Высокочастотные ВЧ и СВЧ p-i-n диоды Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Резников Владимир, Губырин Леонид
Благодаря своей относительной простоте и большому числу замечательных свойств полупроводниковые p-i-n структуры уже с 50-х годов нашли широчайшее применение в конструкциях многих разновидностей полупроводниковых диодов, начиная от высоковольтных выпрямительных до фотодиодов и гетеролазеров.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Резников Владимир, Губырин Леонид
Текст научной работы на тему «Высокочастотные ВЧ и СВЧ p-i-n диоды»
Высокочастотные и СВЧ p-i-n диоды
Владимир Резников, Леонид Губырин
Тел. (G95) 365-58-52 gub@optron.ru
Благодаря своей относительной простоте и большому числу замечательных свойств полупроводниковые p-i-n структуры уже с 50х годов нашли широчайшее применение в конструкциях многих разновидностей полупроводниковых диодов, начиная от высоковольтных выпрямительных до фотодиодов и гетеролазеров.
Наиболее уверенно pin-диоды заняли свою нишу в ВЧ- и СВЧ-диапазонах для управления уровнем и (или) фазой СВЧ-сигналов, коммутации ВЧ- и СВЧ-мощности в линиях передач, для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ-импульсов, для стабилизации СВЧ-мощности , а также в аттенюаторах ВЧ-диапазона.
В этих сферах pin-диоды практически не имеют конкурентов, а из-за фактической невозможности их совмещения на чипе с другими элементами не вытесняются и интегральными схемами.
В отечественной практике pin-диоды СВЧ-диапа-зона получили название переключательных и ограничительных (в зависимости от рода использования), в ВЧ-диапазоне их называют коммутационными и регулируемыми резистивными (для аттенюаторов). В зарубежной практике в их названии сохранен конструктивно-технологический маркер «PIN-Diodes».
В последнее время из-за резкого расширения производства средств связи, и в частности носимых переговорных устройств специального назначения, наблюдается непрестанное увеличение спроса на pin-диоды. По данным одного из ведущих зарубежных производителей, фирмы HEWLETT PACKARD, годовой прирост потребности в pin-диодах в последние 5 лет достигает 17-33 %, а по отдельным типо-номиналам и до 2-х раз. Подобная тенденция начинает наблюдаться и в нашей стране, причем характерно, что pin-диоды находят все большее применение не только в аппаратуре специального назначения, но и в коммерческой.
В связи с этим, заводом «ОПТРОН» был проведен комплекс конструкторско-технологических работ по совершенствованию р1'п-диодов, повышению их качества и принципиальной модернизации ряда типов.
Краткие характеристики р!п-диода
Структура типичного рт-диода (рис. 1, а) характеризуется тем, что между двумя сильно легированными областями очень низкого сопротивления п+ и р+ находится активная базовая ^область с высоким удельным сопротивлением (типично р > 100 омсм, и в ряде приборов вплоть до р,. = 200-4000 омсм) и относительно большим временем жизни (электронов и дырок) заряда ^фф(-0,1-1,0 мкс). Толщина базы лежит в пределах wi=3-30 мкм, диаметр меза-структур а=0,05-2,0 мм.
Специфические особенности рт-структуры, существенные для работы диодов, заключаются в следующем :
1. При работе в прямом направлении на достаточно высоких частотах £ определяемых соотношением
Дифуззионная емкость р+1- и п+1'-переходов полностью их шунтирует, таким образом эквивалентная схема сводится к рис. 1, б, где гпр — сопротивление базы, модулированное прямым током. Соотношение (1) может выполняться уже при частоте М0-20 МГц и заведомо справедливо на СВЧ.
2. При обратном смещении эквивалентная схема рт-диода представляется в виде рис. 1, в, где го6р — сопротивление ьбазы в немодулированном состоянии, равное
Реально гобр=0,1-10 кОм.
3. При прямом смещении вследствие двойной ин-жекции, дырок из р+-области и электронов из п+-об-ласти вся база «заливается» носителями и в эквивалентной схеме рис. 1, в выполняется
Гпр-Wi/s, -І/т,фф Іпр
Значения гпр в номинальном режиме близки к величине
1 Ом; при изменении прямого тока величина гпр может изменяться в широких пределах по закону, близкому к
4. Пробой ріп-структурьі при отсутствии поверхностных утечек определяется соотношением ипро6=Еір Ші(8) (5), где Екр — критическое поле, обычно принимается Екр=2х105 В/см. Таким образом,
5. При протекании прямого тока величина накопленного заряда в базе определяется соотношением
поэтому величина ^фф определяется расчет-но по паспортному значению 0н1.
6. При резком переключении с прямого направления на обратное вначале протекает фаза рассасывания накопленного заряда, длительность которой равна
^ ас- ^нк/1рас_Тэфф 1пр/ ^рас (7)
где 1рас — обратной ток рассасывания; длительность второй фазы — восстановления обратного сопротивления — определяется дрейфовым процессом под действием поля в базе по порядку величина близка к ^^/Цр,„и0бР (8).
Таким образом, при работе в диапазоне СВЧ и отчасти ВЧ рт-диод (без учета паразитных параметров Ск и Ц) представляет собой линейный резистор, сопротивление которого при прямом смещении гпр значительно меньше, чем при обратном гобр, при этом гпр зависит от прямого тока.
Р!п-диоды, предлагаемые заводом «ОПТРОН»
Завод производит все перечисленные виды рт-диодов СВЧ- и ВЧ-диапазонов. Параметры переключательных диодов представлены в табл. 1, ограничительных — в табл. 2.
На рис.2 представлены некоторые типовые зависимости параметров от режимов измерения и эксплуатации (как видим, они вполне удовлетворительно подтверждают теоретические соотношения (4,б,7)).
Диоды предназначены для сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов; переключательные применяются в переключательных устройствах, модуляторах, фазовращателях, аттенюаторах; ограничительные — в устройствах ограничения и управления мощностью, защиты входных приемников и для тех же целей в составе герметизированных гибридных схем.
Одна из характерных особенностей современного интереса к СВЧ рт-диодам — это резкое увеличение спроса на бескорпусные приборы. Отметим, что завод «ОПТРОН» предлагает четыре основных разновидности бескор-пусных приборов: в виде кристалла с контактными площадками без выводов; с гибкими ленточными выводами; на цилиндрическом металлическом держателе — теплоотводе и на керамическом держателе типа «кроватка».
Накопленный заводом производственный опыт, цикл технологических работ по совершенствованию эпитаксии и сборочных процес-
Таблица 1. СВЧ-переключательные pin-диоды
Тип прибора Корпус Пробивное напряжение,В Рассеиваемая мощность Р, Вт Общая емкость Сд, пФ Накопленный заряд Онк/!пр Нк/мА Прямое сопротивление гпр/!пр Ом/мА
2(К)507А, Б КД105 500 300 5 0,8-1,2 200/100 1,5/100
2( К )509А, Б КД105 200 0,9-1,2 0,7-1,0 25/25 1,5/100
2( К)515А КД105 100 0,5 0,4-0,7 15/25 2,5/25
2( )520А, Б КД105 800 600 4 0,4-1,0 300/100 2/100 3/100
2(К)537А, Б КД-16-1 600 300 20 3 400-1000/100 200-1500/100 0,5/100 1,0/100
2( К)536А-5,6 Б-5,6 Б/к 300 0,08-0,16 0,12-0,21 150/10 1,5/100
2( К)541А-5,6 Б-5,6 Б/к 300 0,5 0,15-0,22 0,18-0,25 60-150/100 3,0/100
2( )543А-5,6 Б-5,6 Б/к 100 0,5 0,12-0,19 0,15-0,22 0,5-3/5 1,5/5
2( )546А-5,6 Б-5,6 Б/к 300 0,5 0,12-0,2 50-200/100 1,5/5
2( )554А-5,6 Б-5,6 Б/к 500 150 0,5 0,025-0,08 2,0/100
Таблица 2. СВЧ-ограничительные pin-диоды
Тип прибора Корпус Пробивное напряжение,В Рассеиваемая мощность Р, Вт Общая емкость Сд, пФ Накопленный заряд ОнкЛпр Нк/мА Прямое сопротивление гпр/!пр Ом/мА
2(К)А534А КД-102 30-110 0,25 0,4-0,65 0,22-1,0/10 0,9-1,8/10
Б 40-110 0,15 0,35-0,5 1,15-2,5/10
2(К)А522А-2 Б/К 70 0,3 0,35-0,75 1,/50 1,8/100
Б-2 100 0,1-1,0 2,0/100
2(К)А550А-5 Б/К 100-180 5 0,2-0,6 0,3-1,0/20 0,6-1,0/100
сов позволяет по специальным соглашениям изготовлять приборы с параметрами, превосходящими, указанные в таблицах 1 и 2. В ряде случаев, напротив, задаваемые на тот
Тип прибора Корпус Пробивное напряжение,В Общая емкость Сд, пФ Накопленный заряд ОнкЛпр Нк/мА Прямое сопротивление гпр/!пр Ом/мА
2Д420А КД4 24 1,5 1,0/10
КД407А Д4 24 1,5 1,0/10
2Д420А/ * КД407А,Б,В КД2 24-100 1,3-1,5 1,3-1,5/10
2( К)Д413А Б Д1 30 0,7 2/20 30-60/2 40-80/2
КД417А Д1 24 0,4 25/2
''Примечание: заказы по телефону 369-38-36
или иной прибор параметры оказываются неопределенно завышенными или условия применения не требуют их двухстороннего ограничения. В этих случаях возможна, также по дополнительному соглашения, поставка приборов по сниженным ценам.
Для ВЧ-диапазона завод выпускает коммутационные pin-диоды: КД407А,2Д420А и регулируемые резистивные типов 2Д(КД)413А,Б и КД417А для применения в аттенюаторах радиоприемников и селекторов телевизионных каналов.
Приборы выпускаются в стеклянных корпусах с аксиальными выводами типа КД4 и КД1 (миниатюрный). Диапазон рабочих частот от 10 до 300 МГц, основные параметры приборов приведены в табл. 3. Графики рис. 3 свидетельствуют о том, что для использования в аттенюаторах могут отбираться приборы с очень широким динамическим диапазоном
(до четырех порядков изменения гпр
В целях повышения качества коммутационных рт-диодов разработан модернизированный аналог диодов КД407А/2Д420А в корпусе КД2. Эти приборы отличаются высокой температурной стабильностью параметров, повышенным обратным напряжением и могут поставляться по более низким ценам.