Engenharia de Microondas - Componentes

Neste capítulo, discutiremos sobre os componentes de microondas, como transistores de microondas e diferentes tipos de diodos.

Transistores de microondas

É necessário desenvolver transistores especiais para tolerar as frequências de microondas. Portanto, para aplicações de microondas,silicon n-p-n transistorsque podem fornecer potências adequadas em frequências de microondas foram desenvolvidos. Eles estão normalmente com 5 watts em uma frequência de 3GHz com um ganho de 5dB. Uma vista em seção transversal de tal transistor é mostrada na figura a seguir.

Construção de transistores de micro-ondas

A n tipo de camada epitaxial é cultivada em n+substrato que constitui o coletor. Nistonregião, uma camada de SiO2 é crescida termicamente. UMAp-base e fortemente dopado n-emitterssão difundidos na base. As aberturas são feitas em óxido para contatos ôhmicos. As conexões são feitas em paralelo.

Esses transistores têm uma geometria de superfície categorizada como interdigitada, sobreposta ou matriz. Esses formulários são mostrados na figura a seguir.

Os transistores de potência empregam todas as três geometrias de superfície.

Transistores de sinal pequenos empregam geometria de superfície interdigitada. A estrutura interdigitada é adequada para aplicações de pequenos sinais nas bandas L, S e C.

A geometria da matriz às vezes é chamada de malha ou grade emissora. As estruturas de sobreposição e matriz são úteis como dispositivos de energia nas regiões UHF e VHF.

Operação de transistores de micro-ondas

Em um transistor de micro-ondas, inicialmente as junções base emissor e base coletor são polarizadas reversamente. Na aplicação de um sinal de micro-ondas, a junção emissor-base torna-se polarizada para frente. Se ump-n-pSe o transistor for considerado, a aplicação do pico positivo do sinal polariza a junção da base do emissor, fazendo com que os orifícios desviem para a base negativa fina. Os orifícios aceleram ainda mais para o terminal negativo da tensão de polarização entre o coletor e os terminais de base. Uma carga conectada ao coletor recebe um pulso de corrente.

Dispositivos de estado sólido

A classificação de dispositivos de micro-ondas de estado sólido pode ser feita -

  • Dependendo de seu comportamento elétrico

    • Tipo de resistência não linear.

      Exemplo - Varistores (resistências variáveis)

    • Tipo de reatância não linear.

      Exemplo - Varactores (reatores variáveis)

    • Tipo de resistência negativa.

      Exemplo - diodo túnel, diodo Impatt, diodo Gunn

    • Tipo de impedância controlável.

      Exemplo - diodo PIN

  • Dependendo de sua construção
    • Diodos de contato pontuais
    • Diodos de barreira Schottky
    • Dispositivos semicondutores de óxido de metal (MOS)
    • Dispositivos de isolamento de metal

Os tipos de diodos que mencionamos aqui têm muitos usos, como amplificação, detecção, geração de energia, deslocamento de fase, conversão para baixo, conversão para cima, modulação de limitação, comutação, etc.

Diodo Varactor

Uma capacitância variável de tensão de uma junção polarizada reversa pode ser denominada como um diodo Varactor. O diodo varator é um dispositivo semicondutor no qual a capacitância da junção pode ser variada em função da polarização reversa do diodo. As características CV de um diodo Varactor típico e seus símbolos são mostrados na figura a seguir.

A capacitância da junção depende da tensão aplicada e do projeto da junção. Nós sabemos isso,

$$ C_j \: \ alpha \: V_ {r} ^ {- n} $$

Onde

  • $ C_j $ = Capacitância da junção

  • $ V_r $ = Tensão de polarização reversa

  • $n$ = Um parâmetro que decide o tipo de junção

Se a junção for polarizada reversamente, as portadoras móveis esgotam a junção, resultando em alguma capacitância, onde o diodo se comporta como um capacitor, com a junção atuando como um dielétrico. A capacitância diminui com o aumento da polarização reversa.

O encapsulamento do diodo contém condutores elétricos que são anexados ao wafer semicondutor e um condutor conectado à caixa de cerâmica. A figura a seguir mostra a aparência de um diodo Varactor de microondas.

Eles são capazes de lidar com grandes potências e grandes tensões de ruptura reversa. Estes têm baixo ruído. Embora a variação na capacitância da junção seja um fator importante neste diodo, resistências parasitas, capacitâncias e condutâncias estão associadas a cada diodo prático, que deve ser mantido baixo.

Aplicações do Diodo Varactor

Diodos Varactor são usados ​​nas seguintes aplicações -

  • Conversão para cima
  • Amplificador paramétrico
  • Geração de pulso
  • Moldagem de pulso
  • Circuitos de comutação
  • Modulação de sinais de microondas

Schottky Barrier Diode

Este é um diodo simples que exibe impedância não linear. Esses diodos são usados ​​principalmente para detecção e mistura de microondas.

Construção do Diodo de Barreira Schottky

Um pellet semicondutor é montado em uma base de metal. Um fio com mola é conectado com uma ponta afiada a esta pelota de silício. Isso pode ser facilmente montado em linhas coaxiais ou de guia de onda. A figura a seguir dá uma imagem clara da construção.

Operação do Diodo de Barreira Schottky

Com o contato entre o semicondutor e o metal, uma região de depleção é formada. A região de metal tem menor largura de depleção, comparativamente. Quando o contato é feito, o fluxo de elétrons ocorre do semicondutor para o metal. Esse esgotamento cria uma carga espacial positiva no semicondutor e o campo elétrico se opõe ao fluxo adicional, o que leva à criação de uma barreira na interface.

Durante a polarização direta, a altura da barreira é reduzida e os elétrons são injetados no metal, enquanto durante a polarização reversa, a altura da barreira aumenta e a injeção de elétrons quase pára.

Vantagens do Diodo de Barreira Schottky

Estas são as vantagens a seguir.

  • Baixo custo
  • Simplicity
  • Reliable
  • Números de ruído 4 a 5dB

Aplicações do diodo de barreira Schottky

Estes são os seguintes aplicativos.

  • Misturador de baixo ruído
  • Misturador balanceado em radar de onda contínua
  • Detector de microondas

Dispositivos de efeito Gunn

JB Gunn descobriu flutuações periódicas de corrente passando pelo n-type GaAsamostra quando a tensão aplicada excedeu um certo valor crítico. Nestes diodos, existem dois vales,L & U valleysna banda de condução e a transferência de elétrons ocorre entre eles, dependendo do campo elétrico aplicado. Este efeito da inversão da população do vale L inferior para o vale U superior é chamadoTransfer Electron Effect e, portanto, são chamados de Transfer Electron Devices (TEDs).

Aplicações de Gunn Diodes

Os diodos Gunn são amplamente usados ​​nos seguintes dispositivos -

  • Transmissores de radar
  • Transponders no controle de tráfego aéreo
  • Sistemas de telemetria industrial
  • Osciladores de potência
  • Circuitos lógicos
  • Amplificador linear de banda larga