Ingeniería de microondas - Componentes

En este capítulo, analizaremos los componentes de microondas, como los transistores de microondas y los diferentes tipos de diodos.

Transistores de microondas

Existe la necesidad de desarrollar transistores especiales para tolerar las frecuencias de microondas. Por lo tanto, para aplicaciones de microondas,silicon n-p-n transistorsque pueden proporcionar potencias adecuadas a frecuencias de microondas. Suelen tener 5 vatios a una frecuencia de 3GHz con una ganancia de 5dB. En la siguiente figura se muestra una vista en sección transversal de dicho transistor.

Construcción de transistores de microondas

Un n tipo capa epitaxial se cultiva en n+sustrato que constituye el colector. En estenregión, se hace crecer térmicamente una capa de SiO2. UNp-base y muy dopado n-emittersse difunden en la base. Las aberturas están hechas en Óxido para contactos óhmicos. Las conexiones se realizan en paralelo.

Dichos transistores tienen una geometría de superficie categorizada como interdigitada, superpuesta o matricial. Estos formularios se muestran en la siguiente figura.

Los transistores de potencia emplean las tres geometrías de superficie.

Los transistores de señal pequeña emplean geometría de superficie interdigitada. La estructura interdigitada es adecuada para aplicaciones de señales pequeñas en las bandas L, S y C.

La geometría de la matriz a veces se denomina malla o cuadrícula de emisores. Las estructuras Overlay y Matrix son útiles como dispositivos de potencia en las regiones UHF y VHF.

Operación de transistores de microondas

En un transistor de microondas, inicialmente las uniones emisor-base y colector-base tienen polarización inversa. Al aplicar una señal de microondas, la unión emisor-base se polariza hacia adelante. Si unp-n-pSi se considera el transistor, la aplicación de pico positivo de señal, polariza hacia adelante la unión emisor-base, haciendo que los orificios se desvíen hacia la base negativa delgada. Los orificios se aceleran aún más hasta el terminal negativo del voltaje de polarización entre el colector y los terminales de la base. Una carga conectada al colector recibe un pulso de corriente.

Dispositivos de estado sólido

La clasificación de los dispositivos de microondas de estado sólido se puede hacer:

• Dependiendo de su comportamiento eléctrico

  • Tipo de resistencia no lineal.

    Ejemplo: varistores (resistencias variables)

  • Tipo de reactancia no lineal.

    Ejemplo: varactores (reactores variables)

  • Tipo de resistencia negativa.

    Ejemplo: diodo de túnel, diodo Impatt, diodo Gunn

  • Tipo de impedancia controlable.

    Ejemplo: diodo PIN

• Dependiendo de su construcción
  • Diodos de contacto puntual
  • Diodos de barrera Schottky
  • Dispositivos semiconductores de óxido metálico (MOS)
  • Dispositivos de aislamiento de metal

Los tipos de diodos que hemos mencionado aquí tienen muchos usos, como amplificación, detección, generación de energía, cambio de fase, conversión descendente, conversión ascendente, modulación limitante, conmutación, etc.

Diodo varactor

Una capacitancia variable de voltaje de una unión polarizada inversa puede denominarse diodo Varactor. El diodo varactor es un dispositivo semiconductor en el que la capacitancia de la unión se puede variar en función de la polarización inversa del diodo. Las características CV de un diodo Varactor típico y sus símbolos se muestran en la siguiente figura.

La capacitancia de la unión depende del voltaje aplicado y del diseño de la unión. Lo sabemos,

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

Dónde

• $ C_j $ = Capacitancia de unión

• $ V_r $ = Voltaje de polarización inversa

• $n$ = Un parámetro que decide el tipo de unión

Si la unión tiene polarización inversa, los portadores móviles agotan la unión, lo que da como resultado cierta capacitancia, donde el diodo se comporta como un condensador, y la unión actúa como un dieléctrico. La capacitancia disminuye con el aumento de la polarización inversa.

La encapsulación del diodo contiene cables eléctricos que están conectados a la oblea semiconductora y un cable conectado a la caja de cerámica. La siguiente figura muestra cómo se ve un diodo Varactor de microondas.

Estos son capaces de manejar grandes potencias y grandes voltajes de ruptura inversa. Estos tienen poco ruido. Aunque la variación en la capacitancia de la unión es un factor importante en este diodo, las resistencias, capacitancias y conductancias parásitas están asociadas con cada diodo práctico, que debe mantenerse bajo.

Aplicaciones del diodo varactor

Los diodos varactores se utilizan en las siguientes aplicaciones:

• Conversión ascendente
• Amplificador paramétrico
• Generación de pulsos
• Dar forma al pulso
• Circuitos de conmutación
• Modulación de señales de microondas

Diodo de barrera Schottky

Este es un diodo simple que exhibe impedancia no lineal. Estos diodos se utilizan principalmente para la detección y mezcla de microondas.

Construcción del diodo de barrera Schottky

Un pellet semiconductor está montado sobre una base de metal. Un alambre cargado por resorte está conectado con una punta afilada a esta pastilla de silicio. Esto se puede montar fácilmente en líneas coaxiales o de guía de ondas. La siguiente figura da una imagen clara de la construcción.

Funcionamiento del diodo de barrera Schottky

Con el contacto entre el semiconductor y el metal, se forma una región de agotamiento. La región de metal tiene un ancho de empobrecimiento más pequeño, comparativamente. Cuando se hace contacto, se produce un flujo de electrones desde el semiconductor hasta el metal. Este agotamiento genera una carga espacial positiva en el semiconductor y el campo eléctrico se opone al flujo adicional, lo que conduce a la creación de una barrera en la interfaz.

Durante la polarización directa, la altura de la barrera se reduce y los electrones se inyectan en el metal, mientras que durante la polarización inversa, la altura de la barrera aumenta y la inyección de electrones casi se detiene.

Ventajas del diodo de barrera Schottky

Éstas son las siguientes ventajas.

• Bajo costo
• Simplicity
• Reliable
• Cifras de ruido de 4 a 5 dB

Aplicaciones del diodo de barrera Schottky

Estas son las siguientes aplicaciones.

• Mezclador de bajo ruido
• Mezclador equilibrado en radar de onda continua
• Detector de microondas

Dispositivos de efecto Gunn

JB Gunn descubrió fluctuaciones periódicas de la corriente que pasa a través del n-type GaAsespécimen cuando el voltaje aplicado excedió un cierto valor crítico. En estos diodos, hay dos valles,L & U valleysen banda de conducción y la transferencia de electrones ocurre entre ellos, dependiendo del campo eléctrico aplicado. Este efecto de la inversión de la población desde el valle L inferior al valle U superior se llamaTransfer Electron Effect y por lo tanto estos se llaman como Transfer Electron Devices (TED).

Aplicaciones de los diodos Gunn

Los diodos Gunn se utilizan ampliamente en los siguientes dispositivos:

• Transmisores de radar
• Transpondedores en control de tráfico aéreo
• Sistemas de telemetría industrial
• Osciladores de potencia
• Circuitos lógicos
• Amplificador lineal de banda ancha