Hапівпровідhиковий hвч діод

Изобретение относится к полупроводниковой СВЧ-электронике и может быть использовано при разработке радиотехнических приборов и устройств СВЧ. Имеется потребность в СВЧ полупроводниковых диодах, обеспечивающих высокие уровни выходной мощности (единицы Ватт и более). Однако, имеются факторы, ограничивающие получение этих уровней: это тепловые ограничения и потери СВЧ энергии, связанные со скин-эффектом, с согласованием диода с внешней системой и т.п. Известна также конструкция СВЧ полупроводникового диода, которая наиболее близка по технической сущности к заявляемой конструкции, содержащая активный полупроводниковый элемент в виде мезаструктуры кольцевой геометрии, размещенный на алмазном теплоотводе в металлокерамическом корпусе и соединенный с корпусом шестью ленточными выводами. Кольцевая геометрия позволила уменьшить тепловое сопротивление диода выбором размеров кольца и снизить электрические потери, связанные со скинэффектом в подложке. В данной конструкции размеры кольца выбираются из тепловых ограничений. Однако, как показывают расчеты, при увеличении диаметра кольца до размеров, позволяющих существенно увеличить выходную мощность, потери СВЧ-энергии, связанные со скин-эффектом в пролетной области (области взаимодействия) превышают потери носителей заряда в слое, кроме того, при этом существенно возрастает шунтирующее влияние внутрикольцевой емкости между контактными элементами и теплоотводом, что также ведет к уменьшению выходной мощности. Поэтому данная конструкция не является оптимальной и не позволяет увеличивать выходную мощность за счет увеличения размеров. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является усовершенствование конструкции генераторных и управляющих СВЧ полупроводниковых диодов (ЛПД, ДГ, -диодов) путем оптимизации их геометрических размеров и формы контактных элементов для достижения следующего технического результата - снижения СВЧ потерь, и за счет этого -повышения энергетических характеристик полупроводниковых СВЧ-диодов, в частности выходной мощности. Эта задача решается за счет того, что в полупроводниковом СВЧ-диоде, содержащем меза-структуру в виде кольца и диэлектрическую втулку, установленные соосно на металлическом теплоотводе, металлическую крышку в виде диска, присоединенную через контактный элемент к верхнему торцу диэлектрической втулки и к металлизированному торцу кольцевой мезаструктуры, согласно изобретению ширина кольца меза-структуры выбрана равной глубине скинслоя в области взаимодействия носителей заряда в полупроводнике и СВЧ поля, внешний радиус кольца рассчитывают по формуле: где - сопротивление меза-структуры единичной площади, Ом × м2; - ширина кольца, м; сопротивление внешней электродинамической системы, приводимое к меза-структуре, Ом, при условии, что а контактный элемент выполнен в виде полого усеченного конуса с кольцевыми выступами у оснований, причем выступ у большего основания, диаметр которого равен внутреннему диаметру диэлектрической втулки, размещен снаружи конуса, а выступ у меньшего основания, диаметр которого равен внешнему диаметру кольцевой меза-структуры, размещен внутри конуса. Приведенная формула позволяет оптимизировать конструкцию диода с точки зрения согласования диода с внешней системой, учитывая особенности выполнения самого диода, при этом учитывается то, что в реальных конструкциях величина превышает 0,1Ом. Выполнение меза-структуры в форме кольца, шириной равной глубине скин-слоя, и радиусом, рассчитанным по вышеприведенной формуле, позволяет оптимизировать конструкцию СВЧдиода с точки зрения уменьшения СВЧ потерь на скин-эффект в области взаимодействия носителей заряда в полупроводнике и СВЧ поля и уменьшения СВЧ потерь на согласование с внешней системой. Действительно, вся область, заполненная носителями заряда начинает эффективно взаимодействовать с СВЧ полем, и нет шунтирующего влияния внутренней области, так как глубина проникновения внешнего СВЧ поля меньше, чем в прототипе и поле полностью пронизывает активную область. В то же время рабочая площадь кольца может быть значительно увеличена по сравнению с прототипом, т.к. в заявляемой конструкции, вопервых, радиус меза-структуры, рассчитанный согласно вышеприведенной формуле, больше (в 2 - 3 раза) радиуса меза-структуры в прототипе, в котором радиус и толщина выбирались из тепловых ограничений, что приводит к увеличению площади излучения в 2 - 3 раза, и, во-вторых, потери СВЧ-энергии в самом полупроводнике существенно снижены из-за того, что ширина кольца равна толщине скин-слоя, что приводит в итоге к увеличению выходной мощности в 2 - 3 раза. Дополнительно выполнение контактного элемента в форме усеченного конуса привело к дополнительному, более чем на порядок, уменьшению шунтирующего влияния емкости контактного элемента (из-за уменьшения емкости конденсатора, образуемого между крышкой и теплоотводом), на которую нагружена мезаструктура с внутренней стороны кольца, что улучшает согласование меза-структуры с нагрузкой, а значит снижает СВЧ потери на согласование и тем самым позволяет увеличить выходную мощность. Одновременно имеет место расширение рабочей полосы частот диода (по той же причине). В результате предлагаемая конструкция позволяет увеличить мощность по сравнению с обычными СВЧ-диодами на порядок, а с СВЧдиодами, имеющими кольцевые меза-структуры в 2 - 3 раза. На чертеже (фиг.) изображен полупроводниковый СВЧ-диод, в разрезе. Полупроводниковый СВЧ-диод содержит цилиндрический посеребреный медный теплоотвод 1, к которому термокомпрессией присоединена рубиновая диэлектрическая втулка 2, меза-структуру, в качестве которой используется кремниевый лавинно-пролетный диод (ЛПД) в виде кольца 3 и которая установлена на теплоотводе 1 соосно с диэлектрической втулкой 2 и присоединена термокомпрессией к теплоотводу. Контактный элемент 4, выполненный в виде полого усеченного конуса из золота, осуществляет электрическую связь между кольцевой мезаструктурой и крышкой корпуса 5. Диод работает следующим образом. При подаче рабочего напряжения на теплоотвод 1 корпуса, служащий одним из выводов меза-структуры 3, и на металлическую крышку 5, имеющую электрический контакт со вторым выводом меза-структуры 3 через контактный элемент в виде полого усеченного конуса 4, в электродинамической системе полупроводникового СВЧ-диода, возбуждаются электромагнитные колебания типа которые связаны с внешней электродинамической системой через внешнюю открытую боковую поверхность диэлектрической втулки. Технология изготовления предлагаемого полупроводникового СВЧ-диода не отличается от технологии сборки известных корпусированных СВЧ-диодов.