eng
Содержание
Введение .........................................................................................................6
Глава 1. Переключательные pin-диоды ........................................................7
1.1.
Конструкции pin-диодов ...................................................................7
1.2.
Основные параметры переключательных pin-диодов .................... 11
1.3.
Полупроводниковые материалы и достижимые значения
основных параметров pin-диодов ................................................... 15
Глава 2. Модульные переключатели на кремниевых pin-диодах .............. 20
2.1.
SPST-переключатели ....................................................................... 22
2.2.
SPDT-переключатели ...................................................................... 32
2.3.
Многопозиционные переключатели............................................... 40
2.4.
DPDT-переключатели ..................................................................... 50
2.5.
Модульные pin-диодные переключатели с высоким уровнем
развязки ............................................................................................ 55
Глава 3. Pin-диодные переключатели на кремниевых
и арсенид-галлиевых подложках в интегральном и модульном
исполнениях ................................................................................................ 65
Глава 4. Мощные pin-диодные переключатели ....................................... 107
Список литературы ..................................................................................... 129
Введение
ВЧ/СВЧ-переключатели предназначены для блокировки или изменения
маршрута прохождения сигналов от одного или нескольких входов до одного
или нескольких выходов. Они выполняют незаменимую роль в системах
связи, радиолокации, радиоэлектронной борьбы, измерительной техни-
ке и многих других применениях. Переключатели широко используются
при резервировании ответственных узлов с целью повышения их надеж-
ности особенно при проектировании бортовой космической аппаратуры.
На основе переключателей реализуются многие узлы современной радио-
аппаратуры: приемо-передающие модули, схемы формирования лучей,
переключаемые конденсаторы, фильтры, фазовращатели, линии задержки,
программируемые переключатели, а также матричные переключатели и
аттенюаторы. В зависимости от требований переключатели могут быть
электромеханическими, ферритовыми, сегнетоэлектрическими, полупро-
водниковыми, микроэлектромеханическими и на основе материалов с
изменяемым состоянием.
Среди полупроводниковых переключателей исторически первыми в
50-е годы прошлого столетия появились модульные изделия на дискрет-
ных pin-диодах, выполненные на основе кремния. Развитие интегральных
технологий позволило выпускать монолитные переключатели на основе
сначала кремниевых, затем арсенид-галлиевых подложек. Кремниевые
переключатели отличаются довольно высокой коммутируемой мощностью,
до единиц кВт, однако сложны в изготовлении и имеют проблемы с совме-
стимостью с другими устройствами. Устройства на основе арсенида галлия
позволяют переключать сигналы меньшей мощности, но обладают малым
временем переключения и высокими рабочими частотами (до 110 ГГц), кро-
ме того, имеют меньшие токи управления и позволяют размещать на своей
подложке не только сами pin-диоды, но и другие компоненты: резисторы,
конденсаторы, индуктивности. Огромное количество переключателей вы-
полняется в модульном исполнении.
1.1. Конструкции pin-диодов
Pin-диоды (рис. 1) являются разновидностью полупроводниковых диодов
с особой структурой [1]. В этих устройствах между областями полупровод-
ников с дырочной (p-тип) и электронной (n-тип) проводимостью включен
слой собственного полупроводника (i-слой), называемый базой диода и об-
ладающий значительно более низкой проводимостью, отсюда и название для
таких диодов – pin. На практике обычно полупроводники p- и n-типа сильно
легированы акцепторными и донорными примесями соответственно, а слой
«собственной» проводимости является слабо легированным полупроводни-
ком чаще с электронной, чем с дырочной проводимостью [2]. Упрощенная
одномерная модель pin-диода и распределение концентраций носителей пока-
заны на рис. 2а, 2б. Здесь буквы p- и n- обозначают тип проводимости, а знаки
“+” и “-” – соответствующую (сильную или слабую) степень легирования.
По сути, pin-диод представляет собой p-n-переход. Процессы накопления
и рассасывания зарядов, а также зависимости от приложенных внешних
полей в этих структурах аналогичны, поэтому качественно статическая
вольт-амперная характеристика (ВАХ) pin-диода не отличается от ВАХ клас-
сического диода с одним переходом. Однако в pin-диодах используется пере-
ход с особым профилем легирования (рис. 2б), благодаря чему они имеют
ряд особенностей, которые делают эти приборы плохими выпрямителями,
но позволяют успешно использовать их для переключения СВЧ-сигналов,
в том числе большой (более 100 Вт) мощности. Минимальное время пере-
ключения коммутаторов на pin-диодах может быть менее 10 нс [1].
Глава 1. Переключательные pin-диоды
При подаче напряжения прямого смещения при малых токах через диод
преобладает процесс рекомбинации на двух переходах (p-i и i-n). С ростом
напряжения ток начинает определяться процессом диффузии носителей в об-
ласть собственной проводимости. Далее, при больших значениях прямого тока
концентрация инжектированных из p- и n-областей носителей становится вы-
ше, чем фоновое легирование i-области. База как бы «заливается» носителями,
в результате чего становится возможна модуляция этой проводимости током.
При этом сопротивление в прямом включении обратно пропорционально
проходящему через диод току [2–4]. Следует отметить, что это сопротивление
достаточно мало, от долей до единиц Ом. Область пространственного заряда
(ОПЗ) в такой структуре практически полностью находится в i-области. Под
действием обратного смещения ширина ОПЗ увеличивается, и вся область
собственной проводимости оказывается обедненной носителями заряда, что
обеспечивает очень высокое большое сопротивление в закрытом состоянии.
В открытом состоянии, на высоких частотах, когда накопленный в
i-слое заряд не успевает рекомбинировать, диод ведет себя как линейное
управляемое сопротивление малого номинала, а в закрытом – обладает
очень большим сопротивлением. В отличие от полупроводниковых диодов с
одним p-n-переходом и диодов Шоттки, pin-диоды позволяют переключать
высокочастотные сигналы, не внося существенных нелинейных искажений
и управлять большими значениями высокочастотного тока при довольно
малых значениях постоянного напряжения питания [3].
Возможны различные способы изготовления pin-диодов. В частности,
известен способ изготовления с использованием планарной технологии.
1.1. Конструкции pin-диодов 9
вертикальные эпитаксиальные структуры, которые обеспечивают на ВЧ
более низкий импеданс в прямом смещении, чем планарно-ионно-имплан-
тированные структуры pin-диодов [5].
Процесс создания эпитаксиальной pin-структуры на подложках n+ типа
обеспечивается методом молекулярно-лучевой эпитаксии [6]. При этом на
границе высокоомного и низкоомного слоев полупроводника неизбежно
происходит так называемый процесс автолегирования, который может
исказить профиль легирования структуры и, как следствие, повлиять на
параметры конечного прибора. Для того чтобы уменьшить эффект автоле-
гирования, подложку маскируют нелегированным материалом, а эпитаксию
проводят в два этапа: сначала выращивают тонкий слой полупроводника
при высокой температуре, а затем доращивают до нужной толщины при
более низких ее значениях. Контакты формируются в виде многослойных
структур и подключаются к сильно легированным частям pin-структуры.
Pin-диоды могут применяться как в виде дискретных компонентов, так
и в составе готовых решений на базе интегральных схем (ИС), использо-
вание которых, как правило, удобнее. Дискретные компоненты позволяют
спроектировать переключатели с индивидуальными функциональными
требованиями, однако их применение имеет ограничения. Такие устройства
обычно имеют большие габариты и более высокую стоимость по сравнению
с переключателями на ИС. Кроме того, дискретные компоненты имеют
худшую повторяемость параметров, а конечные переключательные устрой-
ства позволяют коммутировать сигналы меньшей мощности по сравнению
с интегральными решениями.
Как уже было упомянуто, ИС переключателей разрабатывались в основ-
ном на кремниевых и арсенид-галлиевых подложках. Устройства на основе
кремния позволяют коммутировать большие мощности, однако ввиду
большой проводимости Si на поверхности кристаллов обычно размеща-
лись только активные элементы, то есть сами pin-диоды. Невозможность
размещения на подложке дискретных элементов, обеспечивающих подачу
питающих напряжений и управляющих сигналов негативно сказывалась на
характеристиках переключателей, их габаритах и стоимости. Преодолеть эту
проблему позволило появление технологии Heterolithic Microwave Integrated
Circuit (HMIC) на основе соединения стекла и кремния. Эта технология была
запатентована компанией MACOM в 90-х годах прошлого века. Конструкция
(рис. 3) такого переключателя была запатентована компанией MACOM в
90-х годах прошлого века [6]. Обладающий высокой теплопроводностью и
низким электрическим сопротивлением кремний встроен в боросиликатное
стекло, имеющее низкую диэлектрическую проницаемость и малый тангенс
угла потерь на высоких частотах, что позволяет этой технологии сочетать в
10 Глава 1. Переключательные pin-диоды
себе лучшие свойства как стекла, так и кремния. Тонкопленочные техно-
логии используются для размещения на подложке спиральных индуктив-
ностей, встречно-штыревых и MIM-конденсаторов, а также резисторов с
сохранением высокого уровня основных показателей качества. В результате
ключевыми преимуществами HMIC являются: экономическая эффектив-
ность, повышение надежности и повторяемости, широкополосность и
гибкая технология производства. Технология HMIC позволяет интегриро-
вать кремниевые pin-диоды практически в любую стандартную топологию
переключателей с обеспечением необходимой развязки по постоянному и
переменному сигналу между активными элементами [7, 8].
Важный вклад в совершенствование характеристик интегральных пере-
ключателей на подложке из арсенида галлия внесла технология VPIN. Созда-
телем вертикальных PIN (VPIN) GaAs-диодов считается компания TriQuint
(ныне Qorvo). Предложенная ею технология позволила добиться возможности
применения pin-структур на более высоких частотах с меньшими токами
управления [3, 9]. Эта технология обеспечивает высокую плотность элементов
и позволяет размещать не только pin-диоды, но и пассивные элементы, рези-
сторы и конденсаторы, на одной подложке площадью в единицы мм2 (рис. 4).
1.2. Основные параметры переключательных pin-диодов 11
С помощью VPIN-диодов удалось создать достаточно широкополосные
переключатели с временем переключения в единицы нс. На рынке су-
ществуют VPIN-переключатели как в QFN-корпусах, так и в виде крис-
таллов [7].
1.2. Основные параметры переключательных
pin-диодов
Переключательные pin-диоды работают как в прямом, так и в обратном
режиме. Чтобы понять, по каким показателям качества сравнивать раз-
личные приборы такой структуры, обратимся сначала к линейным схемам
в прямом и обратном включении (рис. 5а, 5б).
Рис. 5. Эквивалентные схемы pin-диода в прямом (а) и в обратном (б) включении
В этих схемах L отражает наличие паразитной индуктивности, емкость СТ
включает в себя емкость структуры диода в обратном включении и емкость
корпуса. На схеме в прямом включении наличие емкостей корпуса, барьер-
ной и диффузионной емкости структуры обычно опускается. Величина об-
ратного сопротивления Rр обусловлена структурой и плотностью материала
диода и увеличивается с ростом обратного напряжения. В большинстве
радиотехнических приложений величина этого сопротивления существенно
больше величины эквивалентного импеданса емкости в обратном включе-
12 Глава 1. Переключательные pin-диоды
нии и может не учитываться [6]. Сопротивление в прямом включении RS
является одним из важнейших параметров pin-диодов, который рассчиты-
вается по формуле:
RS = W2/(μn + μp)IFτ,
где W – ширина базы (i-слоя), μn, μp – подвижности электронов и дырок
соответственно, τ – время жизни носителей заряда, IF – ток через диод в
прямом смещении. Как и для любых других изделий, обеспечивающих
преобразование сигнала, важным параметром переключателей является
его линейность, для количественной меры которой вводят параметр input
intercept point – точка пересечения интермодуляции второго и третьего
порядка (IIP2 и IIP3, соответственно). Чем меньше RS, тем более высокая
линейность переключателя достижима и соответственно – более высокие
значения параметров IIP2 и IIP3.
Кроме элементов эквивалентных схем pin-диода следует выделить другие
важные параметры, указывающие на возможность применения диодов для
различных приложений:
• Инжектированные в базу при прямом включении заряды не рекомби-
нируют мгновенно, в базе всегда сохраняется некоторый накопленный
заряд, зависящий от величины протекающего тока и времени жизни
носителей: Q = IFτ.
• Представленные модели и выражения справедливы для достаточно
высоких частот. Минимальная рабочая частота обратно пропорци-
ональна ширине базы и времени жизни носителя до его рекомби-
нации τ. Ее значение может составлять десятки МГц и определяется
соотношением [1, 6]: fmin >> 1/τ, так как носители в базе не должны
успевать рекомбинировать, чтобы в i-слое оставалось большое количе-
ство накопленного заряда. Уменьшая ширину базы, можно увеличить
значение fmin, но это также уменьшит значение напряжения пробоя
структуры.
• Время обратного восстановления определяет время переключения
устройства Тп, а его обратное значение – максимально допустимую
рабочую частоту fmax. Этот параметр связан с временем жизни носителя
до рекомбинации τ, а также со значениями прямого Iп и обратного Io
токов [4]:
1.2. Основные параметры переключательных pin-диодов 13
• Эквивалентная схема диода при обратном смещении (рис. 5) справед-
лива не для всех возможных значений прикладываемого обратного
напряжения. Начиная с некоторого значения напряжения в структуре
pin-диода, начинает происходить процесс ударной ионизации: силь-
ное поле позволяет носителю накопить за время свободного пробега
достаточное количество энергии, чтобы при столкновении с атомами
решетки полупроводника «выбить» из него еще один свободный но-
ситель, который также будет двигаться в сильном поле, накапливая
энергию и порождая новые носители. При достаточном значении на-
пряженности поля, называемого критическим Екр, ударная ионизация
может вызвать лавинный пробой диода, характеризующийся резким
снижением сопротивления диода в обратном смещении и ростом об-
ратного тока через диод. Поэтому величина напряжения, при котором
поле доходит до критических значений, является важнейшим пара-
метром переключательных pin-диодов. Это напряжение называется
пробойным и теоретически оценивается по формуле: Uпроб = EкрW.
В иностранной литературе этот параметр называется breakdown voltage
и обозначается как Vbr. Следует, однако, отметить [6], что реальное
значение напряжения пробоя меньше из-за превалирования пробоя
по боковой поверхности структуры диода.
• Так как для переключательного pin-диода наиболее важными парамет-
рами являются общее сопротивление в прямом включении и емкость в
обратном, то в качестве другого важнейшего параметра вводят еще один
показатель качества, так называемый Figure of Merit (FOM), который
имеет размерность времени и определяется произведением полного
сопротивления в открытом состоянии Ron (≈ RS) на емкость Coff (≈ CT)
в закрытом состоянии pin-диода: FOM = RonCoff. FOM обратно про-
порционален частоте, на которой реактивное сопротивление емкости
разомкнутых контактов становится равным активному сопротивлению
замкнутых и переключатель перестает управлять уровнем сигнала. Этот
показатель качества является мерой эффективности, и разработчики
переключательных полупроводниковых приборов стремятся к сниже-
нию этого параметра.
Таким образом, выбирая материалы изготовления диодов, его структуру,
например ширину базы, можно менять параметры pin-диода, создавая при-
боры под конкретные приложения. Например, для мощных переключателей
наиболее важными параметрами будут малое сопротивление при прямом
смещении и большое значение пробивного напряжения, а для широко-
полосности переключателя более важным параметром является емкость
pin-структуры.
ВЧ/СВЧ-переключатели предназначены для блокировки или изменения
маршрута прохождения сигналов от одного или нескольких входов до одного
или нескольких выходов. Они выполняют незаменимую роль в системах
связи, радиолокации, радиоэлектронной борьбы, измерительной техни-
ке и многих других применениях. Переключатели широко используются
при резервировании ответственных узлов с целью повышения их надеж-
ности особенно при проектировании бортовой космической аппаратуры.
На основе переключателей реализуются многие узлы современной радио-
аппаратуры: приемо-передающие модули, схемы формирования лучей,
переключаемые конденсаторы, фильтры, фазовращатели, линии задержки,
программируемые переключатели, а также матричные переключатели и
аттенюаторы. В зависимости от требований переключатели могут быть
электромеханическими, ферритовыми, сегнетоэлектрическими, полупро-
водниковыми, микроэлектромеханическими и на основе материалов с
изменяемым состоянием.
Среди полупроводниковых переключателей исторически первыми в
50-е годы прошлого столетия появились модульные изделия на дискрет-
ных pin-диодах, выполненные на основе кремния. Развитие интегральных
технологий позволило выпускать монолитные переключатели на основе
сначала кремниевых, затем арсенид-галлиевых подложек. Кремниевые
переключатели отличаются довольно высокой коммутируемой мощностью,
до единиц кВт, однако сложны в изготовлении и имеют проблемы с совме-
стимостью с другими устройствами. Устройства на основе арсенида галлия
позволяют переключать сигналы меньшей мощности, но обладают малым
временем переключения и высокими рабочими частотами (до 110 ГГц), кро-
ме того, имеют меньшие токи управления и позволяют размещать на своей
подложке не только сами pin-диоды, но и другие компоненты: резисторы,
конденсаторы, индуктивности. Огромное количество переключателей вы-
полняется в модульном исполнении.
1.1. Конструкции pin-диодов
Pin-диоды (рис. 1) являются разновидностью полупроводниковых диодов
с особой структурой [1]. В этих устройствах между областями полупровод-
ников с дырочной (p-тип) и электронной (n-тип) проводимостью включен
слой собственного полупроводника (i-слой), называемый базой диода и об-
ладающий значительно более низкой проводимостью, отсюда и название для
таких диодов – pin. На практике обычно полупроводники p- и n-типа сильно
легированы акцепторными и донорными примесями соответственно, а слой
«собственной» проводимости является слабо легированным полупроводни-
ком чаще с электронной, чем с дырочной проводимостью [2]. Упрощенная
одномерная модель pin-диода и распределение концентраций носителей пока-
заны на рис. 2а, 2б. Здесь буквы p- и n- обозначают тип проводимости, а знаки
“+” и “-” – соответствующую (сильную или слабую) степень легирования.
По сути, pin-диод представляет собой p-n-переход. Процессы накопления
и рассасывания зарядов, а также зависимости от приложенных внешних
полей в этих структурах аналогичны, поэтому качественно статическая
вольт-амперная характеристика (ВАХ) pin-диода не отличается от ВАХ клас-
сического диода с одним переходом. Однако в pin-диодах используется пере-
ход с особым профилем легирования (рис. 2б), благодаря чему они имеют
ряд особенностей, которые делают эти приборы плохими выпрямителями,
но позволяют успешно использовать их для переключения СВЧ-сигналов,
в том числе большой (более 100 Вт) мощности. Минимальное время пере-
ключения коммутаторов на pin-диодах может быть менее 10 нс [1].
Глава 1. Переключательные pin-диоды
При подаче напряжения прямого смещения при малых токах через диод
преобладает процесс рекомбинации на двух переходах (p-i и i-n). С ростом
напряжения ток начинает определяться процессом диффузии носителей в об-
ласть собственной проводимости. Далее, при больших значениях прямого тока
концентрация инжектированных из p- и n-областей носителей становится вы-
ше, чем фоновое легирование i-области. База как бы «заливается» носителями,
в результате чего становится возможна модуляция этой проводимости током.
При этом сопротивление в прямом включении обратно пропорционально
проходящему через диод току [2–4]. Следует отметить, что это сопротивление
достаточно мало, от долей до единиц Ом. Область пространственного заряда
(ОПЗ) в такой структуре практически полностью находится в i-области. Под
действием обратного смещения ширина ОПЗ увеличивается, и вся область
собственной проводимости оказывается обедненной носителями заряда, что
обеспечивает очень высокое большое сопротивление в закрытом состоянии.
В открытом состоянии, на высоких частотах, когда накопленный в
i-слое заряд не успевает рекомбинировать, диод ведет себя как линейное
управляемое сопротивление малого номинала, а в закрытом – обладает
очень большим сопротивлением. В отличие от полупроводниковых диодов с
одним p-n-переходом и диодов Шоттки, pin-диоды позволяют переключать
высокочастотные сигналы, не внося существенных нелинейных искажений
и управлять большими значениями высокочастотного тока при довольно
малых значениях постоянного напряжения питания [3].
Возможны различные способы изготовления pin-диодов. В частности,
известен способ изготовления с использованием планарной технологии.
1.1. Конструкции pin-диодов 9
вертикальные эпитаксиальные структуры, которые обеспечивают на ВЧ
более низкий импеданс в прямом смещении, чем планарно-ионно-имплан-
тированные структуры pin-диодов [5].
Процесс создания эпитаксиальной pin-структуры на подложках n+ типа
обеспечивается методом молекулярно-лучевой эпитаксии [6]. При этом на
границе высокоомного и низкоомного слоев полупроводника неизбежно
происходит так называемый процесс автолегирования, который может
исказить профиль легирования структуры и, как следствие, повлиять на
параметры конечного прибора. Для того чтобы уменьшить эффект автоле-
гирования, подложку маскируют нелегированным материалом, а эпитаксию
проводят в два этапа: сначала выращивают тонкий слой полупроводника
при высокой температуре, а затем доращивают до нужной толщины при
более низких ее значениях. Контакты формируются в виде многослойных
структур и подключаются к сильно легированным частям pin-структуры.
Pin-диоды могут применяться как в виде дискретных компонентов, так
и в составе готовых решений на базе интегральных схем (ИС), использо-
вание которых, как правило, удобнее. Дискретные компоненты позволяют
спроектировать переключатели с индивидуальными функциональными
требованиями, однако их применение имеет ограничения. Такие устройства
обычно имеют большие габариты и более высокую стоимость по сравнению
с переключателями на ИС. Кроме того, дискретные компоненты имеют
худшую повторяемость параметров, а конечные переключательные устрой-
ства позволяют коммутировать сигналы меньшей мощности по сравнению
с интегральными решениями.
Как уже было упомянуто, ИС переключателей разрабатывались в основ-
ном на кремниевых и арсенид-галлиевых подложках. Устройства на основе
кремния позволяют коммутировать большие мощности, однако ввиду
большой проводимости Si на поверхности кристаллов обычно размеща-
лись только активные элементы, то есть сами pin-диоды. Невозможность
размещения на подложке дискретных элементов, обеспечивающих подачу
питающих напряжений и управляющих сигналов негативно сказывалась на
характеристиках переключателей, их габаритах и стоимости. Преодолеть эту
проблему позволило появление технологии Heterolithic Microwave Integrated
Circuit (HMIC) на основе соединения стекла и кремния. Эта технология была
запатентована компанией MACOM в 90-х годах прошлого века. Конструкция
(рис. 3) такого переключателя была запатентована компанией MACOM в
90-х годах прошлого века [6]. Обладающий высокой теплопроводностью и
низким электрическим сопротивлением кремний встроен в боросиликатное
стекло, имеющее низкую диэлектрическую проницаемость и малый тангенс
угла потерь на высоких частотах, что позволяет этой технологии сочетать в
10 Глава 1. Переключательные pin-диоды
себе лучшие свойства как стекла, так и кремния. Тонкопленочные техно-
логии используются для размещения на подложке спиральных индуктив-
ностей, встречно-штыревых и MIM-конденсаторов, а также резисторов с
сохранением высокого уровня основных показателей качества. В результате
ключевыми преимуществами HMIC являются: экономическая эффектив-
ность, повышение надежности и повторяемости, широкополосность и
гибкая технология производства. Технология HMIC позволяет интегриро-
вать кремниевые pin-диоды практически в любую стандартную топологию
переключателей с обеспечением необходимой развязки по постоянному и
переменному сигналу между активными элементами [7, 8].
Важный вклад в совершенствование характеристик интегральных пере-
ключателей на подложке из арсенида галлия внесла технология VPIN. Созда-
телем вертикальных PIN (VPIN) GaAs-диодов считается компания TriQuint
(ныне Qorvo). Предложенная ею технология позволила добиться возможности
применения pin-структур на более высоких частотах с меньшими токами
управления [3, 9]. Эта технология обеспечивает высокую плотность элементов
и позволяет размещать не только pin-диоды, но и пассивные элементы, рези-
сторы и конденсаторы, на одной подложке площадью в единицы мм2 (рис. 4).
1.2. Основные параметры переключательных pin-диодов 11
С помощью VPIN-диодов удалось создать достаточно широкополосные
переключатели с временем переключения в единицы нс. На рынке су-
ществуют VPIN-переключатели как в QFN-корпусах, так и в виде крис-
таллов [7].
1.2. Основные параметры переключательных
pin-диодов
Переключательные pin-диоды работают как в прямом, так и в обратном
режиме. Чтобы понять, по каким показателям качества сравнивать раз-
личные приборы такой структуры, обратимся сначала к линейным схемам
в прямом и обратном включении (рис. 5а, 5б).
Рис. 5. Эквивалентные схемы pin-диода в прямом (а) и в обратном (б) включении
В этих схемах L отражает наличие паразитной индуктивности, емкость СТ
включает в себя емкость структуры диода в обратном включении и емкость
корпуса. На схеме в прямом включении наличие емкостей корпуса, барьер-
ной и диффузионной емкости структуры обычно опускается. Величина об-
ратного сопротивления Rр обусловлена структурой и плотностью материала
диода и увеличивается с ростом обратного напряжения. В большинстве
радиотехнических приложений величина этого сопротивления существенно
больше величины эквивалентного импеданса емкости в обратном включе-
12 Глава 1. Переключательные pin-диоды
нии и может не учитываться [6]. Сопротивление в прямом включении RS
является одним из важнейших параметров pin-диодов, который рассчиты-
вается по формуле:
RS = W2/(μn + μp)IFτ,
где W – ширина базы (i-слоя), μn, μp – подвижности электронов и дырок
соответственно, τ – время жизни носителей заряда, IF – ток через диод в
прямом смещении. Как и для любых других изделий, обеспечивающих
преобразование сигнала, важным параметром переключателей является
его линейность, для количественной меры которой вводят параметр input
intercept point – точка пересечения интермодуляции второго и третьего
порядка (IIP2 и IIP3, соответственно). Чем меньше RS, тем более высокая
линейность переключателя достижима и соответственно – более высокие
значения параметров IIP2 и IIP3.
Кроме элементов эквивалентных схем pin-диода следует выделить другие
важные параметры, указывающие на возможность применения диодов для
различных приложений:
• Инжектированные в базу при прямом включении заряды не рекомби-
нируют мгновенно, в базе всегда сохраняется некоторый накопленный
заряд, зависящий от величины протекающего тока и времени жизни
носителей: Q = IFτ.
• Представленные модели и выражения справедливы для достаточно
высоких частот. Минимальная рабочая частота обратно пропорци-
ональна ширине базы и времени жизни носителя до его рекомби-
нации τ. Ее значение может составлять десятки МГц и определяется
соотношением [1, 6]: fmin >> 1/τ, так как носители в базе не должны
успевать рекомбинировать, чтобы в i-слое оставалось большое количе-
ство накопленного заряда. Уменьшая ширину базы, можно увеличить
значение fmin, но это также уменьшит значение напряжения пробоя
структуры.
• Время обратного восстановления определяет время переключения
устройства Тп, а его обратное значение – максимально допустимую
рабочую частоту fmax. Этот параметр связан с временем жизни носителя
до рекомбинации τ, а также со значениями прямого Iп и обратного Io
токов [4]:
1.2. Основные параметры переключательных pin-диодов 13
• Эквивалентная схема диода при обратном смещении (рис. 5) справед-
лива не для всех возможных значений прикладываемого обратного
напряжения. Начиная с некоторого значения напряжения в структуре
pin-диода, начинает происходить процесс ударной ионизации: силь-
ное поле позволяет носителю накопить за время свободного пробега
достаточное количество энергии, чтобы при столкновении с атомами
решетки полупроводника «выбить» из него еще один свободный но-
ситель, который также будет двигаться в сильном поле, накапливая
энергию и порождая новые носители. При достаточном значении на-
пряженности поля, называемого критическим Екр, ударная ионизация
может вызвать лавинный пробой диода, характеризующийся резким
снижением сопротивления диода в обратном смещении и ростом об-
ратного тока через диод. Поэтому величина напряжения, при котором
поле доходит до критических значений, является важнейшим пара-
метром переключательных pin-диодов. Это напряжение называется
пробойным и теоретически оценивается по формуле: Uпроб = EкрW.
В иностранной литературе этот параметр называется breakdown voltage
и обозначается как Vbr. Следует, однако, отметить [6], что реальное
значение напряжения пробоя меньше из-за превалирования пробоя
по боковой поверхности структуры диода.
• Так как для переключательного pin-диода наиболее важными парамет-
рами являются общее сопротивление в прямом включении и емкость в
обратном, то в качестве другого важнейшего параметра вводят еще один
показатель качества, так называемый Figure of Merit (FOM), который
имеет размерность времени и определяется произведением полного
сопротивления в открытом состоянии Ron (≈ RS) на емкость Coff (≈ CT)
в закрытом состоянии pin-диода: FOM = RonCoff. FOM обратно про-
порционален частоте, на которой реактивное сопротивление емкости
разомкнутых контактов становится равным активному сопротивлению
замкнутых и переключатель перестает управлять уровнем сигнала. Этот
показатель качества является мерой эффективности, и разработчики
переключательных полупроводниковых приборов стремятся к сниже-
нию этого параметра.
Таким образом, выбирая материалы изготовления диодов, его структуру,
например ширину базы, можно менять параметры pin-диода, создавая при-
боры под конкретные приложения. Например, для мощных переключателей
наиболее важными параметрами будут малое сопротивление при прямом
смещении и большое значение пробивного напряжения, а для широко-
полосности переключателя более важным параметром является емкость
pin-структуры.