P-i-n – ДИОДЫ

Общие сведения:

В 60-е годы началось широкое продвижение полупроводниковой электроники в СВЧ диапазон, перекрывающего область частот от 0,03 ГГц до 1000 ГГц (с длинами волн от 100 см до 0,3 мм). Первоначально управление амплитудой СВЧ сигналов пытались осуществлять с помощью имевшихся смесительных и выпрямительных диодов СВЧ. Естественно, что эффективность приборов была при этом крайне низкой. Положение резко изменилось с появлением специально разработанных коммутационных (переключающих) p-i-n-диодов.

В настоящее время широко применяются кремниевые диоды с p-i-n-структурой, в которой две сильнолегированные области p⁺- и n⁺-типа разделены достаточно широкой слаболегированной областью n- или р-типа с проводимостью, близкой к собственной (i -область). Наиболее простой вид такой структуры выполнен в соответствии с рисунком 1.22. Из-за малой концентрации примесей электрическое поле существует во всей i -области даже при нулевом напряжении, т.е. центральная область полностью обеднена носителями зарядов. Распределение электрического поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного p-n-перехода). С другой стороны из-за высокой концентрации примесей в n⁺- и р⁺- слоях обедненный слой в них распространяется на очень малое расстояние. Следовательно, толщина обедненного слоя приблизительно равна толщине i -области. Таким образом, всю структуры можно принять за плоский конденсатор, «обкладками» которого являются узкие (из-за большой концентрации носителей в p⁺- и n⁺-областях) слои зарядов доноров и акцепторов. Барьерная емкость p-i-n диода определяется размерами i -слоя, площадью переходов и практически не зависит от прикладываемого к диоду напряжения.

Рисунок 1.22 – Структура p-i-n-диода

Принцип работы p-i-n-диодов:

Высокоомная внутренняя i -область p-i-n-диода имеет обычно толщину от единиц до сотен микрометров, а концентрация носителей заряда в ней составляет примерно 10¹³ см^-3. При прямом смещении (положительный потенциал — к слою р⁺, а отрицательный – к слою n⁺) в центральную область инжектируются электроны из n⁺ слоя и дырки из р⁺-слоя. При этом концентрация инжектированных носителей будет составлять от 10¹⁶ до 10¹⁷ см^-3. Т.к. концентрация инжектированных носителей пропорциональна прямому току, то через структуру будет протекать значительный (около 10 А/см²) постоянный ток I_ПР прямого направления и i -область будет обладать высокой проводимостью.

При обратном смещении количество носителей из-за явления экстракции в i -слое будет падать относительно равновесного значения примерно на порядок. Таким образом, количество носителей в i -слое при переходе от режима прямого тока (прямого смещения) к режиму обратного смещения изменяется на несколько порядков. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному возрастанию сопротивления i -области по сравнению с равновесным состоянием. Примерно так же меняется и проводимость i -слоя. Поэтому для p-i-n диода характерно очень большое отношение прямого и обратного сопротивлений, что важно при использовании их в переключательных режимах: в зависимости от вида управляющего сигнала (прямое или обратное смещение) p-i-n диод пропускает или не пропускает СВЧ-сигнал через линию, в которую включен прибор.

Вольт-амперная характеристика p-i-n-диода, снятая на постоянном токе, качественно не отличается от вольт-амперной характеристики p-n-диода

P-i-n диоды включают в передающую линию (коаксиальную, микрополосковую и др.) последовательно или параллельно в соответствии с рисунком 1.23.

а) параллельное включение б) последовательное включение

Рисунок 1.23 – Схемы включения p-i-n диода в передающую линию

Принцип действия основан на том, что управляющий сигнал изменяет дифференциальное сопротивление перехода и, значит, активное сопротивление диода и коэффициент отражения от него СВЧ-сигнала. В зависимости от управляющего сигнала p-i-n-диод может находиться в одном из двух состояний, когда он или не пропускает или пропускает СВЧ-сигнал через линию. В первом случае СВЧ-тракт открыт, а во втором- закрыт. В открытом состоянии коэффициент отражения близок к нулю, а в закрытом – к единице по модулю.

Таким образом, p-i-n-диод представляет собой инерционную нелинейность, которая при воздействии на диод напряжения СВЧ принципиально отличается от воздействия постоянного напряжения или переменного напряжения сравнительно низких частот.

При воздействии на диод прямого постоянного тока I_ПР в i -слое появляется накопленный заряд

, (1.36)

где – время жизни носителей заряда.

При параллельном включении диода в передающую линию в нем будет протекать ток СВЧ I_m, эффективное значение которого равно

I_m= , (1.37)

где Р – мощность генератора;

z₀ – волноводное сопротивление линии передачи.

Влияние тока СВЧ на накопленный заряд, т.е. на проводимость диода, много слабее, чем влияние постоянного тока. Этот эффект объясняется тем, что изменение заряда, происходящее в положительный полупериод тока СВЧ, много меньше накопленного заряда, определяемого по формуле (1.36). При отрицательных полупериодах СВЧ сигналов, когда ток через диод должен был бы отсутствовать, изменение накопленного заряда и соответственно проводимости диода также оказывается незначительным.

С увеличением времени жизни носителей заряда и повышением частоты колебаний СВЧ сигналов, разница в воздействии на проводимость диода постоянного и СВЧ токов возрастает. Изменение накопленного заряда во времени t при одновременном воздействии на диод постоянного прямого тока и тока СВЧ с амплитудным значением I_m и угловой частотой может быть выражено как

(1.38)

При нулевом или отрицательном смещении низкая проводимость диода, ввиду его инерционности, сохраняется при сравнительно больших амплитудах СВЧ сигнала. Короткие положительные импульсы напряжения продолжительностью менее половины периода СВЧ колебаний недостаточны для изменения проводимости диода. Таким образом, для СВЧ сигналов p-i-n-диод в первом приближении может рассматриваться как стационарный линейный двухполюсник, причемкак в режиме прямого, так и в режиме обратного смещений.

Параметры p-i-n-диодов:

Эквивалентные схемы p-i-n-диодов (корпусного и бескорпусного) имеют вид в соответствии с рисунком 1.24. На этой схеме С – емкость p-i-n-структуры, r_s – сопротивление потерь в сильнолегированных областях, омических контактах и выводах диода, L – индуктивность выводов диода, r_i – сопротивление

i-слоя, C_k – емкость керамического или стеклянного корпуса диода.

а) корпусной	б) бескорпусной	в) бескорпусной в режиме прямого смещения	г) бескорпусной в режиме обратного смещения (параллельная схема)	д) бескорпусной в режиме обратного смещения (последовательная схема)

Рисунок 1.24 – Эквивалентные схемы p-i-n-диодов

Сопротивление r_S составляет от десятых долей до нескольких ом и уменьшается в режиме обратного смещения с возрастанием напряжения смещения. В режиме прямого смещения сопротивление i -слоя не превышает 0,3 Ом для мощных диодов с большой площадью структуры и равно нескольким омам для маломощных диодов. Это сопротивление остается примерно постоянным в диапазоне высоких частот.

Сопротивление i -слоя в режиме прямого смещения

, (1.39)

где - подвижность электронов или дырок;

d - толщина i -слоя.

Следует отметить, что сопротивление i -слоя будет расти при повышении обратного напряжения.

Емкость i -слоя практически не зависит от режима работы p-i-n-диода. Для мощных диодов с большой площадью S она достигает значения 3 пФ, для современных поверхностно-ориентированных p-i-n-диодов емкость i -слоя очень мала и составляет менее 0,01 пФ.

В режиме прямого смещения эквивалентная схема бескорпусного p-i-n-диода в соответствии с рисунком 1.24 представляет собой активное сопротивление r₊ или проводимость g₊. В режиме обратного смещения проводимость
p-i-n-диода

, (1.40)

где 1/R –проводимость i -слоя;

– проводимость, вносимая последовательным сопротивлением r_s;

– емкостная проводимость структуры.

Приведенное выражение справедливо при условии , которое выполняется в сантиметровом диапазоне длин волн и большей части дециметрового диапазона для практически используемых диодов, включая диоды с малыми емкостями. Параллельная схема замещения диода в режиме обратного смещения в соответствии с рисунком 1.24 удобна для расчетов параметров схем коммутационных устройств и широко используется в настоящее время.

Параметры диода в режиме обратного смещения могут быть также представлены последовательной схемой замещения. В этом случае сопротивление диода

, (1.41)

где – сопротивление, вносимое потерями в i -слое;

– емкостное сопротивление i -слоя.

Приведенное выражение справедливо при выполнении условия . Последовательная схема замещения диода применяется в основном в справочной литературе при описании параметров диодов.

Используя такие параметры диода, как емкость i -слоя С и активные сопротивления диода при прямом и обратном смещении r₊ и r_-, можно записать выражение для критической частоты диода

(1.42)

Критической частотой называется частота, на которой емкостное сопротивление структуры диода численно равно среднему геометрическому значению активных сопротивлений диода при прямом токе и обратном смещении. Критическая частота является одним из важнейших параметров и определяет эффективность диодов при их применении в коммутационных устройствах СВЧ.

Другим параметром, определяющим эффективность диода, является качество диода

, (1.43)

где и – потери запирания и пропускания выключателя, в котором используется диод;

f – рабочая частота.

Когда в диоде, эквивалентная схема которого имеет вид в соответствии с рисунком 1.24 (бескорпусной), в режиме обратного смещения преобладают потери в параллельной ветви (в сопротивлении i-слоя), потерями в сопротивлении r_з можно пренебречь. В этом случае формулы для определения критической частоты (1.42) и качества (1.43) диода будут иметь вид

, (1.45)

. (1.46)

Необходимо обратить внимание, что соотношение потерь запирания и пропускания выключателя, связанное с качеством диода, согласно (1.43) не зависит от схемы включения диода в передающую линию, волноводного сопротивления линии и т. д. Влияние индуктивности выводов диода и его полной емкости на параметры коммутационных схем будет рассмотрено ниже.

Наиболее часто в системе параметров p-i-n-диодов содержится критическая частота, емкость и СВЧ сопротивление диода при определенном значении прямого тока. Активное сопротивление диода при отрицательном смещении находят из (1.42). Такой выбор системы параметров связан с тем, что сопротивление r₊, определять значительно проще, чем r_– .

Следующим важнейшим параметром диода является пробивное напряжение U_ПРОБ, которое определяет максимальную мощность радиоимпульсов при уменьшении их длительности до нуля, т.е. если имеется электрический, а не тепловой пробой диода. Сумма отрицательного постоянного смещения и амплитуды отрицательного напряжения СВЧ сигнала, приложенных к диоду, не должна превышать U_ПРОБ. В некоторых источниках к выбору соотношения рабочего и пробивного напряжений рекомендуют подходить более осторожно. Так амплитуду СВЧ сигнала рекомендуют выбирать вдвое меньше приведенной выше, что позволяет повысить надежность работы диодов за счет уменьшения мощности падающей волны в четыре раза.

В систему параметров диодов входят и тепловые характеристики: максимальная рассеиваемая мощность P_{РАС max}, тепловое сопротивление диода R_{T ,} теплоемкость структуры диодаС_Т и тепловая постоянная времени структуры диода .

Ограничительные p-i-n-диоды:

Характерной особенностью ограничительных p-i-n-диодов является значительное увеличение активной и емкостной составляющих проводимости при увеличении падающей мощности СВЧ сигнала (или, точнее, приложенного к диоду напряжения) выше порога ограничения. Увеличению проводимости диода способствует появление постоянной составляющей тока, которая играет роль постоянного тока в p-i-n-диодах, предназначенных для коммутации СВЧ сигналов. Уровень нормальной работы (уровень ограничения) ограничительных диодов зависит от толщины i -слоя и может принимать значения от нескольких милливатт до сотен ватт.

Сопротивление p-i-n-структуры определяется выражением

, (1.47)

где D – коэффициент диффузии;

I – амплитуда тока СВЧ, протекающего через i -слой;

j_T – тепловой потенциал;

d – толщина i -слоя;

ω – угловая частота.

При СВЧ токе, равном 10А, сопротивление i -слоя составляет доли Ома. Диоды СВЧ, разрабатываемые специально для ограничения СВЧ сигналов, имеют параметры, очень близкие к параметрам коммутационных диодов.

Эквивалентные схемы ограничительных диодов представляют собой активное сопротивление r_В при работе диода в режиме больших уровней (напряжений) СВЧ сигналов и последовательную цепь, состоящую из емкости C и сопротивления r_Н при работе диода в режиме малых уровней СВЧ сигналов.

В данном случае под большими и малыми уровнями следует понимать напряжения, большие или меньшие порога ограничения.

Лавиннно-пролетные диоды:

Р-i-n-диоды, наряду с коммутационными и ограничительными функциями в диапазоне СВЧ, могут использоваться в качестве генераторов СВЧ-колебаний. Эффект генерации возникает в сильных полях (более 5×10⁴ В/см). При таком напряжении скорость дрейфа электронов не увеличивается с ростом электрического поля. Это насыщение скорости вызывает сдвиг фаз между током и переменным напряжением, прикладываемым к диоду, который может составлять180° (в зависимости от режима работы и конструкции). Тем самым, нарастанию напряжения соответствует уменьшение тока, т.е. диод имеет отрицательное сопротивление и поэтому его можно использовать как СВЧ-генератор. Диоды с отрицательным напряжением в диапазоне СВЧ, обусловленным лавинным размножением носителей зарядов в p-n-переходе и ограничением скорости их дрейфа, называются лавинно-пролетными диодами (ЛПД). Первый в мире ЛПД был создан в СССР в 1959 г. группой Тагера А.С.