем измерения их дина-
мических сопротивлений пиггпри
двух напряжениях положительного смещения Е^ и Е2 (рис. 32). По
полученному отношению динамических сопротивлений испытуемого
диода у=г21г\ с помощью прилагаемых к испытателю графиков мож-
но оценить величины потерь преобразования смесительных диодов
Смещение
Рис. 33. Схема испытателя диодов;
цЛ — микроамперметр М265 на 100 лека, кл. 1,0; ИД — испытуемый диод.
54
н добротности детекторных диодов. Используемые графики построе-
ны на основе статистического материала и представляют собой зави-
симость высокочастотных параметров диодов от параметров их
вольтамперных характеристик.
Погрешность подобного метода оценки параметров диодов пре-
вышает погрешности непосредственного измерения потерь преобра-
зования и добротности на сверхвысоких частотах, но является впол-
не приемлемой для решения большинства практических задач.
Рис. 34. Схема для проверки годности параметрических диодов по величине
обратного тока:
П\ — вольтметр на 20 в, кл. 1,0; П2 — микроамперметр М95 на 1 мка, кл. 1.0;
ИД — испытуемый диод.
Испытатель (рис. 31) состоит из следующих узлов: /?С-генера-
тора, измерительного моста, усилителя с пиковым детектором, вы-
ходного индикатора (оцифрованного в значениях у), блока питания
и системы коммутации. Габаритные размеры испытателя составляют
280X185X120 мм, а вес — около 4,5 кг.
На рис. 33 представлена схема испытателя, с помощью которого
производится измерение величины у*
К мосту подводится переменное напряжение от /?С-генератора, ра-
ботающего на частоте 2—4 кгц, и постоянные напряжения смещения
Ei и Е2 для установки рабочих точек на вольтамперной характери-
стике испытуемого диода ИД.
При испытании детекторных диодов на мост подается пере-
менное напряжение величиной 13 мв и постоянные напряжения
смещения £1 = 40 мв и Е2=0. При испытании кремниевых смеситель-
ных диодов Ei = 300 мв и Е%~190 мв. Переменное напряжение,
подводимое к мосту при испытании смесительных диодов, состав-
ляет 26 мв.
Напряжение разбаланса измерительного моста через трансфор-
матор подается на вход усилителя с пиковым детектором, иа вы-
ходе которого включен выходной индикатор — микроамперметр типа
М265. Этот же прибор используется для контроля питания и кали-
бровки схемы испытателя.
55
Питание испытателя осуществляется от встроенного аккумуля-
тора напряжением 9 в, который может периодически заряжаться от
внешней сети переменного тока частотой 50 и 400 гц
Проверка работоспособности параметрических и переключатель-
ных диодов в условиях хранения и перед установкой в радиоэлек-
тронную аппаратуру может производиться по величине обратного
тока. Схема для проверки диодов элементарно проста и содержит
источник постоянного напряжения, вольтметр и микроамперметр
(рис 34).
Рис 3" Схема тестера для проверки годности туннельных диодов
/71 — микровольтметр на 500 м.в, кл 1,5 /7а — гальванометр на 1 мка,
кл I 0, ИД — испытуемый диод
От источника постоянного напряжения к диоду подводится на-
пряжение смещения Ucm, величина которого указана в табл 5 и 6
Если величина обратного тока будет равна или меньше нормы, ука-
занной в этикетке на диод, то диод считается годным и может
быть использован по своему прямому назначению Диоды, имею-
щие обратный ток больше нормы, считаются неисправными и под-
лежат рекламированию, если их срок хранения не истек.
Проверка работоспособности туннельных диодов может произ-
водиться также с помощью простого тестерного прибора, принци-
пиальная электрическая схема которого показана на рис 35 При
необходимости подобный прибор можно изготовить своими силами
Данный тестер позволяет проверить отсутствие коротких замыка-
ний и обрывов электродов диода, измерить величины пикового тока
/п и тока впадины /в
Измерение токов /п и /в производится следующим образом
Сначала мост балансируют, меняя сопротивление Затем вклк)-
5S
чают ИД в схему (Прибор измеряет напряжение на дйоц?,
а Л2 — величину разбаланса, пропорциональную току диода Ка-
либровка прибора П2 по току производится путем включения вместо
диода эталонного сопротивления /?э=100 ом.
При измерении тока /п напряжение смещения на диоде плавно
увеличивают до получения максимума тока. В этом случае показа-
ния прибора П2 равны току 7П. Для измерения тока /в напряжение
смещения на диоде продолжают плавно увеличивать до получе-
ния минимума тока, величина которого равна /в. При этом следует
убедиться, что дальнейшее увеличение напряжения вызывает уве-
личение тока (см рис 7)
Рис 36 Графики относительного изменения значения потерь преобразова-
ния диодов при хранении во влажном и сухом климате
По измеренным значениям токов можно вычислить отноше-
ние 1^)1 в и сопоставить его с нормой, установлеииой для данного
типа диода Обычно величина этого отношения должна быть не
менее 5 Погрешность измерения токов /п и /в с помощью указан-
ного тестера не превышает ±5%.
ПРАВИЛА ХРАНЕНИЯ
В процессе длительного хранения у большинства типов СВЧ
диодов наблюдается постепенное ухудшение электрических парамет-
ров Скорость изменения параметров, как показывают наблюдения,
зависит в основном от степени герметичности корпуса диода.
У смесительных и детекторных диодов, обладающих высокой чув-
ствительностью, точечный контакт обычно ие защищают какими-либо
покрытиями из-за опасности увеличения потерь на СВЧ. Защита
контакта от воздействия внешней среды обеспечивается конструк-
цией самого корпуса диода. Проникновение внутрь корпуса влаж-
ной атмосферы, особенно при повышенной температуре окружающей
57
Среды, приводит к росту на поверхности полупроводника окйсной
пленки, ухудшающей электрические параметры диодов
Опытным путем установлено, что наиболее быстро ухудшают-
ся параметры диодов при хранении в условиях влажного и теплого
климата. В условиях сухого климата процесс ухудшения парамет-
ров диодов протекает медленнее На рис. 36 в качестве примера
приведены экспериментальные данные сохраняемости смесительных
диодов в условиях влажного и сухого климата За четыре года хра-
нения во влажном климате потери преобразования диодов увели-
чиваются примерно на 1 дб, в то время как в условиях сухого кли-
мата подобные изменения не превышают 0,5 дб. Недостаточная cia-
бнльность параметров диодов при хранении наблюдается лишь у
диодов устаревших конструкций. Новые типы диодов, разработан-
ные в последние годы, имеют герметичную конструкцию корпуса и
являются более устойчивыми к воздействию повышенной влажно-
сти. В параметрических и переключательных диодах защита от воз-
действия влажности достигается путем покрытия р-п перехода спе-
циальными лаками.
Основным условием, обеспечивающим сохраняемость СВЧ дио-
дов, является хранение их в сухих складских помещениях при нор-
мальной температуре +20±5°С. Сохраняемость диодов может быть
повышена при хранении в герметизированных упаковках, которые
все более широко применяются для хранения полупроводниковых и
электровакуумных приборов.
При хранении СВЧ диодов необходимо следить за тем, чтобы
поблизости не находились кислоты, щелочи и другие агрессивные
среды, пары которых сильно действуют на внешние защитные по-
крытия диодов, вызывая коррозию на поверхности корпуса и вы-
водов диодов. Наличие коррозии нарушает электрический контакт
выводов диодов при их установке в диодные камеры.
Исправность СВЧ диодов при хранении определяется также
мерами защиты от воздействия внешних электрических и электро-
магнитных полей. Диоды, нуждающиеся в такой защите, должны
храниться в заводской упаковке (в свинцовых патронах или в ме-
таллизированных пакетах). Особое внимание должно уделяться за-
щите высокочувствительных смесительных, детекторных и парамет-
рических диодов. При периодических проверках СВЧ диодов на ба-
зах и складах требуется следить за исправностью упаковок и пре-
дохранять диоды от воздействия облучения электромагнитными по-
лями в процессе проверки.
Если после длительного храпения параметры диодов не вышли
за пределы установленных норм ТУ, то такие диоды могут приме-
няться в аппаратуре. Диоды, вышедшие из строя (к их числу отно-
58
сятся и диоды с параметрами, не отвечающими требованиям ТУ),
подлежат рекламации н отправке на завод-изготовитель в установ-
ленном порядке.
Заводы-изготовители в целях установления гарантированных
сроков хранения проводят опытное хранение диодов в обычных
складских, а также полевых условиях При этом из текущей про-
дукции ежегодно закладывается на хранение сравнительно неболь-
шое количество диодов каждого типа. В процессе хранения с перио-
дичностью 1—2 раза в год производится измерение параметров дио-
дов и осмотр их внешнего вида.
Параметры—критерии оценки годности диодов при хранении
выбираются следующие-
—	для смесительных — потери преобразования или нормирован-
ный коэффициент шума;
—	для детекторных—чувствительность по току или добротность;
—	для параметрических — постоянная времени и обратный ток;
—	для переключательных — качество и обратный ток;
—	для умножительных — предельная частота и обратный ток;
—	для генераторных — выходная мощность и т. д
Оценка сохраняемости диодов производится по величине интен-
сивности отказов и проценту годности
Отказавшими считаются диоды, электрические параметры, кото-
рых вышли за пределы значений, указанных в ТУ в качестве крите-
риев годности ври хранении, а также диоды, полностью потерявшие
работоспособность (короткие замыкания и обрывы электродов).
Интенсивность отказов при хранении определяется как
d
^хр =z у1 >
где d — количество отказов;
Т — общее время испытаний диодов до момента измерения, рав-
ное
m г dk
Т —	ti + (пк — dk) tk *
k~i L
где m — число выборок при комплектовании общего количества за-
кладываемых на хранение диодов;
tt — время наступления отказа i-го диода,
пь — размер &-й выборки (количество диодов каждого типа при
одной закладке);
dk—количество отказавших диодов в выборке д^;
tk — время испытаний выборки д*
Так как момент наступления отказа в процессе испытаний не
59
фиксируется, то за время наступления отказа принимается середина
интервала между тем моментом времени, когда обнаружен отказ и
предыдущим моментом измерения.
Поэтому для расчета интенсивности отказов партии диодов
можно пользоваться простой формулой
d
Ххр- ( d \	
I flfe — jtk
Процент годности
т
В результате обработки данных за первые три года хранения
устанавливается величина надежности диодов к концу срока хране-
ния. По этим данным предварительно оценивается сохраняемость
диодов на более длительный срок с последующим уточнением этих
значений по результатам длительного хранения.
ЗАЩИТА ДИОДОВ ОТ «ВЫГОРАНИЯ»
Надежность работы СВЧ диодов существенно зависит от пра-
вильной его защиты в радиоэлектронной аппаратуре от воздействия
электрических перегрузок. Электрические воздействия на диоды опре-
деляются условиями их применения и могут быть различны в зави-
симости от типа диода и схемно-конструктивных решений СВЧ узлов
Исходя из условий применения, на смесительные диоды воздействует
мощность непрерывных СВЧ колебаний от гетеродина, мощность
периодических СВЧ импульсов, просачивающихся через резонансный
разрядник защиты приемника и пиковая мощность просачивающе-
гося импульса
На детекторные диоды воздействует мощность СВЧ импульсов
(или мощность непрерывных СВЧ колебаний) от соседних мешающих
радиоэлектронных устройств, которая может быть во много сот раз
больше мощности принимаемого полезного сигнала.
В более тяжелых условиях работают диоды в параметрических
усилителях. В отличие от смеаительиых диодов, параметрические
диоды подвергаются длительному воздействию мощности генератора
накачки, величина которой составляет порядка десятков и сотен мил-
ливатт в непрерывном режиме
Переключательные диоды работают при мощностях порядка
60
десятков и сотен ватт в непрерывном режиме и десятков и сотей
киловатт в импульсном режиме.
При воздействии на диоды мощностей, превышающих допусти-
мые техническими условиями значения для данного типа диодов,
возникают необратимые изменения, приводящие к ухудшению элек-
трических параметров («загрубление») или к полному выходу из
строя («выгорание»).
«Выгорание» представляет собой нарушение свойства контакта
металл—полупроводник СВЧ диода в результате воздействия элек-
трической перегрузки. «Выгорание» в диоде приводит к необрати-
мым ухудшениям параметров и потере работоспособности диода.
При «выгорании» существенно изменяется вольтамперная характери-
стика диода, а также нарушается его проводимость.
Электрическая прочность диодов, предназначенных для работы
на более высоких частотах, обычно ниже прочности диодов длинно-
волнового диапазона. Это связано с тем, что с укорочением длины
волны в целях повышения чувствительности смесительных и детек-
торных диодов уменьшается площадь контакта, а это, в свою оче-
редь, резко снижает допустимую рассеиваемую мощность СВЧ коле-
баний.
Как показывает опыт, устойчивость диодов к воздействию оди-
ночных импульсов несколько больше устойчивости к воздействию
серии импульсов. Электрическая прочность диода зависит также от
длительности воздействия.
Наряду с необратимыми изменениями параметров диодов при
электрическом воздействии для некоторых типов смесительных дио-
дов наблюдается временное ухудшение детектирующих свойств, так
называемое «загрубление». Оно проявляется в уменьшении выпрям-
ленного тока диода и ухудшении чувствительности при включении
совместно работающего передающего устройства. После выключения
этого устройства чувствительность и ток диода через определенное
время восстанавливаются. Этот эффект наиболее сильно наблюдается
у диодов из поликристаллического кремния и практически отсут-
ствует у диодов из монокристалла кремния.
В радиоэлектронной аппаратуре, в которой прием и передача ве-
дутся на общую антенну, защита диода производится с помощью
включения в приемный тракт разрядника защиты приемника или
группы защитных устройств, включающей разрядник и управляемый
коммутатор.
Выбор способа защиты и типа самого диода должен произво-
диться с учетом того, чтобы просачивающаяся мощность, пиковая
мощность и мощность зажигания в любом из возможных его режи-
мов работы во всем интервале рабочих температур и в течение га-
61
рантированной долговечности не превышали величин, установленных
как допустимый предел для диода
При проектировании ответвительных схем антенных переключа-
телей важное значение имеет правильный выбор расстояния меж iy
резонансным разрядником и смесительным диодом
Относительная величина просачивающейся мощности, воздей-
ствующей иа диод, определяется по формуле
Р	1	Г	/2те	\	, /2тг
п—№ cos2 (-ЧГ-/ )+sin2(-^— I ) ,
гном	Л	L	у Ав	/	у Ав	у
где РНом — просачивающаяся мощность при идеально согласован
ной нагрузке,
Р — просачивающаяся мощность при реальной нагрузке,
Хв — длина волны в передающей линии,
/-—расстояние от смесительного диода до разрядника,
К — коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН)
Из формулы следует, что при КСВН, приближающемся к реаль-
но существующему на высоком уровне мощности (4—8], при некото-
рых значениях / возникает существенное увеличение просачиваю
щейся мощности
2л
Поэтому электрические расстояния I—п(л+Д), где п—0, I,
2, 3	, и 2Л— ширина запретной области, являются опасными и
нужно стараться их избегать при конструировании антенного пере-
ключателя
Аналогичные зависимости от рассогласования цепи диода по вы
сской частоте имеют место и для пиковой мощности импульса, про-
сачивающегося через резонансные разрядники
Выбор расстояния I наиболее тщательно должен производиться
для узкополосных разрядников, обладающих высокой добротностью
Р
и дающих наибольшее отношение „— в опасных областях
гнем
Для защиты диода в период, когда аппаратура не включена
для непосредственной работы, имеет смысл предусматривать приме-
нение специальных заглушек, которые предохраняют диоды ог слу-
чайных водействий мощных сигналов В ряде случаев полезно также
включать заглушки приемного тракта в начальном периоде работы
передающего устройства, когда возможны аномальные нестационар
ные процессы (искрения, генерация на паразитной частоте и г д)
В этих условиях, как правило, наблюдается существенное увеличе-
ние просачивающейся мощности через защитные разрядники
Помимо заглушек дня защиты диода, особенно в приемниках, не
защищенных резонансными разрядниками, це несообразно приме
нять амплитудные ограничители, автоматически вносящие затухание
62
U тракт в Те моменты времени, когтд Мощность сигйаЛа превышает
допустимую для диода веппчину
Наиболее совершенными являются ферритовые ограничители
или управляемые газоразрядные аттенюаторы Могут применяться
также и механические системы, недостатком которых является их
большая инерционность
Одним из путей повышения надежности работы диодов в аппа
ратуре является создание эксплуатационного запаса по электриче
сноп прочности Экспдуатация диодов должна осуществляться при
электрических воздействиях, по величине меньших максимально до-
пустимых значений Запрещается использование диодов в йены г?
тельном режиме, принятом для оценки электрической прочности дно
iob при их производстве
ЛИТЕРАТУРА
1	Иванов С. Н, Пенин Н А, Скворцова Н. Е, Соко-
лов Ю Ф Физические основы работы полупроводниковых СВЧ
диодов Изд во «Советское радио», 1965
2	«Туннельные диоды и их применение в схемах переключения
и в устройствах СВЧ диапазона». Пер с англ под ред
А А Визеля. Изд во «Советское радио», 1965
3	Ян ч у к Е. В Туннельные диоды в приемно усилительных
устройствах. Изд во «Энер1ия», 1967
4	Кукарин С В. Современное состояние и тенденции развития
приборов СВЧ. Изд во «Советское радио», 1962.
5	М а т т е й. Последние достижения в области СВЧ приборов
на основе твердого тела «Зарубежная радиоэлектроника»,
№ 12, 1966
6	Эткии В. С, Гершензон Е М Параметрические системы
на полупроводниковых диодах Изд во «Советское радио»,
1964
7	Microwaves, 1965, v. 4, № 7.
8	Mi с го waves, 1967, v 6, № 4.
9	. «Радиотехника и электроника», 1966, № 11
10 Bell Laboratories Record, 1967, v 45, Xs 5
11 Electronics, 1966, v. 39, Xs 16
12 Electronics, 1967, v. 40, № 3
13 Electronics, 1967, v; 40, № 12
14 Electronics, 1967, v. 40, Xs 23
15. Microwave Journal, 1966, v. 9, Xs 3
16 Microwave Journal, *1967, v 10, Xs 3
17 Procudings of the IEEE, 1966, \ 54, X° 12
18 Microwave Journal, 1967, v 10, Xs 8
19 Microwave Journal, il966, v 9, Xs 12
20 ДАТА April—September, 1966
63
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .................................................. 3
I.	Принцип работы и конструкции СВЧ диодов	....	5
Назначение диодов и их классификация........... 5
Принцип работы ...................................... 9
Конструктивное оформление......................14
II.	Основные параметры и режимы работы СВЧ диодов .	.	18
Параметры диодов...............................18
Условия и режимы работы диодов.................31
Типовые зависимости параметров от режимов	работы	35
III.	Применение диодов в аппаратуре................38
Основные схемы СВЧ узлов на диодах.............38
Перспективы усовершенствования СВЧ диодов	...	41
IV.	Правила эксплуатации и хранения СВЧ диодов	...	51
Меры предосторожности..........................51
Проверка годности диодов ....	  53
Правила хранения ................................... 57
Защита диодов от «выгорания»...................60
Литература.........................................63
АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ ГОРБАЧЕВ
СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ КУКАРИН
Полупроводниковые СВЧ диоды
Редактор Л. В. Голованова
Художественный редактор В. Т. Сидоренко
Технический редактор Г. 3. Шалимова
Корректоры Е. П. Озерецкая. Н. М. Белякова
Сдано в набор 2/1V 1968 г.	Подписано к печати 20/VHI 1968 г.
Т-Э8487 Бумага типографская машиномелованиая Формат 84ХЮ8/32
Объем 3,36 усл л.	Уч.изд. л. 3,645	Тираж 34 000 экз.
Издательство „Советское радио* Москва, Главпочтамт, п/я 693.
Зак. 1252	Цена 19 коп
Московская типография № 10 Главполнграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР.
Шлюзовая иаб , 10.