Шнитников А. С.

Московський енергетичний інститут (технічний університет) Кафедра напівпровідникової електроніки вул. Красноказарменная, 14, Москва – 111250, Росія Тел.: (095) 3627596, e-mail: ShnitnikovAS @ mpei. ru Гудкова Н. Б.

ФГУП НПП «Исток», м. Фрязіно, Моск. о6л.-141120, Росія. Тел.: (095) 4658618

Puc. 2. Розрахункові (1) і виміряні (2) обмежувальні характеристики.

Fig. 2. Calculated (1) and measured (2) power-limiting characteristics

Аналіз характеристик діода і обмежувального модуля виконується за допомогою програми змішаного приладно-схемотехнічного моделювання ISTOC, що базується на чисельному рішенні фундаментальної системи рівнянь напівпровідника з використанням одновимірної ізотермічної моделі. У схемі використовуються Si діоди з наступними параметрами: концентрація домішки в базовій n-області становить 2-1015 см-3 при рівні легування пріконтактной р+– І п+-Шарів відповідного20 і 1-1019 см-3; Час життя електронів і дірок приймається рівним 5 не. Товщина бази w для двох варіантів діодів дорівнює 1 і 1,5 мкм (активна площа структури відповідно 3,46-10-6 і 9,62-10-6 см2). Параметри структур наближені до параметрів діодів, використаних в експериментальних макетах. Обмежувальний каскад містить один p ​​/ n-діод, шунтувальний микрополосковой лінію з характеристичним опором 50 Ом. Щоб врахувати при моделюванні умова короткого замикання постійної складової струму діода (яке обов’язково реалізується на практиці), діод був умовно розбитий на два однакових зустрічно включених діода половинній площі [4].

III.Результати аналізу та випробувань

Розрахункова вольт-амперні характеристика pin-діода з w = 1,5 мкм наведена на рис. 1 спільно з виміряної ВАХ (показана штриховою лінією). На зміщення експериментальної кривої в область більш високих напружень може впливати послідовний опір, пов’язане з контактами.

На рис. 2 представлені обмежувальні характеристики на частоті 12 ГГц для 1-каскадних пристроїв з діодами, які мають товщину бази w, рівну 1 і 1,5 мкм. Можна відзначити задовільний згоду розрахункових характеристик з виміряними. Цікаво відзначити, що всі криві мають падаючий ділянку, найбільш яскраво виражений для діода з w = 1,5 мкм. Характеристики такого типу типові для толстобазових діодів, але в ряді випадків зустрічаються і для діодів з w порядку 1 мкм. Подібна поведінка може бути пов’язане з проявом «інжекційного пробою» [6]. В цьому випадку в певних умовах за кілька періодів СВЧ коливань в базі діода накопичуються інжектовані носії заряду в кількості, достатній для різкого зниження його імпедансу, що приводить до зменшення вихідної потужності.

Штрихові лінії P ^ / s на рис. 2 відповідають розрахованим значенням потужності, що розсіюється в діодах. При максимальній заданої вхідної потужності Рт = 25 Вт (на практиці використовується імпульсний режим) в діодах розсіюються потужності, рівні 5,10 і 5,36 Вт для w = 1mkm і w = 1,5 мкм відповідно. Вихідна потужність в обох випадках близька до 3,5 Вт Це означає, що діод більшої площі з w = 1,5 мкм знаходиться в більш вигідному тепловому режимі. Однак при більш низькій потужності на вході толстобазовий діод пропускає на вихід значно вищий сигнал.

I. Висновок

Створено 1-каскадні обмежувачі на тонкобазових p / n-діодах, здатні працювати в Х-діа-пазоне. З використанням методу математичного моделювання розглянуто вплив товщини бази діода на обмежувальну характеристику каскаду і на потужність, рассеиваемую в діоді. Підтверджена ефективність застосування фізико-топологічної моделі діода при проектуванні керуючих пристроїв НВЧ діапазону.

II. Список літератури

[1] Лебедєв І. В., Шнитников А. С, Купцов Е. І. Твердотільні СВЧ обмежувачі – проблеми і рішення (Огляд) / / Изв. Вузів. Радіоелектроніка. 1985. Т. 28,

№ 10. С. 34-41.

MODELING AND TESTING OF AN 1-STAGE MICROWAVE pm-DIODE LIMITER

ShnitnikovA. S.

Moscow Power Engineering Institute (Technical University)

14 Krasnokasarmennaya str., Moscow-111250, Russia Tel.: 095-3627596 e-mail: ShnitnikovAS@mpei.ru

Gudkova N. B.

Res. and Prod. Corp. «Istok»

141190, Fryazino, Moscow reg. Russia Tel.: 095-4658618

Abstract- The characteristics of an X-band p/n-diode limiter are presented. The one-dimensional numerical diode model is used for the analysis. The influence of the diode base thickness on the computed and measured power-limiting characteristic and on the power dissipated in the diodes is investigated.

I.  Introduction

The problems connected with the development of microwave limiters for radar and communication systems are getting more actual with the increase of the operating frequency [1-3]. The effective modeling technique helps to optimize the limiter diode structure.

The purpose of the present work is to analyze the characteristics of a simple 1-stage limiter with a silicon p/n-diode and to compare them to experimental data.

II. Analysis technique

The analysis is carried out using an 1-dimensional physical- topological diode model [4, 5]. The p/n-diode base has the thickness w of 1 |xm or 1.5 |xm with the doping level 2-1015 cm-3, the diode cross-section is respectively 3,46-10-6 and 9,62-10-6 cm[2]. The electron and hole lifetime equal to 5 ns is assumed. The structure parameters correspond to diodes used in the experimental device. The limiter stage is designed using the microstrip technique, the line characteristic impedance is equal to 50 Q.

III.  Analysis and measurement results

Calculated and measured current-voltage characteristics are given in Fig.1; the increased measured voltage may be attributed to the contact resistance.

The power-limiting characteristics at a frequency of 12 GHz are presented in Fig.2, the power dissipated in the diode is also calculated (dashed lines). The Pouf characteristics are N- type curves, which may be explained using the «injection breakdown» concept [6]. The output power maximum is more pronounced for the diode with 1.5-|xm base. The agreement between the computed and measured data may be considered satisfactory.

Under maximum input power Pin = 25 W (pulsed-power regime is used in the experiment), the diode with a thicker base is in a better thermal condition and ensures the same isolation, as the 1-|xm diode, but its peak output power is considerably higher.

IV.  Conclusion

Experimental 1-stage X-band p/n-diode limiters have been designed and tested. The influence of the diode base thickness on the power-limiting characteristics, as well as on the power dissipated in the diode is investigated. The used modeling technique has proved to be an effective tool for the development of microwave control devices.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»