Конструкция p-i-n диода (стр. 1 из 4)
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 Iпр, 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 Vпроб при обратном смещении, прямой ток через диод Iпр, прямое и обратное сопротивление потерь tпр и tобр. 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<Li, где Li – 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 Вp и Вn, 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-i- и i-n - переходов близки к единице, преобладает рекомбинация в базовой области и ВАХ диода описывается зависимостью по Холлу[7,13,15,16,]
, (1)где Iпр – прямой ток через диод;
Vпр – падение напряжения на диоде при прямом смещении;
q – заряд электрона;
k – постоянная Больцмана;
Т – температура.
2) По мере уменьшения добротности переходов с возрастанием прямого смещения на диоде становится существенной инжекция носителей заряда в контактные области. Когда рекомбинационный ток в этих областях становится равным рекомбинационному току в базе, ВАХ р-i-n- диода можно представить в виде[15]
(2)Крутизна ВАХ на этом участке выше, чем на холловском.
3) При дальнейшем росте плотности тока, когда рекомбинация в низкоомных р- и n- областях начинает преобладать над рекомбинацией в базовой области, крутизна ВАХ p-i-n- диода уменьшается, и связь между током и напряжением на диоде принимает вид [13,15]
(3)где V0 - сумма падений напряжения на контактах и разности потенциалов Дембера.
Следует отметить, что второй участок ВАХ имеет большую протяженность у диодов с меньшим значением отношения w/Li, у р-i-n- диодов с w/Li ~1 такого участка ВАХ практически не наблюдается.
На рис.1 показана зависимость тока от напряжения быстродействующего переключательного p-i-n- диода, предназначенного для высокоскоростной модуляции СВЧ-мощности в цифровых системах связи [9]. Толщина базы диода около 2 мкм при диаметре p-i-n- структуры 30-35 мкм. На ВАХ не наблюдается переход к квадратичному участку даже при плотности тока (4-6)*103 А/см2, что может свидетельствовать о высокой добротности переходов и сравнительно большом времени жизни носителей заряда в i-области.
Общий накопленный заряд QS есть сумма зарядов в i -области
и в p- и n- областях. Для симметричной модели диода
, (4)где Qi - накопленный заряд в базе диода;
QC- накопленный заряд в контактной области.
Уравнение непрерывности для заряда, являющееся основой метода, в этом случае имеет вид
, (5)где ti – время жизни носителей заряда в i- области при высоком уровне инжекции;
Рис. 1. ВАХ быстродействующего переключательного p-I-n- диода.
Рис. 2. Стационарное распределение носителей и накопленных зарядов в базовой и контактных областях для симметричной модели p-i-n- диода.
tС – время жизни носителей заряда в контактных областях.
Распределение носителей заряда в базовой и контактных областях в стационарном состоянии для симметричного случая показано на рис. 2. Со-
гласно распределению Больцмана концентрация носителей в I – области на границе с р – областью связана с их концентрацией в p- области соотношением
, (6)где р0 – концентрация равновесных дырок в р- области;
V0p-I – контактная разность потенциалов на р –I – переходе;
Vp-I–внешнее напряжение на p-i- переходе;
pi, ni – концентрация электронов и дырок в базе.
Аналогичное соотношение выполняется и на I-n- переходе. Выражение (6) справедливо до тех пор, пока в р- области выполняется условие низкого уровня инжекции. С ростом инжекции в (6) p0 необходимо заменить на p0+nC(p), где nC(р) – концентрация электронов, инжектированных в р-область, и зависимость (6) усложняется.
Для p-I-n- диодов с w<Li при J< 103 А/см2 падением напряжения на базе в стационарном состоянии можно пренебречь [4,7,14]. В этом случае для симметричной модели падение напряжения на каждом из переходов равно
, где Vp-n – общая контактная разность потенциалов диода.Учитывая (6), а также полагая одинаковую степень легирования р- и n- областей (p0=n0=NC), распределение носителей заряда в I –области может быть записано в виде (см. рис. 2)
, (7)