2 Полупроводниковые диоды (+-5 стр

2.2. Полупроводниковые диоды СВЧ

Понятие "полупроводниковый диод" объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Классификация полупроводниковых диодов соответствует общепринятой классификации всех полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электронных преобразовательных полупроводниковых диодов различают выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в том числе, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных полупроводниковых диодов выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и полупроводниковые квантовые генераторы.

Очень многие микроволновые приборы создают на основе диодов, поскольку их частотный диапазон зачастую значительно выше, чем у биполярных и полевых транзисторов. Поэтому именно в микроволновой технике можно часто встретить диодные усилители, генераторы, смесители, и другие устройства. В автоматике, в радиотехнике метрового диапазона волн, в компьютерной технике, усилители, генераторы, смесители, и другие электронные устройства чаще выполняют на основе транзисторов и операционных усилителей.

Промышленностью выпускаются различные типы диодов СВЧ, от­личающиеся устройством, материалами и областью применения. Диодные структуры, обычно помещают в герметичный металлокерамический корпус (рис.2.6, а). Это обеспечивает их механическую и климатическую устойчивость. В соответствии с об­щей тенденцией миниатюризации приборов и устройств, а также для уменьшения внешних паразитных воздействий, диоды помещают в корпусы малых размеров. Размеры корпуса связаны с уровнем рабочей мощности диодов. Базу диодной структуры 3 припаивают к медному держателю 1. Второй вывод структуры присоединяют с помощью температурной компрессии к тонкой золотой проволочке 4, которую в свою очередь припаивают к флан­цу 6. Фланец и держатель припаивают к керамической втулке 2 с помощью колец из твердого припоя. Для герметичности корпуса крышку 5 сваривают с фланцем электроконтактным, электрон­но-лучевым или лазерным методами.

Для повышения поверхностной проводимости, улучшения контактов и обеспечения коррозионной стойкости металлические детали покрывают пленкой серебра или золота. Держа­тель и крышка могут иметь ножку (рис. 2.6, а) или быть плоскими (рис. 2.6, б). Таблеточный корпус (рис. 2.6, в) удобен для включения в полосковую линию и в волновод суженного сечения. Корпус мощ­ного диода (рис. 2.6, е) состоит из массивного держателя и крышки для улучшения теплового отвода при монтаже диода в устройстве.

Рис.2.6. Устройство диодов СВЧ

1 - ножка с держателем структуры, 2 - керамическая втулка, 3 - диодная струк­тура, 4 – вывод, 5 - крышка, 6 – фланец, 7 - кольцо припоя, 8 - защитный слой ком­паунда, 9 - металлическая пленка

Рис. 2.7. Внешний вид диодов СВЧ

Диоды могут быть бескорпусными, когда их диодные структуры защищены от влияния внешней среды только слоем эпоксидного компаунда или лака (рис.2.6,г, д). В этом случае базу структуры припаивают к держателю, а эмиттер диода термической компрессией соеди­няют с ленточными выводами. Такие конструкции удобны для вклю­чения в микрополосковую линию передачи (МПЛ). Если диод необ­ходимо включить в МПЛ последовательно, то используют также специальные корпусы (рис. 2.6, ж). Диодную структуру 3 при этом припаивают к металлизированному керамическому держателю 2 (металлизированные участки корпуса показаны на рисунке жирной линией), площадками 9 диод припаивают к полосковому проводнику МПЛ. Для гибридных интегральных микросхем удобна конструкция диодов без кор­пуса, с балочными выводами (рис. 2.8). В этой конструкции оба вывода диода 2 формируют в одной плоскости и соединяют с полупроводниковой структурой с помощью окон в изолирующей диэлектрической пленке.

Рис. 2.8. Устройство диода с барьером Шоттки и балочными выводами: 1 — диэлектрическая пленка; 2 — выводы

В эквивалентной схеме диодов СВЧ для переменной составляющей сигнала необходимо учитывать и параметры корпуса. В общем случае диоду соответствует эквивалентная схема, изображенная на рисунке 2.9. Следует отметить, что эквивалентную схему с сосредоточенными параметрами правомерно приводить в соответствие диоду только тогда, когда размеры полупроводниковой структуры и корпуса малы по сравнению с рабочей длиной волны. В такой схеме свойства p–n - перехода или контакта металл – полупроводник отображаются в виде эквивалентного сопротивления , значение которого определяется устройством и типом перехода, напряжением, приложен­ным к диоду и температурой. Величина Z_n учитывает диффузионную и барьерную емкости, а также дифференциальное сопротивление перехо­да.

Рис. 2.9. Эквивалентная схема замещения СВЧ диода

Емкость корпуса С_кор зависит от его размеров (прежде всего от диаметра и высоты керамической втулки), а также конструкции держателя. Значения емкостей корпуса для современных корпусных диодов находятся в пределах от 0,15 до 0,4 пФ. Для бескорпусных диодов емкость между выводами диода без учета емкости перехода может составлять 0,05 – 0,1 пФ. Так как значения С_кор для диодов СВЧ соизмеримы с емкостью перехода, то эта величина должна учитываться при анализе схем.

Емкость СВЧ диодов обычно лежит в интервале от нескольких пикофарад до 0,1 пФ. Большие значения емкостей характерны для приборов метрового и дециметрового диапазона длин волн. Гораздо меньшие значения емкостей имеют диоды, работающие на санти­метровых и миллиметровых волнах. В эквивалентной схеме индук­тивность выводов отображают путем включения L_noc. Значения L_noc составляют 0,1 – 0,4 нГн. Индуктивность точечных диодов может достигать 1 – 2 нГн. Индуктивность L_noc вносит заметный вклад в полное сопротивление уже на частотах сантиметрового диапазона. Для её уменьшения используют несколько проволочек или сетку, соединяющую полупроводниковую структуру с фланцем (рис. 2.6, а), и уменьшают высоту корпуса.

Активное сопротивление rпос складывается из сопротивления объема полупроводника, омических контактов и выводов диода. Сопро­тивление омических контактов и выводов составляет обычно около 0,1 Ом.

На рисунке 2.10 изображено условное обозначение диода, и приведены вольт – амперные харак­теристики кремниевого Si, арсенид галлиевого GaAs, и германиевого Ge p–n переходов. Если к аноду приложить +, а к катоду подсоединить -, то это прямое включение. А если полярность поменять, то будет обратное включение.

Рис. 2.10. Условное обозначение диода, и вольт – амперные харак­теристики p–n переходов

Как видно из вольт – амперных харак­теристик, наименьшее напряжение в прямом включении падает на германиевом Ge p–n переходе (0,3 – 0,4 В). Однако, у германиевого Ge диода велик обратный ток Iобр и мала предельно допустимая температура (70 ⁰ С), а значит и рассеиваемая им мощность. Как известно, активная мощность равна произведению напряжения на ток: P = U^хI. Поэтому, идеальный диод должен иметь прямое падение напряжения (Uпр.) и обратный ток (Iобр.), близкие к 0.

У арсенид галлиевого GaAs диода велико падение напряжения в прямом включении (до 1 В), но они выдерживают температуру до 270⁰ С, то есть обладают большой мощностью рассеяния. Кремниевые Si диоды занимают промежуточное положение. Падение напряжения в прямом включении на кремниевых диодах около 0,7 В и они могут работать до 130 ⁰ С. Учитывая тот факт, что кремний Si весьма недорогой и широко распространённый в природе материал, легко объяснить его широкое применение в производстве электронных приборов, в том числе и приборов СВЧ.

2.2.1 Пробой p-n-перехода

Если увеличивать обратное напряжение, то может наступить режим, когда ток через переход резко возрастает при малом изменении напряжения, то есть наблюдается пробой p–n перехода. Различают электри­ческий и тепловой пробои. Электрический пробой является обратимым, то есть при снижении обратного напряжения свойства p–n перехода восстанавливаются. Тепловой пробой – процесс необратимый, то есть свойства p–n перехода при снижении обратного напряжения уже не восстанавливаются вследствие повреждения структуры диода.

Электрический пробой может быть лавинным или туннельным, что в значительной степени определяется концентра­цией примеси в базовой области и профилем легирования, от которых, в свою очередь, зависят толщина слоя объемного заряда и электри­ческое поле в области перехода.

Лавинный пробой обычно наблюдается в p–n переходах с относительно большой толщиной обедненного слоя от долей микрометра до нескольких микрометров. Для резких переходов он имеет место при концентрации примеси в базовой области порядка 10¹⁴ –10¹⁷ см^-3. При лавинном пробое, носители заряда под действием сильного электрического поля в области перехода на длине свободного пробега между столкновениями с атомами решетки приобретают энергию, достаточную для ионизации атома. Образую­щиеся при этом электроны и дырки ускоряются полем и снова иони­зируют атомы материала. В результате развивается электронно – дыроч­ная лавина и ток через переход резко увеличивается. Это вертикальный отрезок ВАХ используют еще и в стабилитронах (Участок 2, рис. 2.11). Стабилитроны часто используются в качестве опорных источников напряжения. При обратном включении стабилитрона последовательно с резистором, падение напряжения на стабилитроне остается почти постоянным, равным напряжению электрического пробоя - Uпр. Это напряжение Uпр. почти не изменяется, даже в том случае, если меняется внешнее напряжение, приложенное к цепи. Для этого выбирают рабочую точку на ВАХ в середине участка 2. Для ВАХ, изображенной на рисунке 2.11, ток в рабочей точке будет равен примерно 1 мВ. Такое свойство стабилитрона, часто используют в стабилизированных источниках напряжения. Следует отметить, что почти все электронные устройства, в том числе и СВЧ, требуют стабилизированного питающего напряжения.

Рис. 2.11. Условное обозначение стабилитрона, и его вольт – амперная харак­теристика

Пробивное напряжение для резкого перехода увеличивается при уменьшении концентрации примеси в базовой области, поскольку при этом возрастает толщина перехода и умень­шается максимальное значение напряженности электрического поля. Поэтому, каждый тип стабилитрона обладает своим значением Uпр., которое указывается в справочнике. Для лавинного пробоя характерны напряжения в десятки вольт. С повы­шением температуры пробивное напряжение при лавинном пробое увеличивается, поскольку уменьшаются средняя длина свободного пробега и энергия, которую набирают носители заряда между соуда­рениями.

В переходах с малой толщиной обедненной области более вероятно возникновение туннельного пробоя, связанного с прохождением электро­нов сквозь потенциальный барьер из валентной зоны на свободные уровни зоны проводимости. Туннелирование возможно при малой ширине потенциального барьера, причем вероятность процесса воз­растает с ростом напряженности электрического поля. При некоторой критической напряженности поля туннельный ток перехода превышает тепловой. Значения критической напряженности электрического поля составляют примерно 8*10⁵ В/см для Si и около 3*10⁵ В/см для Ge. Туннельный пробой наблюдается в переходах, изготовленных из мате­риалов с большой концентрацией примеси. Для него характерны небольшие пробивные напряжения, обычно С_проб < 15 В. Пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с ростом температуры.

Туннельный пробой, как и лавинный, является обратимым. Он не приводит к изменению структуры перехода и может быть многократно воспроизведен. Наиболее часто его наблюдают в Si и GaAs, а также в Ge с большой концентрацией примеси.

Тепловой пробой может привести к необратимым изменениям пере­хода и выходу его из строя за счет выделения большого количества теплоты (Участок 3, рис. 2.11)., так как при увеличении напряжения и тока возрастает мощ­ность, выделяющаяся в переходе

P = Uпр. Iобр.

Повышение температуры перехода приводит к росту обратного тока и дальнейшему росту температуры и тока.

Электрический пробой при большой рассеиваемой в переходе мощности, также может переходить в тепловой пробой. Особенностью теплового, как и лавинного, пробоя является локализация его в отдель­ных «слабых» местах перехода, содержащих большое количество дефек­тов. Ток этих участков, называемых шнурами или каналами высокой проводимости, может значительно превышать усредненное значение по всей площади перехода.

5