Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. Олеся Гончара

Факультет фізики, електроніки та компютерних систем

Кафедра радіоелектроніки

Курсова робота

на тему P-i-n-діод

ЗМІСТ

ВСТУП

1. Фізичні явища в перемикаючих p-i-n - діодах

1.1 Вольт - амперна характеристика

1.2 Перехідні процеси при подачі прямого зміщення

1.3 Перехідні процеси при перемиканні від прямого зміщення до зворотного

2. Технологія швидкодіючих p-i-n - діодів

2.1 Структура р-i-n - діода і вимоги до параметрів напівпровідникового матеріалу

2.2 Методи створення p-i-n - структур

2.3 Конструкції р-i-n - діодів

3. Практична частина

ВИСНОВОК

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

фізичний діод напівпровідниковий зміщення

ВСТУП

Останнім часом p-i-n - діод став основним елементом напівпровідникових високошвидкісних НВЧ - модуляторів. Це пов'язано з низкою перевагою p-i-n - діодів у порівнянні із раніше існуючими варакторними діодами.

При прямому зсуві p-i-n - структура звичайно являє собою активний опір. При зворотному зміщення її можна уявити у вигляді послідовно з'єднаних опору та ємності. Різка зміна імпедансу напівпровідникової структури p-i-n - діода і, отже, імпедансу модулятора відбувається поблизу точки нульового зсуву. При прямому зсуві, починаючи з деякої величини Iпр, імпеданс слабо залежить від струму. У зворотньозміщеному стані ємність бази діода на одиницю площі відносно мала і не залежить від напруги зсуву. Тому характеристики модулятора в обох станах зсуву на діод виходять на насичення і майже не залежать від параметрів керуючого сигналу. Внаслідок цього коливання потужності падаючого НВЧ - сигналу і температури не призводять до значних змін характеристик модулятора. Для варакторних діодів характерно плавну зміну імпедансу, і характеристики НВЧ - модуляторів з такими діодами істотно залежать від напруги зсуву. Тому при використанні варакторних діодів повинні висуватися підвищені вимоги до стабільності параметрів керуючого сигналу. Коливання потужності НВЧ - сигналу і температури впливають на характеристики таких модуляторів більшою мірою, ніж модуляторів на p-i-n - діодах. Крім того, у варакторних діодів ємність на одиницю площі напівпровідникової структури і послідовний опір при малих зсувах дещо великі, що створює труднощі при конструюванні модуляторів з малими втратами НВЧ - потужності .

За рівнем комутованої потужності p-i-n - діоди перевершують варакторні діоди. Так, у лініях зв'язку діапазону частот 10 - 20 ГГц типове значення потужності НВЧ - сигналу на виході модуляторів на діодах Шотки не перевищує 100 мВт. Заміна діода Шотки p-i-n - діодом дозволяє піднімати рівень вихідної потужності фазового модулятора при збереженні колишньої швидкості передачі інформації.

Напівпровідникові p-i-n - діоди використовуються в апаратурі, що виробляє електромагнітні коливання діапазону надвисоких частот (НВЧ), випромінює їх у навколишній простір у вигляді радіохвиль і приймаючи, і перетворюючи ці хвилі з подальшим використанням перетвореного сигналу для управління виконавчими механізмами, а також для індикації і вимірювання радіохвилі. Електромагнітні коливання діапазону НВЧ володіють рядом фізичних особливостей, завдяки яким вони знайшли застосування в найрізноманітніших напрямках науки і техніки. Найбільш важливим є те, що ці хвилі за характером розповсюдження наближаються до світлових хвилях (мають квазіоптичні властивостями) і здатні проникати крізь всю атмосферу, включаючи іонізовані верхні шари.

Діоди прості конструктивно, мають малі габаритні розміри і масу, споживають невелику енергію, володіють високою швидкодією і порівняно недорогі. Підвищення якості p-i-n - діода може бути пов'язано з досягненням більш високих параметрів таких як, пробивну напруга V_проб при зворотному зсуві, прямий струм через діод I_пр, прямий і зворотній опір втрат _пр и _обр.

1. Фізичні явища в перемикаючих p-i-n - діодах

1.1 Вольт - амперна характеристика

При моделюванні процесів протікання струму в p-i-n - діодах, як правило, використовують таке припущення: ступінчатості розподілу домішок на кордонах p-i та p-n - переходів; незалежність рухливості і часу життя носіїв заряду від їх концентрації; одномірність геометрії діодів.

P-i-n - діоди, які призначаються для високошвидкісної модуляції НВЧ - потужності, зазвичай мають тонку базy: w < L_i, де L_i - дифузійна довжина носіїв заряду в i - області. Щільність, прямого струму коливається від десятків до тисяч А/см2. У цьому діапазоні густин струму коефіцієнти інжекції переходів суттєво відрізняються від одиниці, тобто відбувається інжекція основних носіїв заряду з бази в низькоомні області p-i-n - структур. Це призводить до того, що нерівноважні носії заряду накопичуються не тільки в i - області, але і в контактних областях. У більшості випадків заряд контактних областей значно менше заряду, що накопичується в базі. Однак рекомбінаційні процеси в цих областях можуть визначати вигляд ВАХ p-i-n - діода. Неідеальність переходів характеризується добротністью В_p і добротністью В_n, які є складними функціями параметрів р - та n - контактних областей та напруги на переходах. Зі збільшенням напруги добротність переходів падає. До зниження добротності призводить також нерізкість реальних p-i - та i-n - переходів і наявність у них значних концентрацій рекомбінаційних центрів. У залежності від співвідношення між рекомбінаційними струмами в базі р-i-n - діода і в контактних областях на ВАХ р-i-n - діода можна виділити три типових ділянки.

1) При малій щільності струму коефіцієнти інжекції р-i - та i-n - переходів близькі до одиниці, переважає рекомбінація в базовій області та ВАХ діода описується залежністю по Холу

, (1)

де I_пр - прямий струм через діод;

V_пр - падіння напруги на діод при прямому зсуві;

q - заряд електрона;

k - постійна Больцмана;

Т - температура.

2) У міру зменшення добротності переходів та зростанням прямого зсуву на діод стає істотною инжекція носіїв заряду в контактні області. Коли рекомбінаційний струм в цих областях стає рівним рекомбінаційному струму в базі, ВАХ р-i-n - діода можна виразити у вигляді

. (2)

Крутизна ВАХ на цій ділянці вище, ніж на холловскій. 3) При подальшому зростанні щільності струму, коли рекомбінація в низькоомних р - та n - областях починає переважати над рекомбінацією в базовій області, крутизна ВАХ p-i-n - діода зменшується, і зв'язок між струмом і напругою на діод приймає вигляд

, (3)

де V₀ - сума падінь напруги на контактах і різниці потенціалів Дембера. Слід зазначити, що друга ділянка ВАХ має велику протяжність у діодів з низьким співвідношенням w / L_i, у р-i-n - діодів з w / L_i ~ 1 такої ділянки ВАХ практично не спостерігається.

1.2 Перехідні процеси при подачі прямого зміщення

У разі високого рівня інжекції прямий перехідний процес в p-i-n - діоді можна умовно розділити на три фази. Перша фаза - встановлення квазінейтральності в базі діода. Протягом цієї фази струм в базі визначається в основному дрейфом носіїв заряду. Друга фаза - фаза, в якій переважає амбіполярна дифузія носіїв у квазінейтральній базі. Третя фаза - стаціонарний розподіл носіїв. Рівняння неперервності для заряду в базовій області діода з урахуванням витоків через переходи для симетричної моделі діода (b=1, B_p=B_n=B_Д) може бути записано у вигляді

, (4)

де Q_N - заряд іонізованих домішок в базі;

B_Д - добротність переходів.

Для p-i-n - діодів з контактними областями нескінченної протяжності впливом металевих контактів на добротність переходів можна знехтувати. У цьому випадку ефективний час життя носіїв заряду _э визначається виразом

, (5)

де Dс - дифузія носіїв в контактній області. При використанні параметра _эф рівняння (5) спрощується

. (6)

Якщо з моменту перемикання в стан з прямим зміщенням через діод протікає постійний струм I_пр, розв'язок рівняння (6) має вигляд

. (7)

У стаціонарному стані Q_S = I_np*_эф. Ефективний час життя може бути визначений з вимірів величини накопиченого заряду і застосовується для розрахунку прямого струму. Градієнти концентрацій дифундують носії заряду для симетричної моделі діода та визначаються з умови

. (8)

Дві дифузійні течії квазінейтральной електроно-дірочной плазми, що рухаються назустріч один одному від країв бази, зустрічаються в центрі бази в момент

t_C = w²/8D, (9)

де D = 2bD_p/b+1 - амбіполярний коефіцієнт дифузії носіїв заряду.

Якщо t_C << _эф, то в період часу до зустрічі дифузійних фронтів рекомбінацією носіїв заряду можна знехтувати. У цьому випадку в проміжку часу t`_C t t_C (t_C - час встановлення квазінейтральності заряду в базі) для концентрації дірок на межах бази можна записати

. (10)

Для t >> t_C розподіл носіїв заряду в базі можна вважати однорідним і

Q_S = Aqwp_i(0). (11)

Якщо знехтувати падінням напруги на i - області, то припускаючи справедливість розподілу Больцмана

P_i(0) = p_i0exp(qV_p-i/kT),

де p_i0 - рівноважна концентрація дірок у i - області, з виразів (7), (10) легко визначити падіння напруги на діоді при перехідному процесі.

1.3 Перехідні процеси при перемиканні від прямого зміщення до зворотнього

Процес розсмоктування накопичених носіїв заряду при перемиканні діода в стан із зворотним зміщенням можна також характеризувати трьома основними фазами. Перша фаза - фаза квазі-нейтральності, протягом якої відбувається збіднення носіями областей бази, прилеглих до кордонів p-i - та i-p - переходів. Друга фаза - розвиток областей об'ємного заряду, що виникають біля кордонів бази і розростаються до її центру. У цих областях струм обмежений об'ємним зарядом. Третя фаза - фаза переносу, в якій після змикання областей об'ємного заряду з бази витягуються нерівноважні електрони і дірки.

Процес відновлення зворотнього опору p-i-n - діода з урахуванням зарядів контактних областей може бути розділений на чотири фази: фазу відновлення зарядів контактних областей, фазу квазінейтральності процесу відновлення заряду бази, фазу розвитку областей об'ємного заряду і фазу переносу.

У цей період струм підтримується зарядом 2QC . Першими від неосновних носіїв заряду звільняються шари, що прилягають до кордонів p-i - та i-n - переходів. Цей процес подібний до процесу в діодах з різким відновленням. Так як граничні концентрації носіїв заряду в базі діода і контактних областях пов'язані між собою розподілом Больцмана, то будь-яке зменшення концентрації неосновних носіїв заряду в контактних областях супроводжується відповідним зменшенням концентрації електронів і дірок в базі діода. Отже, у цей період часу поряд із зарядом контактних областей відновлюється частина заряду i - області. Однак ця частина мала в порівнянні з Qi0. Тому можна вважати, що протягом цієї фази заряд Qi0 залишається незмінним.

Рис. 1. Розподіл носіїв і заряду в контактній області під час відновлення зарядів цій галузі.

При розрахунку тривалості фази експоненційний розподіл електронів і дірок у контактних областях апроксимується трикутним розподілом (pиc. 1) з тим же значенням Q_С0 і з тією ж концентрацією носіїв заряду на кордонах. Тривалість фази визначається часом t₁, за який концентрація неосновних носіїв заряду на межах переходів (x = w/2) стає рівною нулю. Градієнти концентрації носіїв заряду в момент t = t₁ визначаються струмами I_np, і I_обр. За час t₁ відновлюється заряд 2Q_C1, який легко отримати з геометричних розрахунків (pиc. 3). Прирівнюючи 2Q_C1 к I_обрt₁ можна отримати трансцендентне рівняння для визначення t₁:

, (12)

- де ,

.

Фаза квазінейтральності процесу відновлення заряду бази починається з моменту t₁ і триває до моменту виникнення областей об'ємного заряду t₂. У цьому періоді часу градієнти концентрації носіїв заряду в базі і на межах переходів рівні:

, (13)

де I_C(t) - залишковий струм контактних областей.

Залишковий ток уповільнює процес відновлення заряду бази. При нехтуванні I_C(t) час перемикання і напруга на діод змінюється не більш ніж на 10%. Тому для практичних оцінок можна використовувати спрощену модель перехідного процесу, що не враховує цей залишковий струм. Розподіл носіїв заряду в базі p-i-n - діода в момент закінчення фази квазінейтральності може бути апроксимованим або трапецеїдальним розподілом (рис. 2а), або трикутним (рис. 2б).

Рис. 2. Відновлення заряду i - області при трапецієподібно (а) і трикутному (б) розподілі носіїв заряду.

Трапецієподібно розподіл реалізується за умови

, (14)

де l - довжина верхньої основи трапеції.

У цьому випадку з геометричних розрахунків неважко визначити момент закінчення фази t₂, для трапецеідального розподілу:

. (15)

При l <0 реалізується апроксимація трикутним розподілом і:

. (16)

Фаза розвитку областей об'ємного заряду. При t>t₂ умова квазінейтральності в базі не може виконуватися для всієї i - області. У p-i - та i-n - переходів утворюється області об'ємного заряду, які розростаються в напрямку до середини i - області. При цьому трапецієподібний розподіл переходить у трикутний (рис. 4а) у момент

. (17)

Ширину областей об'ємного заряду характеризують змінної координатою S (t), яку також можна визначити з геометричних розрахунків:

для трапецеідального розподілу

; (18)

для трикутного розподілу

. (19)

У виразах (18) та (19) момент закінчення фази розвитку областей об'ємного заряду t₃ і залишковий заряд в базі в момент t₂ визначаються виразами

; (20)

. (21)

У момент t₃ відбувається змикання областей об'ємного заряду. До цього часу з бази екстрагується основна частина накопиченого заряду. Фаза переносу. У цій фазі з бази видаляються електрони і дірки, що знаходяться в областях об'ємного заряду. Концентрацію їх можна оцінити з вирази для струму, обмеженого об'ємним зарядом:

. (22)

На час початку фази в більшій частині бази дрейфова швидкість носіїв заряду виходить на насичення (v_дрv_т см/с). Тому тривалість фази переносу визначається часом їх прольоту з максимальною швидкістю відстані, рівного половині товщини бази:

t₄-t₃=w/2v_т. (23)

При tt₄ база р-i-n- діода вільна від рухливих носіїв заряду і може бути представлена незалежну від напруги ємністю С_i=*₀*A/w Зворотній струм не може підтримуватися постійним і зменшуватися до нуля.

Напруга на діоді. У перших двох фазах напруга на діод змінюється від V_пр до V_обр(t₂). Остання величина невелика і визначається опором контактних областей та бази в момент t=t₂. Для фази розвитку областей об'ємного заряду при =const можна записати

. (24)

Вираз для напруги в фазі переносу можна отримати інтегруванням напруженості поля по всій базі. Однак необхідність обліку струму зміщення значно ускладнює цю задачу, яка спрощується, якщо для оцінки V_обр. B цей період часу скористатися лінійної апроксимацією V_обр(t). Аналіз показав, що у фазі переносу напруга на діод зростає від V_обр до 3/2 V_обр при t=t₄. Тому можна записати

. (25)

Така апроксимація цілком виправдана, оскільки t₄-t₃<<t₃

Для t>t₄ напруга на p-i-n - діод збільшується від V_обр(t₄) до напруги джерела струму з постійною часу _н=R_нc_i,

де R_н - внутрішній опір джерела струму,

с_i - ємність бази діода.

У ряді випадків, наприклад, при оптимізації форми імпульсу струму управління перемикаючими р-i-n діодами і при аналізі процесів взаємодії p-i-n - діодів зі схемою управління не потрібно знання детального розподілу носіїв заряду у i - області. У цих випадках діод розглядається як елемент ланцюга (ємність), в якому процес накопичення та розсмоктування заряду описується рівнянням (6).

2. Технологія швидкодіючих p-i-n - діодів

2.1 Структура р-i-n - діода і вимоги до параметрів напівпровідникового матеріалу

Швидкодіючі перемикаючі p-i-n - діоди являють собою зібрані в корпуси чи кріплення р-i-n структури з тонкою (від 1 до 10 мкм) високоомній ( > 10 Ом*см) ) базової i - областю n - або p - типу провідності. Матеріалом базової області зазвичай є епітаксиальні плівки кремнію. В якости низькоомних р - і n - областей використовуються низькоомні підкладки кремнію, тонкі епітаксиальні, дифузійні або іонно-леговані шари. Площа таких p-i-n - структур звичайно становить від 2*10^-7 до 8*10^-5 см²

Для мінімізації внеску в _пр та _обр опорів n - і p - областей товщину і питомий опір останніх прагнуть робити мінімальними. Крім того, зі зменшенням _n і _p зменшується опір контактів до цих областях.

При епітаксії внаслідок автолегірованія і дифузії домішки з підкладки на межі розділу між низькоомний і високоомній областями пластини утворюється перехідний шар зі змінною концентрацією домішки. Товщина його може бути порівнянна з розмірами бази діода. Аналогічний шар утворюється при створенні дифузійного або епітаксиального переходів в високоомній плівці.

Неповне збіднення цих шарів при зворотному зсуві призводить до збільшення зворотнього опору втрат діодів. При прямому зсуві через наявність перехідних шарів зменшуються коефіцієнти інжекції переходів. Тому при створенні діодних структур приймаються спеціальні заходи до збільшення різкості переходів.

Для того щоб повне збіднення базової області діода і перехідних шарів було отримано при невеликій напрузі зворотного зсуву, питомий опір i - шару має бути максимально великий.

2.2 Методи створення p-i-n - структур

Епітаксиальні плівки Si для швидкодіючих перемикаючих діодів вирощують розкладанням SiCl₄, SiH₄ , а також методом молекулярно-променевої епітаксії. Вирощування зазвичай проводять на підкладках n - типу провідності з питомим опором 0,001 - 0,003 Ом. При епітаксії для зменшення товщини перехідного шару між низькоомний підкладкою і високоомною плівкою вживають заходи, що знижують ефект автолегірюванія. Для цієї мети перед епітаксиальним вирощуванням зворотний бік підкладки маскують нелегований матеріалом, а процес епітаксії проводять у два етапи. На першому етапі при високій температурі вирощують тонкий (близько 0,4 мкм) шар нелегованого Si, на другому при більш низькій температурі цей шар дорощувати до необхідної товщини. При піролізі SiH₄ в якості маски може бути використаний шар SiO₂ , для SiCl₄ краще маскування високоомним шаром Si. Типові значення товщини перехідних шарів у епітаксіальних структурах, які використовуються для створення БПД, лежать в межах 0,4 - 0,6 мкм. Молекулярно-променева епітаксія, що проводиться в ультрависокому вакуумі при порівняно низькій температурі (950 - 1050 ° С), дозволяє зменшити товщину перехідного шару приблизно до 0,2 мкм. Зазвичай p-i - перехід створюється низькотемпературної (Т = 860-880 ° С) дифузією Бора на глибині 0,15 - 0,22 мкм. При виготовленні р-i-n - структур за технологією зверненої мезаструктури підкладку підбурюють до товщини приблизно 10 мкм. При створенні прямої мезаструктури підкладку також стоншують.

В якості контактів до сильнолегірованним областям р-i-n - структур використовуються тонкі шари Cr, Ti и Pd₂Si. Контакти формуються у вигляді багатошарових систем Ti-Au [15,16], Cr-Pd-Au. Значення середнього питомого опору цих контактів _s=(^s_p+^s_p)/2 для _p,_n 0,005 Ом*см см порівняти і приблизно пропорційні опору p - та n - областей. При _n=0,0015 Ом*см та _p = 0,001 Ом*см в діапазоні частот 700 - 1700 МГц для всіх типів контактів _s<10^-6 Ом*см^-2.

Адгезія Ti та РdSi₄ к Si краще, ніж Cr. Крім того, для хромового контакту спостерігається аномальна залежність опору від щільності прямого струму. Недоліком Ti є його взаємодія з травітелем для кремнію. Внаслідок цього при формуванні мезаструктури якість титанового контакту може суттєво погіршуватися.

Типові варіанти р-i-n - мезаструктур для швидкодіючих перемикаючих діодів показані на pиc.3.

Рис. 3. Варіанти виконання p-i-n - структур для швидкодіючих перемикаючих діодів.

Для отримання мезаструктури, наведеної на рис.3, після дифузії Бора в i - шар підкладку сошліфовивают приблизно до 10 мкм, створюють металеві контакти і з допомогою фотолітографії формують мезаструктури за діаметром верхнього контакту (близько 70 мкм). До остаточного діаметра (17 - 20 мкм) дотравлюють мезаструктуру після збирання діода. Діодна структура (рис. 3б) отримана за стандартною технологією зверненої мезаструктури з інтегральним відводом тепла. На рис. 3д показана p-i-n - структура у вигляді прямої мезаструктури з балочними висновками. У такій конструкції металевий контакт розташований в безпосередній близькості від мезаструктури, що дозволяє зменшити внесок опору підкладки в повний опір діода.

Технологія повністю епітаксіальних p-i-n - структур. На низькоомній, орієнтованій в площині n - підкладці вирощуються послідовно р - шар товщиною близько 5 мкм з _p 0,001 Ом*см, нелегований i - шар (от 1 до 15 мкм) і тонкий (~1 мкм) n - шар _n 0,0015 Ом*см. Така структура епітаксіальних шарів дозволяє, використовуючи селективний травитель, повністю стравити n - підкладку і отримати однорідні по товщині звернені мезаструктури з низьким питомим опором p - та n - областей (рис. 3г). Варіант технології виготовлення прямої мезаструктури для БПД подібний до технології створення p-i-n - структури обмежувального діода. У цьому варіанті високоомний i - шар і низькоомний n - шар послідовно нарощуються на низькоомній підкладці p - типу провідності.

Для отримання діодних структур з поверхнею, пассівірованной термічним SiO₂, на епітаксиальний i - шар осідає Si₃N₄ фотолітографії по Si₃N₄ формуються прямі мезаструктури, потім проводиться термічне окиснення бічної поверхні цих структур, видаляються залишки Si₃N₄ і в відкритих вікнах створюються дифузійні р-i - переходи.

Існує технологія, яка полягає у створенні p-i-n - структури одночасною дрібною дифузією донорів і акцепторів у високоомну тонку плівку Si. Технологічна схема цього методу представлена на рис. 4.

Рис. 4. Технологічна схема виготовлення p-i-n - структур з дифузійними n - та р - областями.

Вихідні пластини являють собою епітаксиальні p-i - (або n-i -) структуры. Всю підкладку товщиною 200 - 400 мкм стравлюють хімічно в потоці газу або електрохімічно. Епітаксіальну плівку стоншують до 2 - 6 мкм. Дифузію B і P проводять одночасно з боро - і фосфоросілікатних стекол, нанесених на протилежні сторони плівки. Після короткочасної дифузії (5 - 15 хв при 1100 ° С), при якій p-i - та i-n - переходи формуються на глибині від 0,5 до 1,5 мкм від поверхні, залишки скла стравлюють і на обидві сторони напилюють металеві контакти типу Ti - Au.

Цей метод дозволяє застосувати елементи планарної технології, при цьому SiO₂використовується в якості дифузійного маски. Загальний вигляд p-i-n - мезаструктури, виконаної за планарної технології, показаний на рис. 3г.

Для отримання високої швидкості перемикання НВЧ-потужності розроблені плананарние діоди "стільникового" структури з діаметром р-i - переходу близько 5 мкм і товщиною i - області близько 1 мкм (рис. 3е). У таких структурах pi - перехід формується селективної імплантацією іонів бору в високоомних епітаксиальні плівки Si. Маскою при імплантації служить шар SiO₂.

У деяких випадках для зменшення часу життя носіїв заряду p-i-n - структури легують золотом.

2.3 Конструкції р-i-n - діодів

Для високошвидкісної модуляції НВЧ, використовуються як корпусні, так і безкорпусні конструкції р-i-n - діодів (рис. 5). Монтаж діодів в кварцовий і металокерамічний корпусу зазвичай застосовують для діапазону частот до 55 ГГц. На цих частотах можуть бути використані і металлосапфірові корпуси. Для більш високих частот, де потрібні малі значення НК, діоди зазвичай монтують на штифті з однією або двома металізованими кварцовими опорами. При складанні "стільникової" структури чіп з малих р-i-n - структур поміщується в утримувач у вигляді хвилєвидной вставки зменшеного перерізу, контакт до структури здійснюється тонкою голкою з золото-нікелевого сплаву. Пасивація p-i-n - структур лаками і SiO2 кілька погіршує параметри діодів на НВЧ. Для уникнення цього безкорпусні діоди монтують в хвильовий модуль, який герметизується майларовим склом і заповнюється інертним газом.

Для оптимізації параметрів НВЧ - модуляторів в кожному інтервалі частот потрібні цілком визначені величини СК і LS. Ємність СК можна регулювати в широких межах вибором геометричних розмірів корпусу. Індуктивність LS також можна варіювати зміною довжиною і кількістю виводів (монтажних стрічок) від верхнього контакту мезаструктур.

Рис. 5. Способи збирання швидкодіючих перемикаючих р-i-n - діодів:

а) в кварцовий корпус,

б) у металокерамічний корпус,

в) на штифтах з однією металізованою опорою,

г) на штифтах з двома металізованими опорами,

д) пряма мезаструктура з балковими виводами,

е) "стільникова" структура.

3. Практична частина

Рис. 6. Схема для виміру ВАХ швидкодіючого перемикаючого p-i-n - діода.

Рис. 7. ВАХ швидкодіючого перемикаючого p-i-n - діода.

На рис.7 показана залежність струму від напруги швидкодіючого перемикаючого p-i-n - діода, призначеного для високошвидкісної модуляції НВЧ-потужності в цифрових системах зв'язку. Товщина бази діода близько

2 мкм при діаметрі p-i-n - структури 30-35 мкм. На ВАХ не спостерігається перехід до квадратичної ділянки навіть при щільності струму (4000-6000)

А/ см², що може свідчити про високу добротність переходів і порівняно великому часу життя носіїв заряду в i - області.

Загальний накопичений заряд Q_S є сума зарядів у i - області, p - та n - областях. Для симетричної моделі діода

, (26)

де Q_i - накопичений заряд в базі діода;

Q_C - накопичений заряд в контактній області.

Рівняння неперервності для заряду, що є основою методу, у цьому випадку має вигляд

, (27)

де _i - час життя носіїв заряду в i - області при високому рівні інжекції;

_С - час життя носіїв заряду в контактних областях.

Розподіл носіїв заряду в базовій і контактних областях в стаціонарному стані для симетричного випадку показано на рис. 8.

Рис. 8. Стаціонарне розподіл носіїв і накопичених зарядів в базовій і контактних областях для симетричної моделі p-i-n - діода.

Згідно розподілу Больцмана концентрація носіїв у i - області на кордоні з р - областю пов'язана з їх концентрацією в p-області співвідношенням

, (28)

де р₀ - концентрація рівноважних дірок в р - області;

V⁰_p-i - контактна різниця потенціалів на р-i - переході;

V_p-i - зовнішня напруга на p-i - переході;

p_i, n_i - концентрація електронів і дірок у базі.

Аналогічне співвідношення виконується і на i-n - переході. Вираз (28) справедлив до тих пір, доки в р - області виконується умова низького рівня інжекції. Зі зростанням інжекції в (28) p₀ необхідно замінити на p₀+n_C(p), де n_C(р) - концентрація електронів, інжектованих в р - область, и залежність (28) ускладнюється. Для p-i-n - діодів з w<L_i при J< 10³ А/см² падінням напруги на базі в стаціонарному стані можна знехтувати. У цьому випадку для симетричної моделі падіння напруги на кожному з переходів дорівнює.

,

де V_p-n - загальна контактна різниця потенціалів діода.

З огляду (6), а також вважаючи однакову ступінь легування р - та n - областей (p₀=n₀=N_C), розподіл носіїв заряду в i - області може бути записан у вигляді (див. рис. 2)

, (29)

де N_C - концентрація донорів (акцепторів) в контактних областях;

L_i - дифузійна довжина носіїв заряду в i - області;

У контактних областях швидкодіючих перемикаючих p-i-n - діодів зазвичай виконується умова низького рівня інжекції. Тому розподіл концентрації неосновних носіїв описується експоненціальним законом

, (30)

де w - товщина бази діода з урахуванням верств збіднення.

При прямому зсуві цією поправкою можна знехтувати навіть для діодів з дуже тонкої базою. Заміна w * на w у (30) приводить до помилки не більше 10%. Вираз для стаціонарних зарядів Q_i0 и Q_C0 виходить інтегруванням (29) і (30). Використовуючи рівняння безперервності (27) в стаціонарному випадку, можна одержати співвідношення між цими зарядами і напругою на діод.

Q_C0 = AqN_CL_CV², (31)

, (32)

(33)

де А - площа діода;

w - товщина базової області p-i-n - діода.

Висновок

1. Виконавши курсову роботу я засвоїв Фізичні явища в перемикаючих p-i-n - діодах та Технологію швидкодіючих p-i-n - діодів.

2. Опанував методи вимірювання вольт-амперних характеристик p-i-n - діодів.

3. Зробив висновки за отриманими результатами і оцінив можливість практичного використання p-i-n - діодів.

Використана література

Проектування інтегральних приладів НВЧ: Довідник/ Ю.Г. Ефремов, В.В. Конін, Б.Д. Солганік та ін. К.: Техніка, 1990 - 159 с.

Антени і прилади НВЧ. Проектування фазованих антених решіток. Під ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радіо та звязок, 1994 - 592 с.

Сазонов Д.М. Антени и прилади НВЧ: Учеб. для радиотехніч. спец. вузів. М.: Вищ. шк., 1988 - 432 с.

Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. НВЧ фазообертачі та перемикачі: Особливості створення на p-i-n - діодах в інтегральному виконанні . М.: Радіо та звязок, 1984 - 184 с.

Размещено на Allbest.ru