Параметры p-I-n-диодов

Рассмотрим характерные параметры и режимы работы некоторых типов p-i-n-диодов.

Для диодов, предназначенных для коммутации СВЧ сигналов большого уровня мощности в дециметровом диапазоне длин волн, характерен сравнительно большой объем i-слоя и время жизни носителей заряда около 5·10^-6 с. При прямом токе, равном 0,1 А, накопленный заряд в соответствии с формулой (1.1) составляет 0,5·10^-6 Кл. При частоте колебаний 1 ГГц и токе 50 А заряд, переносимый в течение положительного полупериода, составляет 25·10^-9 Кл, т. е. в 20 раз меньше заряда, накопленного под воздействием постоянного тока, который в основном и определяет низкое сопротивление диода. При обратном напряжении смещения, равном примерно 100 В, диод сохраняет высокое сопротивление при воздействии сигналов СВЧ той же частоты с амплитудой 500 В и более.

Для диодов, предназначенных для коммутации СВЧ сигналов малого уровня мощности в широком диапазоне длин волн, характерен малый объем i-слоя и время жизни носителей заряда примерно 3·10^-8с. При прямом постоянном смешении, равном 3·10^-3А, накопленный заряд составляет около 10^-10 Кл. При токе СВЧ, равном 0,2 А, и частоте 20 ГГц заряд переносимый во время положительного полупериода колебаний, будет как и в предыдущем примере, в 20 раз меньше заряда, накопленного под воздействием постоянного тока. Таким образом, при прямом и обратном смещениях p-i-n-диод с достаточной степенью точности может рассматриваться как линейный, пассивный двухполюсник.

При значительном увеличении СВЧ тока или снижении частоты колебаний в p-i-n-диодах может наблюдаться изменение проводимости диода под влиянием СВЧ сигналов, а также эффекты детектирования. Эти явления, с одной стороны являются недостатком т.к. снижают значение коммутируемой мощности СВЧ сигнала, а с другой стороны, полезны при построении полупроводниковых ограничителей СВЧ.

Эквивалентная схема p-i-n-диода (корпусного и бескорпусного) на СВЧ имеет вид в соответствии с рисунком 1.19. 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.

корпусной	бескорпусной	бескорпусной в режиме прямого смещения	бескорпусной в режиме обратного смещения (параллельная схема)	бескорпусной в режиме обратного смещения (последовательная схема)

Рисунок 1.19 – Эквивалентная схема p-i-n-диода

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 частот, верхняя граница которого определяется величиной скин-слоя. Для упомянутых выше концентраций носителей в режиме прямого смещения удельное сопротивление i-слоя составляет около 1 Ом·см, при этом толщина скин-слоя на частоте 3 ГГц настолько мала, что для диодов с диаметром 0,5 мм и меньше скин-эффект не вызывает значительного увеличения сопротивления i-слоя в режиме прямого тока.

Сопротивление i-слоя в режиме прямого смещения

, (1.33)

где - подвижность электронов и дырок (принята одинаковой);

w - толщина i-слоя.

Следует отметить, что сопротивление i-слоя при обратном (или нулевом) смещении определяется остаточной концентрацией носителей заряда, и 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 1.19 представляет собой активное сопротивление r₊ или проводимость g₊. В режиме обратного смещения проводимость p-i-n-диода

, (1.34)

где1/R–проводимостьi-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 1.19 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

, (1.36)

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

(1.37)

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

, (1.38)

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 1.19 (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 (1.7) и качества (1.8) диода будут иметь вид

, (1.39)

. (1.40)

Необходимо обратить внимание, что соотношение потерь запирания и пропускания выключателя, связанное с качеством диода, согласно (1.8) 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 (1.37). Такой выбор системы параметров связан с тем, что сопротивление r₊, определять значительно проще, чем r_–.

Следующим важнейшим параметром диода является пробивное напряжение U_пр, 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_пр. 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. макс} , тепловое сопротивление диода R_T, теплоемкость структуры диода С_Т и тепловая постоянная времени структуры диода .