Низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотный диоды (НЧ, ВЧ и СВЧ) - особенности, классификация, принцип работы, конструкция, диагностика

Привет, Вы узнаете о том , что такое сверхвысокочастотный диод, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое сверхвысокочастотный диод, высокочастотные диоды, нч диод, вч диод, свч диод, высокочастотный диод, сверхвысокочастотные диоды , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

Низкочастнотный диод ( нч диод )

Под низкочастотным диодом часто имеют ввиду диод переменного тока (диод ПТ) или диод работающих на низких частотах . В общем, диод - это полупроводниковый прибор, который позволяет току протекать только в одном направлении, благодаря наличию pn-перехода (перехода между положительной и отрицательной областями) в его структуре. Такие диоды часто являются выпрямительными , низкочастотными и используются для преобразования переменного напряжения в постоянное

Это могут быть, например, низкочастотные выпрямители, детекторы, модуляторы и другие устройства, предназначенные для работы с низкими частотами сигнала.

Важно отметить, что термин "низкочастотный" относителен и может варьироваться в зависимости от контекста применения. Например, для электроники сигналы низких частот могут быть сотнями килогерц или даже меньше, в то время как для радиосвязи сигналы могут считаться низкочастотными при нескольких мегагерцах.

Основные характеристики диода:

1. Прямое напряжение (Forward Voltage, Vf): Это напряжение, которое необходимо приложить к диоду в прямом направлении (от анода к катоду), чтобы диод начал пропускать ток.

2. Обратный напряжение (Reverse Voltage, Vr): Это максимальное обратное напряжение, которое может быть приложено к диоду без его разрушения.

3. f_макс. - максимально-допустимая частота переключения диода и
   f_раб. - рабочая частота переключения диода; именно эти параметры и повляляли на классификацию диодов в зависимости о частоты цепей которых они применяются

высокочастотный диод ( вч диод )

Высокочастотный диод — полупроводниковый диод с p-n переходом, имеющий малую собственную конструктивную и барьерную емкости и малое время восстановления обратного сопротивления.

Применяется в схемах смесителей и для выпрямления (детектирования) высокочастотных сигналов. Условно к высокочастотным диодам относят диоды предназначенные для работы на частотах до 600 МГц. сверх высокочастотные диоды ( свч диод ы) — до нескольких десятков ГГц.

При изготовлении высокочастотных диодов принимают меры для снижения емкостей и снижения времени обратного восстановления, для чего уменьшают площадь перехода, например, это достигается в точечных диодах и легируют кремний золотом, поэтому такие диоды имеют невысокие предельно-допустимые параметры по прямому току и обратному напряжению — до десятков миллиампер и десятков вольт.

Основные существенные для применения параметры высокочастотных диодов это его емкость и предельная частота, на которой диод сохраняет свои выпрямительные свойства. Также в спецификациях на такие диоды часто указывают время обратного восстановления при заданном прямом токе или заряд восстановления — заряд неосновных носителей накопленный в базе диода при прохождении прямого тока.

Высокочастотным диодом называется диод, предназначенный для преобразования переменного (двухполярного) тока в постоянный (однополярный) ток высокой частоты. Частота тока, пропускаемая высокочастотным диодом на много выше частоты тока, пропускаемого выпрямительным диодом.

Высокочастотные диоды изготавливаются из германия или кремния, p–n переход имеет точечную конструкцию. Такая конструкция p–n перехода характеризуется барьерной емкостью небольшой величины (не более 1пФ). Это позволяет использовать диод для пропускания высокочастотных токов. Однако малая площадь контакта p–n перехода не позволяет рассеивать значительную мощность. Поэтому высокочастотные диоды менее мощные, чем выпрямительные и применяются в схемах с напряжением не выше нескольких десятков вольт при токе порядка десятков миллиампер.

Рисунок 1.10 – Вольтамперная характеристика диода (а), графическое обозначение (б) и полярность прямого включения

Вольтамперная характеристика высокочастотного диода в общем виде повторяет вольтамперную характеристику выпрямительного диода (рисунок 1.10,а). Графическое обозначение высокочастотного диода (рисунок 1.10,б). Влияние температуры на величину обратного тока сказывается слабее, чем в плоскостных диодах – удвоение обратного тока происходит при приращении температуры на 15÷20˚С. Ниже названы основные электрические параметры высокочастотных диодов и их ориентировочные значения:

• Iпр – прямой ток (десятки мА),
• Iобр – обратный ток (единицы mкА),
• Uобр – максимальное обратное напряжение (десятки В)
• fmax – максимальная рабочая частота (сотни МГц),
• Сб – емкость диода (доли – единицы пФ).

Широко применяются высокочастотные диоды в детекторах амплитудно и частотно модулированных сигналов, в различных устройствах преобразования высокочастотных сигналов.

сверхвысокочастотный диод (СВЧ диод)

Сверхвысокочастотный диод — полупроводниковый диод, предназначенный для работы в диапазоне СВЧ.

Классификация

Существует несколько классов СВЧ диодов:

• Смесительный;
• Детекторный;
• Параметрический;
• Переключательный;
• Ограничительный;
• Умножительный;
• Настроечный;
• Генераторный.

Диоды СВЧ подразделяют на:

• смесительные (например, 2А101 — 2А109);
• детекторные (например, 2А201 — 2А203);
• параметрические (например, 1А401 — 1А408);
• переключательные и ограничительные (например, 2А503 — 2А524);
• умножительные и настроечные (например, 2А601 — 2А613);
• генераторные (например, 3А703, 3А705).

В зависимости от внутреннего строения диода и используемых в нем физических эффектов диоды СВЧ различных типов подразделяются на большое число подтипов. Часто диоды одного подтипа могут использоваться в функциональных узлах различного назначения. Например, в некоторых случаях диоды СВЧ умножительные могут применяться в смесителях и т. д. Наиболее известны и распространены следующие виды диодов СВЧ:

• лавинно-пролетные диоды (диоды Рида, диоды Мисавы, диоды Тагера и т. д.);
• p-i-n диоды;
• диоды Ганна;
• точечно-контактные диоды;
• диоды с переходом («барьером») Шоттки или Мотта.

Диод со структурой p-i-n содержит между двумя сильно легированными областями высокой проводимости n+ и p+ активную базовую i-область (от англ. intrinsic — собственный) с низкой (близкой к собственной проводимости полупроводникового материала) проводимостью и большим временем жизни носителей заряда, то есть p-i-n-переход. Это позволяет снизить емкость перехода и повысить частоту работы элемента. Проводимость диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения. Обедненный слой существует почти во всей области собственной электропроводности, которая имеет постоянную ширину даже при обратном включении. Область собственной электропроводности может быть расширена с помощью увеличения зоны рекомбинирования электронов и дырок. Этим обуславливается применение p-i-n-диодов в фотодетекторах.

Переключательные СВЧ диоды

Переключательные СВЧ диоды предназначены для применения в устройствах коммутации СВЧ сигналов (в защитных устройствах, в устройствах переключения типа “прием/передача”, в сканируемых антенных решетках и т.п.). Работа таких диодов основана на изменении их полного сопротивления на частоте сигнала в зависимости от величины и полярности напряжения смещения. Переключательные диоды бывают двух типов — резонансные и структуры p‑i‑n (см. диоды структуры p-i-n).

В резонансных диодах используется возможность получения последовательного или параллельного резонанса контура, составленного из реактивностей диода. Параметры схемы подбирают таким образом, чтобы при прямом смещении возникал резонанс параллельного контура, характеризующийся большим сопротивлением. При обратном смещении наступает резонанс последовательного контура и сопротивление диода резко падает. Такие диоды позволяют коммутировать СВЧ сигнал мощностью до 1 кВт в импульсном режиме и до 10 Вт в непрерывном режиме с временем переключения не более 20 нс.

Для повышения уровня коммутируемой мощности требуется увеличивать площадь перехода, что приводит к росту его емкости. Увеличение площади перехода при незначительной емкости достигается в p-i-n-диодах. Основой любого pp-ii-nn-диода является многослойная полупроводниковая структура, наиболее простой вид которой показан на рис. 2.8-4.

Рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 2.8-4. Структура p-i-n-диода

Высокоомная внутренняя ii-область имеет обычно толщину от единиц до сотен микрон, концентрация носителей заряда в ней составляет примерно 10¹³ см^‑3. Если источник внешнего постоянного напряжения подключен положительным полюсом к слою p, а отрицательным — к nn, то в i-слое увеличивается концентрация электронов и дырок из-за инжекции дырок из pp‑области и аккумуляции электронов из nn-области. При этом концентрация инжектированных носителей составляет 10¹⁶...10¹⁷ см^-3. Через структуру протекает постоянный ток прямого направления. Обычно плотность тока составляет около 10 А/см². При обратном смещении количество носителей в ii-слое падает относительно начального значения (10¹³ см^-3) еще примерно на порядок. Таким образом, количество носителей в ii-слое при переходе от режима прямого тока к режиму обратного смещения меняется на четыре порядка. Примерно также меняется проводимость i‑слоя.

Вольт-амперная характеристика p-i-n-диода, снятая на постоянном токе, качественно не отличается от вольт-амперной характеристики p-n-диода (рис. 2.8‑5). Главной отличительной особенностью p-i-n-диода является то, что он представляет собой инерционную нелинейность. Механизм воздействия на диод напряжения СВЧ радикально отличается от воздействия постоянного напряжения или напряжения сравнительно низких частот.

Рис. 2.8-5. Статическая вольт-амперная характеристика p-i-n-диода и воздействие на него СВЧ сигнала

При воздействии на диод прямого постоянного тока в i-слое появляется накопленный заряд. При параллельном включении диода в передающую линию в нем протекает ток СВЧ. Влияние этого тока на накопленный заряд, т.е. на проводимость диода, много слабее, чем постоянного тока. Это объясняется тем, что изменение заряда, происходящее в положительный полупериод тока СВЧ, много меньше накопленного заряда. При отрицательных полупериодах СВЧ колебаний, когда ток через диод должен был бы отсутствовать (рис. 2.8‑5), изменение накопленного заряда и соответственно проводимости диода также оказывается незначительным.

Разница в воздействии на проводимость диода постоянного и СВЧ токов возрастает с увеличением времени жизни носителей заряда и повышением частоты колебаний СВЧ. При нулевом или отрицательном смещении низкая проводимость диода, ввиду его инерционности, сохраняется при сравнительно больших напряжениях СВЧ. Короткие положительные импульсы напряжения продолжительностью менее половины периода СВЧ колебаний (рис. 2.8‑5) недостаточны для изменения проводимости диода. Таким образом, для СВЧ колебаний, как в режиме прямого тока, так и в режиме обратного смещения, p‑i‑n‑диод может в первом приближении рассматриваться как стационарный линейный двухполюсник.

Мощность коммутируемого pp‑ii‑nn‑диодами сигнала может достигать сотен киловатт в импульсе. Однако время переключения у этих диодов больше, чем у резонансных переключательных диодов, поскольку в основу их работы положены инерционные процессы инжекции и рассасывания носителей зарядов. При значительном увеличении СВЧ тока или снижении частоты колебаний в pp-ii-nn-диодах может наблюдаться изменение проводимости диода под влиянием СВЧ сигналов, а также эффекты детектирования. Эти явления, с одной стороны, снижают значение коммутируемой мощности, а с другой стороны — полезны при построении полупроводниковых ограничителей СВЧ.

К основным параметрам переключательных диодов относятся: потери запирания ( Lз) и потери пропускания ( Lпр), связанные с ними параметр качества (KK) и критическая частота диода ( fкр), время прямого и обратного восстановления, накопленный заряд и др.

Потери запирания ( Lз) и потери пропускания ( Lпр). Для любого переключательного диода характерны два основных режима работы. Первый режим — это такое состояние диода, когда коммутируемый им сигнал соответствующей мощности и частоты свободно проходит через коммутируемую цепь (режим пропускания). Второй режим заключается в блокировании диодом коммутируемой цепи на частоте коммутируемого сигнала (режим запирания). Коммутация осуществляется путем изменения сопротивления диода на рабочей частоте. Режиму запирания соответствует малое сопротивление, а режиму пропускания — высокое сопротивление. Для описания основных свойств диодного коммутатора в обоих режимах используется величина, равная отношению мощности СВЧ сигнала, подводимого к коммутационному устройству, к мощности проходящей через это устройство. Такое отношение, выражаемое обычно в децибелах, для режима запирания называется потерями запирания (LзLз), а для режима пропускания — потерями пропускания (LпрLпр). Зная потери можно легко определить мощность, рассеиваемую на диоде в том или ином режиме работы:

Очевидно, что в режиме запирания рассеиваемая мощность выше и не должна превышать значения максимально допустимого для конкретного используемого в схеме диода.

Качество диода (KK). Для обобщенной характеристики параметров потерь переключательного диода введен специальный коэффициент, который называется качеством переключательного диода. Этот коэффициент вычисляется по формуле:

Таким образом, качество диода не зависит от схемы его включения в линию, волнового сопротивления линии и т.д., а целиком определяется характеристиками внутренней pp‑ii‑nn‑структуры и параметрами сигнала.

Критическая частота (fкрfкр). Эффективность диодов при их применении в коммутационных устройствах СВЧ может быть оценена также с помощью такого параметра как критическая частота (fкрfкр). Критической частотой называется такая частота входного сигнала, при которой (при постепенном увеличении частоты) емкостное сопротивление структуры диода становится равным среднему геометрическому значению его активного сопротивления при прямом токе и обратном смещении.

В общем случае, для критической частоты выполняется:

где:

CдCд — емкость диода,

rпрrпр — прямое сопротивление потерь,

rобрrобр — обратное сопротивление потерь.

Критическая частота напрямую связана с качеством диода, которое может быть вычислено для рабочего сигнала с частотой ff по следующей формуле:

Обычно в системе параметров переключательного диода содержатся: критическая частота, емкость и СВЧ сопротивление при определенном значении прямого тока. Активное сопротивление диода при отрицательном смещении может быть найдено исходя из приведенных выше формул.

Детекторные СВЧ диоды

Одной из самых значимых разновидностей диодов являются диоды СВЧ детекторные.

Основным назначением детекторного диода является осуществление процесса выявления в модулированном напряжении низкочастотного сигнала, с опорой на который производят амплитудную модуляцию высокочастотных сигналов.

Роль детекторного диода выполняет преимущественно точечно-контактный диод или диод Шоттки. Самой значимой характеристикой данного элемента считают крутизну ВАХ в окрестности рабочей точки. Значение выходного напряжения детектора должно находиться в прямой зависимости от того, насколько мощный сигнал имеет СВЧ (квадрат входного напряжения).

Работа детекторного СВЧ диода преимущественно не предполагает, что рабочая точка будет смещаться. Но при фиксации слабого сигнала, будет уместно реализовать рабочую точку в зоне малого напряжения. Это возможно для СВЧ диодов прямосмещенного типа.

Определенное число детекторных диодов обладают характеристикой, приближенной к квадратичной. Как результат: с их помощью можно определить мощность СВЧ-колебаний.

Главными специальными характеристиками диодов детекторного типа считают:

• Токовая чувствительность;
• Чувствительность по напряжению;
• Качественный коэффициент.

Когда на СВЧ диод подается модулированный высокочастотный сигнал, то плюсом к нему по диоду течет ток. Если выявить, как относится показатель приращения выпрямленного диодом тока к СВЧ мощности, явившейся условием полученного приращения, то полученный результат будет являться показателем чувствительности по току. Эта величина определяется, если нагрузка задана, а рабочий режим уже установился.

Значение чувствительности по напряжению у детекторного СВЧ диода вычисляется подобным образом. Только вместо значения приращения тока используются данные по приращению напряжения. Зачастую эта характеристика определяется лишь у тех диодов, что применяются при детектировании сигналов импульсного типа. Необходимо помнить, что при повышении температуры уровень чувствительности имеет тенденцию к снижению.

Есть еще один значимый параметр для детекторных диодов — это тангенциальная чувствительность. Основное значение этого критерия — определение самой низкой границы воспринимаемого детектором сигнала.

Качественный коэффициент детекторного диода позволяет сразу оценить все базовые его параметры на предмет эффективности. Однако, вычисляется этот показатель по достаточно сложной формуле.

Эквивалентная схема СВЧ детекторного диода

Представить диод в виде системы с сосредоточенным параметрами можно, если линейные размеры его (длина корпуса, толщина перехода) малы
по сравнению с длиной волны.

Эквивалентная схема детекторного СВЧ диода показана на рисунке 9. Здесь переход представлен дифференциальными параметрами сопротивлением
перехода и барьерной емкостью С_БАР.
Потери в базе диода, омических переходах и выводах отображены последовательным сопротивлением
потерь rб, индуктивность выводов и контактной пружинки – L_К, конструктивная
емкость между выводами при отсутствии контакта с диодной структурой – С_К.
Из-за падения напряжения на r_б и L_К приложенное к переходу напряжения оказывается меньше, чем подведенное к диоду, а емкость С_К шунтирует его. Эти параметры называют паразитными. Типичные значения L_К – десятые доли наногенри
и С_К – десятые доли пикофарады, r_б – десятые доли или единицы ома. У бескорпусных диодов значения С_К и L_К меньше примерно на порядок, благодаря чему
их эффективность выше. Значение дифференциального сопротивления rпер может
изменяться в широких пределах в зависимости от положения рабочей точки ВАХ
диодов, значение С_БАР – десятые доли пикофарады.
Параметры схемы можно определить путем измерений на низких частотах
или приближенно на основе процесса выпрямления. Эквивалентная схема используется для расчета характеристик детекторного диода на высоких частотах.

Режимы работы детекторного СВЧ диода (выпрямляющие свойства)

Переходя к упрощенной эквивалентной схеме (рисунок 10,а), рассмотрим различные режимы работы диода.

а – упрощенная эквивалентная схема; б – прямое сопротивление; в – обратное сопротивление
Рисунок 10 – Режим работы диода

При положительном полупериоде , а емкость перехода незначительна,
поэтому прямое сопротивление R_ПР=r_б (рисунок10,б) ( ⋅ ).
При отрицательном полупериоде сопротивление rпер велико, поэтому и его влиянием можно пренебречь.

Следовательно, обратное сопротивление (рисунок 10,в).

Ограничиваясь областью частот, на которых , получим

Выпрямляющие свойства диода оцениваются с помощью коэффициента выпрямления:

Под U можно понимать амплитудное значение напряжения высокочастотного колебания, приложенного к диоду в режиме, когда отсутствует сопротивление нагрузки.
Таким образом

откуда условием эффективной работы диода является выполнение неравенства

Поэтому в СВЧ диодах стремятся уменьшить емкость CБАР, используя для
этого точечный переход. Для уменьшения rб берется низкоомный полупроводниковый материал.

Как проверить СВЧ диод на исправность?

Одна из самых часто встречающихся проблем — поломка высоковольтного СВЧ диода в СВЧ печи.

Специфика конструкции высоковольтных диодов

По своей конструкции диод СВЧ печи представляет собой большое количество последовательных соединений, образующих в итоге единую форму. Данный элемент имеет в своем составе выпрямительные диоды. Технологически они изготавливаются абсолютно одинаково, мало того, заключаются в общий корпус. Сборка высоковольтного диода не подразумевает использования конденсаторов и резисторов, которые могли бы выровнять напряжение.

Как итог: диоду данного типа свойственна нелинейная вольт-амперная характеристика. Потому данные по сопротивлению у высоковольтных диодов напрямую зависят от того, напряжение какой величины было приложено.

Такой характер сборки делает анализ работоспособности СВЧ диода достаточно затруднительным.

Важно помнить! Проверка СВЧ диода при помощи тестера — невозможно. При этом не будет точных показаний, данных по прямому и обратному сопротивлению тестер не продемонстрирует.

Куда лучше будет применить мультиметр. При этом снимать показания по сопротивлению необходимо и для прямого, и для обратного направления.

Перед подключением мультиметра необходимо установить на нем режим R x 1000. В результате, когда «+» вывод прибора подсоединяется к аноду СВЧ диода, сопротивление будет измерено по прямому направлению. Отображенная на дисплее величина при этом будет конечной. Когда подключение осуществляется через катод («-» вывод), то значение будет бесконечным.

Как на практике оценить состояние СВЧ диода?

Для оценки исправности диода в СВЧ-печи необходимо для начала выполнить следующие действия:

• Отсоединить прибор от электрической сети;
• Изъять высоковольтный диод из прибора (разъединив с электросхемой);
• Включить изъятый диод в осветительную сеть.

Для лампочки накаливания этой сети желательна невысокая мощность — где-то 15 В при подключении на 220 В. Важно, чтобы лампочка светила вполовину слабее возможного и явно мерцала.

Если при подключении СВЧ диода в прямом и обратном направлении так и происходит, то все в порядке. Если же после переворачивания диода характер свечения меняется, то это говорит о наличии «пробоя» и необходимости замены диодного элемента.

Другой способ, позволяющий проверить СВЧ диоды, потребует использования зарядного устройства от мобильных устройств или планшетов, которые стандартно обладают напряжением в 5 В. Помимо этого потребуется цешка (мультиметр).

После того, как все необходимое подготовлено, можно приступать к проверке:

• Изъятый из прибора СВЧ диод соединяется с цешкой;
• На время произведения замеров цешка(мультиметр) переключается на 10 В;
• Производится анализ полученных данных.

Если диод исправен, то приборный указатель остановится на отметке в 0,25 В (для прямого направления), либо не даст вообще никаких показаний (для обратного направления).

В случае наличия неисправностей или «пробоев» показания будут отсутствовать для обоих направлений.

Если были выявлены неполадки в работе СВЧ диода, то его необходимо заменить.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!:

• Полупроводниковый диод
• Стабилитроны
• Импульсные диоды
• Диоды Шоттки
• Варикапы ( Варикап )
• Туннельные диоды
• Обращенные диоды
• Полупроводниковые лазеры
• Лазерные диоды
• Выпрямительные диоды
• Обращенный диод
• pin-диод
• Высокочастотные диоды
• сверхвысокочастотные диоды
• Светодиоды
• Фотодиоды
• Лямбда- диод
• Кристаллический детектор
• Диодный мост
• p-n-переход

Исследование, описанное в статье про сверхвысокочастотный диод, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое сверхвысокочастотный диод, высокочастотные диоды, нч диод, вч диод, свч диод, высокочастотный диод, сверхвысокочастотные диоды и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база