Harmonic Generation, Rectificati

阶跃恢复二极管谐波产生，整流，寿命评估

总结

本文讨论了一种p-n结器件，该器件被称为“分步恢复二极管”，因为其反向恢复过程中的电导率变化近似于一个阶跃函数。该二极管从反向存储导通到截止的转变可能发生在大约一纳秒的时间内，并且可能产生高达大约安培和/或一百伏特的相关不连续性。

该阶跃恢复动作可以方便地用于生成在千兆周期区域中非常富含高次谐波的波形。在许多情况下，与其他二极管谐波发生器相比，它在电路简单性和功率处理能力方面具有明显优势。本文关注与该二极管与其电路正确配合所要考虑的因素，并评估可以实现的性能。作为该分析的副产品，获得了对整流效率的综合评估，该评估对常规整流器电路中的许多常规半导体二极管很有用。该分析还提供了一种方便的方法来评估半导体二极管的寿命，该方法在分数纳秒范围内特别有用，因为它可以分离出电容效应。

介绍

半导体二极管由于其非线性特性而被广泛用作谐波产生元件。根据二极管的设计及其工作条件，非线性特性可能存在深远的通用差异。非线性行为的这些差异导致谐波产生能力的根本差异。

谐波产生二极管通常在其反向饱和区域内工作，以避免正向导通和雪崩击穿。在这些条件下，二极管将充当具有一些耗散的电压可变电容器。已经发现，转换效率会随着谐波次数的增加而迅速下降，因为可用的谐波功率输出会如此迅速地下降。因此，在这种模式下有效地产生谐波通常需要一连串的倍频器和三倍频器。上述几名工人报告了允许间歇性正向传导时的性能有所改善，尽管他们的分析仅限于反向传导。

如果谐波产生二极管以间歇性正向导通运行，则其动态性能将在很大程度上取决于少数载流子寿命和结延迟场。少数载流子寿命决定了反向恢复开始时保留在结中的电荷存储量以及恢复期间载流子复合的速率。结场决定了存储电荷通过存储传导从结中去除的可用性，因此决定了从存储传导过渡到截止的速度。

如果假定少数载流子寿命接近零，那么二极管响应将接近电压相关电阻的响应，因为此时不涉及任何存储。第[10]页显示，零寿命二极管可实现的最大转换效率为1 / n2，其中n为谐波数。

另一方面，如果假定少数载流子寿命接近无限值，则二极管响应将接近电压依赖性电容器的响应。由于存储的电荷分散，磁滞将与该二极管的循环激励相关，这将有助于二极管的耗散。该滞后将随着增加的延迟场梯度而减小。

本文专门研究那些具有高结延迟场和有限寿命的二极管的电路特性。 在操作上，这些二极管非常突然地从反向存储传导切换为截止。 该装置用于产生谐波的值在很大程度上取决于该转变的速度，并且取决于在该转变之前是否存在适当的反向存储传导阶段。

在反向恢复的初始阶段，由于与小型载流子存储相关的电导率调制，该二极管的电导率将基本上保持在其正向导通值。 该存储传导阶段将持续到通过反向电流和少数载流子的重组而耗尽了由正向传导导致的所存储的少数载流子。

阶跃恢复二极管的动态行为在很大程度上取决于与其相关电路的电流，电压和辅助阻抗水平。本文关注逐步恢复二极管与其产生谐波的电路正确配合的因素，并评估可实现的性能。

作为该分析的副产品，获得了对整流效率的综合评估，这通常可用于常规整流器电路中的许多常规半导体二极管。而且，推导了一种方法，该方法允许方便地评估分数纳秒范围内的二极管寿命。

阶跃恢复二极管

Moll等人对阶跃恢复二极管的基本物理机制和行为进行了广泛的讨论。 从该论文中可以看出，二极管应具有与寿命和雪崩击穿考虑相一致的尽可能高的结梯度，并且存在一个最佳结面积，该结面积可以最大程度地补偿由于电容性负载和电荷存储分散引起的过渡性能下降。

动态平衡

假定图1（a）所示的传统半波整流器电路为常规原型。 可以看出，该电路非常通用。 为了评估其谐波产生能力，首先必须评估施加正弦激励i时产生的动态平衡条件。

为了进行该计算，假定阶跃恢复二极管具有从反向存储导通到截止的瞬时过渡。 它的特征还在于以下参数：

这些二极管特性的假定形式如图1（e）所示。 所有这些参数在某种程度上都与温度有关，并且给定二极管的合适参数值的选择将取决于其动态操作范围。

如果将此电路用作检测器，则注意力将集中在跨C的直流电压上。对于谐波的产生，二极管电压或电流波形具有重要意义。 与该电路的响应相关的稳态波形如图2所示。基本上，当电源电压超过C两端的dc电平加上势垒（或偏置）电势时，二极管正向导通（电流起始角6）。 二极管的电流（io）。 在电源电压降至低于启动电流的水平之后的一段时间内，二极管电流将继续流过（导电率4）。 当存储的电荷再次下降到零时，二极管电流停止。

整流效率

即使给定二极管的恢复特性与假定的阶跃特性有很大出入，只要为等效寿命选择了适当的值，该评估结果也将给出良好的近似值。从该曲线图中可以看出，给定二极管的正向电阻和反向电阻可能构成与寿命有关的对整流效率的最终极限。对于给定二极管的低信号电平操作，此考虑将变得尤为重要，因为正向和反向电阻会彼此接近。在非常高的频率下，二极管电感和辅助电容起着越来越重要的作用，因此，只要不考虑这些参数，就可以预期偏离图3预测的性能。通常，低反向电压扩散二极管比合金二极管更易于接近阶跃恢复特性。较高电压的二极体和PIN类型将分离得最远，这仅是因为它们的延迟场很低，而且还因为可能会产生短暂的过渡。

逐步恢复二极管谐波产生

任何谐波发生器的惯用要求可以用以下术语表示：

输出功率；转换效率；输出光谱纯度；稳定性和可靠性；简便灵活；成本。

在这里，我们将尝试以足够的精度评估阶跃恢复二极管谐波发生器的性能，以建立最终性能，允许根据上述要求进行评估，并提供电路设计理念。

1）输出功率

图4展示了用于谐波发生的假定原型电路。它与图1（a）相似，不同之处在于发生器阻抗得到了概括，并增加了谐振腔滤波器和负载。为了阻抗匹配的考虑，假定了腔的磁磁场激励，这将在后面讨论。从滤波器的输入端看，可以通过求解等效的戴维宁电流发生器来分析该电路的行为。感兴趣的特定谐波分量将代替实际电流源。另一方面，滤波器和其负载将通过连接负载的滤波器的输入阻抗来表征。谐波源电流取为图1和2中定义的二极管电流。此初始公式假设Z.是电阻性的，滤波器的引入和负载不会明显影响阶跃恢复二极管的作用，并且电流中断是瞬时的。放松这些假设将被视为扰动。实际上，二极管的导通间隔和截止特性都将受到滤波器和负载的引入的影响，因为反射信号会改变导通的开始和终止。这种相互作用的程度以及前述假设的有效性将取决于驱动电路与空腔的耦合的紧密度，并因此取决于输出功率。考虑谐波源电流，它定义为两个区域：

可以通过本征傅立叶分析来评估与该波形相关的谐波频谱

谐波含量与步幅成正比，与谐波数成反比，这可能已经预料到了。 相比之下，半波整流器波形会产生与n-2成正比的谐波，因此随着谐波数的下降非常迅速。 两种典型电流波形的谐波频谱计算结果如图5所示。阶跃幅度作为coWr和0的函数，如图6所示。

在图6中可以看到，偏置的优势在于可以实现大于1的归一化阶跃幅度（这是没有偏置时的最大值），并且还可以补偿二极管寿命的变化。 也可以用较少的二极管存储和导通角来实现等效的过渡幅度。 这有助于提高过渡速度，并减少驱动电路对空腔的负载； 因此产量可能会增加。 在某些情况下，可能希望省去由RdC网络产生的自偏置，而引入一个任意的外部偏置EDC，如图1（e）所示。 然后可以直接计算出Sin 0。

自偏置通常更易于使用，此外，它可能会产生更稳定的输出。

寿命评估方法

这些先前的考虑产生了一种用于评估二极管寿命的优雅技术。可以看出，该方法是特别有用的，因为它允许使用容易获得的测试设备在亚纳秒级缝隙中进行寿命评估，并且避免了二极管电容和电感对这种测量的常规模糊。

此测试的设置如图9（a）所示。对二极管和串联电阻施加正弦激励，并通过采样示波器观察二极管电流（电阻电压）。可能需要镇流器网络来保持信号发生器在周期内更均匀的负载，从而使激励波形的失真最小。为了实现最佳匹配，镇流电阻应接近发电机辅助线性的阻抗，二极管负载电阻Rs应较高。但是，可以看出，如果R i太高，则在存储和电容性传导之间的区别将消失，并且该测试将失去其价值。通常必须使镇流器网络的电感损失最小化，以保持足够的稳定性。为了确定合适的网络，可能需要进行一些实验，图8所示的激励系统通常适用于该测试R，通常为采样示波器的50欧姆输入阻抗。

这是所寻求的结果。 一个示例将最好地证明此表达式的用法。 假设有一个可用的信号源，它将在10至50 Mc下将3 v传送到50 ohms，并且发生器的源阻抗为50欧姆。 假设镇流器网络由100欧姆

为了获得1 ns左右的线性读数，调整示波器的水平位置控制，使基线（不带二极管）沿水平轴放置。 在二极管就位的情况下，然后设置示波器增益，使得与if相关的偏转为5 cm。 在这些条件下，如果采用1厘米的过冲来对应1 ns的使用寿命，则适当的激励频率为

该激励频率将给出约0.1至1.5纳秒的线性寿命读数。 如果在0.1纳秒范围内需要更好的分辨率，则将需要更高的激励频率。 重要的是要注意，如图9（b）所示，ipr不是从基线读取，而是从外推电容导线读取，以消除电容电流贡献。

除了使用寿命外，从图9（b）的表示一目了然，可以获得有关二极管的大量信息。 可以根据峰值前向挠度来评估前向电导率，可以根据电容性导电相位的斜率来评估电容，可以看出向截止的过渡是快还是慢。

该测试避开了在没有明确定义的端点的情况下为二极管寿命建立操作定义的常见问题，因为峰值过冲具有唯一的值。