1.9 Полупроводниковые диоды

Общие сведения:

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор, содержащий один электрический переход с двумя выводами для подключения во внешнюю цепь.

Диод – двухполюсный элемент. Один его электрод называется анодом, другой – катодом. В качестве электрического перехода в полупроводниковых диодах, как правило, используются электронно-дырочный переход или переход Шоттки, т.е. выпрямляющий контакт между металлом и полупроводником.

Наряду с описанными существуют диоды, не содержащие электрического перехода (СВЧ диоды Ганна), а также имеющие два и три перехода (p-i-n диоды, диодные тиристоры).

На практике применение диодов основывается на том или ином свойстве выпрямляющего электрического перехода. Важное свойство полупроводниковых диодов – односторонняя проводимость – широко применяется в устройствах выпрямления, ограничения и преобразования электрических сигналов. Изменение барьерной емкости p-n-перехода под действием обратного напряжения используется в приборах, получивших название варикапы. Явление обратимого электрического пробоя p-n-перехода исполь­зуется в приборах для стабилизации напряжения. Эти приборы называются стабилитронами.

Полупроводниковые диоды образуют многочисленные типы и группы. Их можно классифицировать по различным признакам:

- по основному полупроводниковому материалу (германиевые, кремниевые, на основе соединений галлия или индия и т.д.);

- по конструктивно-технологическим особенностям (плоскостные, точечные, сплавные, диффузионные и др.);

- физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные и резонансно-туннельные, лавинно-пролетные, p-i-n-диоды (диоды Мисавы), диоды Ганна, фотодиоды, светодиоды и др.

Однако основным признаком для классификации служит назначение прибора: выпрямительные, универсальные, стабилитроны, варикапы, детекторные, параметрические, смесительные, импульсные, СВЧ-диоды и другие типы диодов, некоторые из которых с их основными характеристиками и условно-графическими обозначениями (УГО) по ГОСТ 2.730-73 приведены в таблице 1.5.

В электрических схемах позиционное обозначение полупроводниковых диодов принято писать как VD1, VD2 и т.д.

Диоды – исторически первые полупроводниковые приборы. Экспериментально обнаруженный факт (Лосев О.В., 1922 г.) выпрямление слабых переменных сигналов при соприкосновении металлической иглы с кристаллами некоторых естественных минералов – стал основой их практического применения. Широкое внедрение полупроводниковых диодов в радиоэлектронику началось примерно с 1940 г., когда для целей радиолокации был впервые создан кристаллический детектор сантиметрового диапазона.

Таблица 1.5 – Основные типы полупроводниковых диодов

Наименование	УГО	Основная характеристика
Диод Общее обозначение	соответствует
	p n
Диод Шоттки
Стабилитрон односторонний
Стабилитрон двухсторонний
Варикап
Диод светоизлучающий
Фотодиод
Оптрон диодный

Выпрямительные диоды:

Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения промышленной час­тоты (50 или 400 Гц) в постоянное. Основой диода является обыч­ный p-n – переход. В практических случаях p-n – переход диода имеет достаточную площадь для того, чтобы обеспечить большой прямой ток. Для получения больших обратных (пробивных) напряжений ди­од обычно выполняется из высокоомного материала.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды в соответствии с рисунком 1.13 являются:

- максимальный прямой ток I_{ПР max};

- падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока I_ПР (U_ПР от 0,3 до 0,7 В для германиевых диодов и U_ПР от 0,8 до 1,2 В для кремниевых);

- максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода

U_{ОБР max} ;

- обратный ток I_ОБР при заданном обратном напряжении U_ОБР (значение обратного тока германиевых диодов на два-три порядка больше, чем у кремниевых);

- барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;

- диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;

- рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне от минус 60 до+70 °С, кремниевые - в диапазоне от минус 60 до +150 °С, что объясняется малыми обратными токами кремниевых диодов).

Рисунок 1.13 – ВАХ и параметры выпрямительных диодов

Вентильное свойство диодов, т.е. их способность хорошо пропускать ток в прямом направлении и практически не пропускать его в обратном, находит широкое применение для выпрямления переменного тока. Схема простейшего выпрямителя и его нагрузочной характеристики (при постоянном прямом смещении напряжения на диоде) имеют вид в соответствии с рисунком 1.14. Схема состоит из генератора переменного напряжения, диода и последовательно включенного к диоду нагрузочного резистора. При этом напряжение генератора U_Г делится между нагрузочным сопротивлением и диодом

. (1.30)

а) б)

Рисунок 1.14 – Простейшая схема включения выпрямительного диода и его нагрузочная характеристика

Ток, текущий в резисторе, определяется законом Ома

. (1.31)

ВАХ резистора – прямая линия. ВАХ диода (прямая ветвь) имеет экспоненциальный вид. Ясно, что ток, текущий в резисторе и диоде должен быть одинаков и равен току цепи. Точка А на ВАХ, для которой выполняется это условие, называется рабочей точкой, а величина — сопротивлением цепи по постоянному току.

При работе на переменном сигнале, когда входное напряжение есть U_Г(t), а выходное — U_R(t), в промежутки времени, когда к диоду приложено прямое напряжение (положительный полупериод) его сопротивление будет небольшим, и все входное напряжение будет практически падать на резисторе, а форма тока цепи — повторять форму входного напряжения в соответствии с рисунком 1.15. При отрицательном полупериоде диод смещен в обратном направление, его сопротивление станет велико, ток в цепи практически будет равен обратному току диода и большая часть входного сопротивления станет падать на диоде.

При протекании больших прямых токов I_ПР и определенном падении напряжения на диоде U_ПР в нем выделяется большая мощность. Для отвода данной мощности диод должен иметь большие размеры p-n-перехода, корпуса и выводов. Для улучшения теплоотвода используются радиаторы или различные способы принудительного охлаждения (воздушное или даже жидкостное).

Среди выпрямительных диодов следует выделить особо диод с барьером Шоттки. Этот диод характеризуется высоким быстродейст­вием и малым падением напряжения (U_ПР < 0,6 В). К недостаткам диода следует отнести малое пробивное напряжение и большие обратные токи.

Рисунок 1.15 – Динамические характеристики простейшей схемы выпрямления

Таким образом, на гармоническом входном сигнале выпрямительный диод работает как однополупериодный выпрямитель.

Для того чтобы форма выходного напряжения лучше соответствовала постоянной величине, в схему выпрямления параллельно резистору включают нагрузочный конденсатор. Тогда выходное напряжение при положительном полупериоде станет определяться напряжением на емкости нагрузки C_Н и конденсатор при этом будет заряжаться током диода, а при отрицательном полупериоде – соответственно разряжаться. Величины C_Н и R подбирают таким образом, чтобы выходное напряжение оставалось практически постоянным во времени.

Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0,3, от 0,3 до 10 и свыше 10 А соответственно.

Для работы на высоких напряжениях (до 1500 В) предназначены выпрямительные столбы, представляющие собой последова­тельно соединенные p-n-переходы, конструктивно объединенные в одном корпусе. Выпускаются также выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие I_{ПР max} до 1 А и U_{ОБР max} до 600 В.

Стабилитроны и стабисторы:

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ которого в соответствии с рисунком 1.16 имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения, т.е. с большим значением крутиз­ны I/U (I= I_{СТ max} – I_{СТ min}). Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется стабистором.

Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации U_СТ равно напряжению электрического (лавинного) пробоя p-n-перехода при некотором заданном токе стабилизации I_СТ в соответствии с рисунком 1.16. Стабилизирующие свойства ха­рактеризуются дифферен­циальным сопротивлением стабилитрона r_p-n = U/I, которое должно быть возможно меньше. К параметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизации U_СТ, минимальный и максимальный токи стабилизации I_{СТ min}, I_{СТ max}.

Рисунок 1.16 – ВАХ и параметры стабилитрона

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: U_СТ от 3,3 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-n-переходы. Внешние выводы прибора присоединяют к областям р-типа (анодам), что объясняет его название. При этом при любой полярности прикладываемого напряжения один из переходов всегда включен в обратном направлении и работает в режиме пробоя. Другой переход, включенный в прямом направлении, обеспечивает температурную стабилизацию прибора (малый уход электрических параметров при изменении температуры).

Для стабилизации напряжения стабилитрон используют согласно схеме, представленной на рисунке 1.17.

Тогда

(1.33)

В результате уравнение нагрузочной прямой примет вид

. (1.34)

Рисунок 1.17 – Схема использования стабилитрона

Точка пересечения этой прямой с ВАХ стабилитрона есть рабочая точка схемы. График нагрузочной характеристики стабилитрона имеет вид в соответствии с рисунком 1.18, из которого видно, что при изменении напряжения источника питания (на входе схемы) нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе. Т.к. колебания входного напряжения могут быть как положительными, так и отрицательными, то рабочая точка выбирается на средине участка стабилизации АВ. При этом ток, текущий через стабилитрон будет значительно изменяться в соответствии с колебаниями входного напряжения, но напряжение на выходе схемы (напряжение на стабилитроне) будет оставаться практически неизменным.

Рисунок 1.18 – Нагрузочные характеристики стабилитрона

В случае изменения сопротивления нагрузки (рисунок 1.18 вид б) при постоянном напряжении источника питания изменяется наклон нагрузочной прямой. При этом так же, как и в рассмотренном выше случае, изменяться будет ток, текущий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне останется постоянным.

Параметры схемы стабилизации выбирают таким образом, чтобы при изменении нагрузки и входного напряжения выполнялись неравенства

. (1.34)

Кроме стабилизации постоянного напряжения стабилитроны используют в стабилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качестве управляемых емкостей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях постоянного тока и импульсных устройствах.

Разновидностью стабилитрона является стабистор, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ диода. Отличительная особенность стабисторов по сравнению со стабилитронами заключается в меньшем напряжении стабилизации, составляющем примерно 0,7 В при комнатной температуре. Стабисторы могут применяться совместно со стабилитронами в качестве термокомпенсирующих элементов.

Варикапы:

Варикапом называется полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем используется свойство p-n-перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения в соответствии с рисунком 1.19.

Рисунок 1.19 – Зависимость емкости варикапа от напряжения

Основные параметры варикапа: номинальная емкость С_Н при заданном номинальным напряжением U_Н (обычно 4 В), максимальное обратное напря- жение U_{ОБР max} и добротность Q.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шоттки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

Основное применение варикапов – электрическая перестройка резонансной частоты колебательных контуров. Включение варикапа в цепь для этой цели выполняют по схеме в соответствии с рисунком 1.20.

Постоянный конденсатор С1 необходим для того, чтобы исключить попадание постоянного напряжения в цепь с переменным напряжением. Его величина всегда много больше переменной емкости варикапа.

Рисунок 1.20 – Схема включения варикапа в колебательный контур

Параметры схемы выбирают на основе соотношений:

(1.35)

Основным полупроводниковым материалом для изготовления варикапов служит кремний. Используется также арсенид галлия, обеспечивающий меньшее сопротивление базы.

В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и умножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах используется и диффузионная емкость.

Универсальные и импульсные диоды:

Они применяются для преобразования высокочастотных и им­пульсных сигналов. В данных диодах необходимо обеспечить мини­мальные значения реактивных параметров, что достигается благо­даря специальным конструктивно-технологическим мерам.

Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана с диффузионной емкостью. Для уменьшения времени жизни  используется легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных уровней в за­прещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации и следовательно уменьшается С_ДИФ.

Разновидностью универсальных диодов является диод с короткой базой. В таком диоде протяженность базы меньше диффузион­ной длины неосновных носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не временем жизни неосновных носителей в базе, а фактическим меньшим временем нахождения (временем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы при большой площади p-n-перехода технологически очень сложно. Поэтому изготовляемые диоды с короткой базой при малой площади являются маломощными.

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоплением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обратного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму в соответствии с рисунком 1.21. При этом значение t₁ может быть значительным, но t₂ должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.

Получение малой длительности t₂ связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя p-n-перехода путем неравномерного распределения примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришедших через обедненный слой при прямом напряжении, и поэтому препятствует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их компактнее концентрироваться вблизи границы. При подаче на диод обратного напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способство­вать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехо­да. В момент t₁, когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный за­ряд неосновных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время t₂ спадания обратного тока до значения I₀.

Рисунок 1.21 – Временные диаграммы тока через импульсный диод

1.10 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, причем как 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 диода С_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;

_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.