Конструкция p-i-n диода

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время p-i-n- диод стал основным полупроводниковым элементом высокоскоростных СВЧ-модуляторов. Это связано с рядом преимуществ p-i-n- диодов по сравнению с применяемыми ранее варакторными диодами.

При прямом смещении p-i-n- структуру обычно представляет собой активное сопротивление. При обратном смещения ее можно представить в виде последовательно соединенных сопротивления и емкости. Резкое изменение импеданса полупроводниковой структуры p-i-n- диода и, следовательно, импеданса модулятора происходит вблизи точки нулевого смещения. При прямом смещении, начиная с некоторой величины I_пр , импеданс слабо зависит от тока. В обратносмещенном состоянии емкость базы диода на единицу площади относительно мала и не зависит от напряжения смещения. Поэтому характеристики модулятора в обоих состояниях смещения на диоде выходят на насыщение и почти не зависят от параметров управляющего сигнала. Вследствие этого колебания мощности падающего СВЧ-сигнала и температуры не приводят к значительным изменениям характеристик модулятора. Для варакторных диодов характерно плавное изменение импеданса, и характеристики СВЧ-модуляторов с такими диодами в существенной степени зависят от напряжения смещения. Поэтому при использовании варакторных диодов должны предъявляться повышенные требования к стабильности параметров управляющего сигнала. Колебания мощности СВЧ-сигнала и температуры влияют на характеристики таких модуляторов в большей степени, чем модуляторов на p-i-n- диодах. Кроме того, у варакторных диодов емкость на единицу площади полупроводниковой структуры и последовательное сопротивление при малых смещениях относительно велики, что создает трудности при конструировании модуляторов с малыми потерями СВЧ-мощности.

По уровню коммутируемой мощности p-i-n- диоды превосходят варакторные диоды. Так, в линиях связи диапазона частот 10-20 ГГц типичное значение мощности СВЧ-сигнала на выходе модуляторов на диодах Шотки не превышает 100 мВт. Замена диода Шотки p-i-n- диодом позволяет поднимать уровень выходной мощности фазового модулятора при сохранении прежней скорости передачи информации.

Полупроводниковые p-i-n- диоды используются в аппаратуре, вырабатывающей электромагнитные колебания диапазона сверхвысоких частот (СВЧ), излучающей их в окружающее пространство в виде радиоволн и принимающей и преобразующей эти волны с последующим использованием преобразованного сигнала для управления исполнительными механизмами, а также для индикации и измерения радиосигналов.

Электромагнитные колебания диапазона СВЧ обладают рядом физических особенностей, благодаря которым они нашли применение в самых разнообразных направлениях науки и техники. Наиболее важно то, что эти волны по характеру распространения приближаются к световым волнам (обладают квазиоптическими свойствами) и способны проникать сквозь всю атмосферу, включая верхние ионизированные слои.

Диоды просты конструктивно, имеют малые габаритные размеры и массу, потребляют небольшую энергию, обладают высоким быстродействием и сравнительно недороги.

Повышение качества p-i-n- диода может быть связано с достижением более высоких параметров таких как, пробивное напряжение V_проб при обратном смещении, прямой ток через диод I_пр , прямое и обратное сопротивление потерь t_пр и t_обр . Такая попытка проведена в данной дипломной работе.

1 Физика и технология p - i - n - диодов для

высокочастотных применений

1.1 Физические явления в переключательных p - i - n - диодах

1.1.1 Вольт-амперная характеристика

При моделировании процессов протекания тока в p-i-n- диодах, как правило, используют следующие допущения: ступенчатость распределения примесей на границах p-i и p-n-переходов; независимость подвижности и времени жизни носителей заряда от их концентрации; одномерность геометрии диодов.

P-i-n- диоды, предназначающиеся для высокоскоростной модуляции СВЧ-мощности, обычно имеют тонкую базy: w<L_i , где L_i – диффузионная длина носителей заряда в i- области. Плотность, прямого тока колеблется от десятков до тысяч А/см² . В этом диапазоне плотностей тока коэффициенты инжекции переходов существенно отличаются от единицы, т.е. происходит инжекция основных носителей заряда из базы в низкоомные области p-i-n-структур. Это приводит к тому, что неравновесные носители заряда накапливаются не только в i- области, но и в контактных областях. В большинстве случаев заряд контактных областей значительно меньше заряда, накапливаемого в базе.. Однако рекомбинационные процессы в этих областях могут определять вид ВАХ p-i-n-диода.

Неидеальность переходов характеризуется добротностями В_p и В_n , которые являются сложными функциями параметров р - и n - контактных областей и напряжения на переходах. С увеличением напряжения добротность переходов падает. К снижению добротности приводит также нерезкость реальных p-i- и i-n - переходов и наличие в них значительных концентраций рекомбинационных центров.

В зависимости от соотношения между рекомбинационными токами в базе р-i-n - диода и в контактных областях на ВАХ р-i-n- диода можно выделить три типичных участка.

1) При малых плотностях тока коэффициенты инжекции р