Высокочастотные ВЧ и СВЧ p-i-n диоды

Введение

Благодаря своей относительной простоте и большому числу замечательных свойств полупроводниковые p-i-n структуры уже с 50-х годов нашли широчайшее применение в конструкциях многих разновидностей полупроводниковых диодов, начиная от высоковольтных выпрямительных до фотодиодов и гетеролазеров.

Наиболее уверенно pin-диоды заняли свою нишу в ВЧ- и СВЧ-диапазонах для управления уровнем и (или) фазой СВЧ-сигналов, коммутации ВЧ- и СВЧ-мощности в линиях передач, для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ-импульсов, для стабилизации СВЧ-мощности , а также в аттенюаторах ВЧ-диапазона.

В этих сферах pin-диоды практически не имеют конкурентов, а из-за фактической невозможности их совмещения на чипе с другими элементами не вытесняются и интегральными схемами.

В отечественной практике pin-диоды СВЧ-диапазона получили название переключательных и ограничительных (в зависимости от рода использования), в ВЧ-диапазоне их называют коммутационными и регулируемыми резистивными (для аттенюаторов). В зарубежной практике в их названии сохранен конструктивно-технологический маркер «PIN-Diodes».

В последнее время из-за резкого расширения производства средств связи, и в частности носимых переговорных устройств специального назначения, наблюдается непрестанное увеличение спроса на pin-диоды. По данным одного из ведущих зарубежных производителей, фирмы HEWLETT PACKARD, годовой прирост потребности в pin-диодах в последние 5 лет достигает 17–33 %, а по отдельным типономиналам и до 2-х раз. Подобная тенденция начинает наблюдаться и в нашей стране, причем характерно, что pin-диоды находят все большее применение не только в аппаратуре специального назначения, но и в коммерческой.

В связи с этим, заводом «ОПТРОН» был проведен комплекс конструкторско-технологических работ по совершенствованию pin-диодов, повышению их качества и принципиальной модернизации ряда типов.

Краткие характеристики pin-диода

Структура типичного pin-диода (рис. 1, а) характеризуется тем, что между двумя сильно легированными областями очень низкого сопротивления n+ и p+ находится активная базовая i-область с высоким удельным сопротивлением (типично ri > 100 омсм, и в ряде приборов вплоть до ri = 200–4000 омсм) и относительно большим временем жизни (электронов и дырок) заряда t_эфф(~0,1–1,0 мкс). Толщина базы лежит в пределах wi=3–30 мкм, диаметр меза-структур ai=0,05–2,0 мм.

Рис. 1.

Специфические особенности pin-структуры, существенные для работы диодов, заключаются в следующем :

1. При работе в прямом направлении на достаточно высоких частотах f, определяемых соотношением
   2pfi_эфф >> 1     (1)

   Дифуззионная емкость p^±i- и n^±i-переходов полностью их шунтирует, таким образом эквивалентная схема сводится к рис. 1, б, где r_пр — сопротивление базы, модулированное прямым током. Соотношение (1) может выполняться уже при частоте f& gt; 10–20 МГц и заведомо справедливо на СВЧ.

2. При обратном смещении эквивалентная схема pin-диода представляется в виде рис. 1, в, где r_обр — сопротивление i-базы в немодулированном состоянии, равное
   r_обр=r_i w_i/s_i    (2)

   Реально r_обр=0,1–10 кОм.

3. При прямом смещении вследствие двойной инжекции, дырок из p⁺-области и электронов из n⁺-области вся база «заливается» носителями и в эквивалентной схеме рис. 1, в выполняется
   r_пр~w_i/s_i -1/t_эфф I_пр    (3)

   Значения r_пр в номинальном режиме близки к величине ~ 1 Ом; при изменении прямого тока величина r_пр может изменяться в широких пределах по закону, близкому к r_пр~1/ I_пр    (4)

4. Пробой pin-структуры при отсутствии поверхностных утечек определяется соотношением
   U_проб = E_кр W_i(s)   (5),
   где E_кр — критическое поле, обычно принимается E_кр=2×10⁵ В/см. Таким образом,

   U_проб = 20W_i(мкм)    (5а)

5. При протекании прямого тока величина накопленного заряда в базе определяется соотношением
   Q_нк = I_прt_эфф      (6),

   поэтому величина t_эфф определяется расчетно по паспортному значению Q_нк.

6. При резком переключении с прямого направления на обратное вначале протекает фаза рассасывания накопленного заряда, длительность которой равна
   t_ас = Q_нк/I_рас=t_эфф I_пр/ I_рас      (7),
   где I_рас — обратной ток рассасывания; длительность второй фазы — восстановления обратного сопротивления — определяется дрейфовым процессом под действием поля в базе по порядку величина близка к
   t_вост = W_i/m_p,nU_обр       (8).
   Таким образом, при работе в диапазоне СВЧ и отчасти ВЧ pin-диод (без учета паразитных параметров C_к и L_к) представляет собой линейный резистор, сопротивление которого при прямом смещении rпр значительно меньше, чем при обратном r_обр , при этом r_пр зависит от прямого тока.

Pin-диоды, предлагаемые заводом «ОПТРОН»

Завод производит все перечисленные виды pin-диодов СВЧ- и ВЧ-диапазонов. Параметры переключательных диодов представлены в табл. 1, ограничительных — в табл. 2.

Рис. 2.