Общие сведения

В 60-е годы началось широкое продвижение полупроводниковой электроники в СВЧ диапазон. 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 p-i-n-диодов.

В настоящее время широко применяются диоды с p-i-n-структурой, в которой две сильнолегированные области p- и n-типа разделены достаточно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). Наиболее простой вид такой структуры показан на рисунке 1.17. Заряды донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i-области. Распределение электричес­кого поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного p-n перехода). Таким образом, i-область с низ­кой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектриче­ской проницаемостью можно принять за 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 и при достаточно широкой области от приложенного постоянного напряжения прак­тически не зависит.

Рисунок 1.17 – Структура p-i-n-диода

В качестве высокочастотных универсальных используются структуры с барьерами Шоттки и Мотта. В этих приборах процессы прямой проводимости определяются только основными носителями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасы­ванием носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие вы­сокочастотные свойства.

Отличие барьера Мотта от барьера Шоттки состоит в том, что тон­кий i-слой создан между металлом М и сильно легированным полу­проводником n⁺, так что получается структура М-i-n. В высокоомном i-слое падает все приложенное к диоду напряжение, поэтому толщи­на обедненного слоя в n⁺-области очень мала и не зависит от напря­жения. И поэтому барьерная емкость практически не зависит от на­пряжения и сопротивления базы.

Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шоттки, которые в отличие от p-n-перехода почти не накаплива­ют неосновных

носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют малое время восстановления t_ВОСТ (около 100 пс).

Принцип работы p-I-n-диодов

Высокоомная внутренняя i-область p-i-n-диода имеет обычно толщину от единиц до стен микрометров, а концентрация носителей заряда в ней составляет примерно 10¹³ см^-3. Если источник внешнего постоянного напряжения подключить положительным полюсом к слою р+, а отрицательным к слою n+, то в i-слое будет увеличиваться концентрация электронов и дырок из-за инжекции дырок из р+-области и аккумуляции электронов в n-области. При этом концентрация инжектированных носителей будет составлять от 10¹⁶ до 10¹⁷ см-3. Через структуру будет протекать постоянный ток I₀ прямого направления. Обычно плотность тока составляет около 10 А/см². При обратном смещении количество носителей в i-слое будет падать относительно начального значения (10¹³ см^-3) примерно на порядок. Таким образом, количество носителей в i-слое при переходе от режима прямого тока (прямого смещения) к режиму обратного смещения меняется на четыре порядка. Примерно так же меняется и проводимость i-слоя.

Вольт-амперная характеристика p-i-n-диода, снятая на постоянном токе и показанная на рисунке 1.18, качественно не отличается от вольт-амперной характеристики p-n-диода.

Главная особенность работы p-i-n диода состоит в том, что при прямом смещении одновременно происходит инжекция дырок из p-области и электронов из n-области в i-область. При этом его прямое со­противление резко падает. При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i-области в соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному возрастанию сопротив­ления i области по сравнению с равновесным состоянием. Поэтому для p-i-n диода характерно очень большое отношение прямого и об­ратного сопротивлений, что при использовании их в переклю­чательных режимах.

Рисунок 1.18 – Вольт-амперная характеристика p-i-n-диода

Таким образом p-i-n-диод представляет собой инерционную нелинейность. Механизм воздействия на диод напряжения СВЧ принципиально отличается от воздействия постоянного напряжения или переменного напряжения сравнительно низких частот. При воздействии на диод прямого постоянного тока I₀ в i-слое появляется накопленный заряд

, (1.30)

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= , (1.31)

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 (1.1). При отрицательных полупериодах СВЧ сигналов, когда ток через диод должен был бы отсутствовать (в соответствии с рисунком 1.2), 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

(1.32)

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 (в соответствии с рисунком 1.2) недостаточны для изменения проводимости диода. Таким образом, для СВЧ сигналов p-i-n-диод в первом приближении может рассматриваться как стационарный линейный двухполюсник, причем как в режиме прямого, так и в режиме обратного смещений.