1 Теоретические сведения
1.1 PIN диоды и принципы моделирования
Импульсно-переключательный полупроводниковый диод - это полупроводниковый диод, применяемый в устройствах регулирования уровня СВЧ мощности [3].
Принцип работы импульсного диода переключения, основанные на большой разницы в импедансе СВЧ-сигнала в прямом и обратном смещении. Таким образом, СВЧ-цепи (волноводных, коаксиальных или полосковых линий), что следует переключающего устройства с диодом, может быть открытой или закрытой для СВЧ сигнала. Например, в РЛС с фазированными антенными решетками, содержащими тысячи идентичных антенных элементов, диоды переключения должен обеспечивать подачу мощного СВЧ импульса на каждый элемент в определенные моменты времени. Мощный импульсный передатчик не должен попадать в чувствительные каналы приемника.
Поэтому, есть основные требования для коммутации СВЧ-диодов: они должны с минимальными потерями пропускать микроволновую энергию в состояние передачи и крутит в состояние блокировки; там должно быть больше допустимой рассеиваемой мощности; высокое пробивное напряжение; низкая производительность и достаточно большая скорость переключения.
Одним из важных параметров переключательного диода является
критическая частота , которая описывает эффективность переключения диода и рассчитывается по следующей формуле:
v
11
где — структурная ?мкость; — активная составляющая полного сопротивления диода в режиме прямого смещения; — обратное сопротивление потерь в режиме обратного смещения.
Для увеличения допустимой мощности рассеяния диода необходимо увеличивать площадь выпрямляющего электрического перехода, что влечет за собой увеличение барьерной емкости. Поэтому большинство переключательных СВЧ-диодов имеет PIN-структуру, толщина p-n-перехода которой существенно увеличена из-за наличия между p- и n-областями слоя высокоомного полупроводника с собственной электропроводностью (рис. 1.1).
а – диод с PIN структурой;
б – зонная диаграмма;
в – распределение примесей;
г – плотность объемного заряда;
д - напряженность электрического поля
Рисунок 1.1 – PIN структура и основные характеристики [3]
На практике структуру для импульсных переключательных СВЧ PIN-диодов изготавливают на кристалле кремния (Si) с собственной
12
проводимостью, т.е. низким легированием (малая концентрация доноров или акцепторов). На рис. 1.1. показаны распределения примесей, энергетические диаграммы, плотности заряда и электрического поля в двух стандартных структурах PIN и PPN. Существует несколько методов изготовления этих структур: диффузия примесей, легирование ионами, эпитаксиальное выращивание.
Структура PIN-диодов имеют меньше емкость барьера, которая очень слабо зависит от напряжения (особенно если в P и N областях большая концентрация примеси). Данная независимость емкости от напряжения является очень важным свойством импульсных переключательных диодов, так как любое изменение этих параметров может повлиять на частоту полезного сигнала.
Напряжение пробоя структуры PIN-диода может достигать нескольких сотен вольт, что значительно превышает напряжение пробоя обычных диодов с р-n переходом с одинаковым легированием в соседних областях.
Максимальная мощность некоторых марок СВЧ-диодов (2А523А-4 и тд), которую они могут рассеивать в непрерывном состоянии составляет 20 Вт. Диоды такого вида представляют собой бескорпусное устройство с жесткими контактами (выводами) — кристаллодержателями — и защитное покрытие. Их диаметр обычно составляет 2 мм и длина 3,6 мм.
Импульсные переключательные СВЧ-диоды могут работать последовательно или параллельно с линией передачи. В параллельной цепи при прямом включении диод имеет малое сопротивление, шунт линии, и большая часть всей СВЧ мощности отражается в обратную сторону. Таким образом, в параллельной цепи для переключения СВЧ-моста используют разницу в количестве отражения, а не поглощения. Диод, однако, поглощает лишь незначительную часть попадающей на него мощности СВЧ-сигнала, что позволяет маломощному устройству контролировать десятки и сотни киловатт импульсной мощности СВЧ-сигнала.
13
Недостаток коммутационных СВЧ PIN диодов - инерционность процесса рекомбинации носителей заряда из I-области в момент переключения прямого смещения на обратное, потому что скорость передвижения носителей заряда ограничена, а I-область может иметь толщину в несколько десятков микрометров.
Классический пример PIN-диода - кремниевый диод [4 - 6]. PIN-диод - устройство на основе кремниевого полупроводника, образованного из слоя с высоким сопротивлением – I-область, которая находится между высоколегированными P и N слоями. Обычно PIN-диод широко используется
в ВЧ и СВЧ диапазонах, так как он действует как ток контролирующий сопротивление на этих частотах. PIN-диоды находят применение в силовой электронике, за сч?т центрального I-слоя способного выдержать высокое напряжение. Они широко внедрены в электронные переключатели, например
в радиочастотах. Сопротивление диода определяется только прямым смещением постоянного тока. Сопротивление I-области зависит от
количества носителей заряда и изменения высокой частоты последовательного сопротивления.
PIN - диод - кремниевый полупроводник, состоящий из слоя материала (высокое удельное сопротивление) конечного размера (области) и толщины, который находится между p-типом и n-типом слоев. Когда диод в режиме, происходит инжекция заряда во внутренней области или I-слое. Этот заряд состоит из дырок и электронов, у которых есть конечное время жизни до рекомбинации. Изменяя толщину I-уровня, становится возможным создать диод с различной геометрией и, в результате, таким же сопротивлением шунта, Rs, и общей емкостью, Ct характеристикой. Эти устройства могут иметь одинаково-малые сигнальные характеристики. Однако, более толстый слой I-области обладал бы более высоким объемом или РЧ-напряжением пробоя и обладал бы лучшими свойствами искажения. С другой стороны, более тонкое устройство имело бы быструю скорость переключения. Теория
14
влияния толщины I-области неоднократно исследовалась и продолжает изучаться.