微波pin二極管電阻與溫度的關(guān)系

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微波pin二極管是一種應(yīng)用非常廣泛的微波控制器件，可以用來制作微波開關(guān)、微波衰減器、微波限幅器、微波移相器等。

在各類微波pin二極管電路應(yīng)用中，二極管電阻的溫度特性強烈地影響著微波電路的溫度性能。pin二極管溫度效應(yīng)的研究包括對遷移率和載流子壽命的溫度特性的理論分析和實驗研究。

文中針對幾種不同結(jié)構(gòu)和鈍化材料的pin二極管，對其溫度性能進(jìn)行了研究，包括I區(qū)域載流子壽命與溫度的關(guān)系、遷移率與溫度的關(guān)系以及電阻與溫度的關(guān)系，研究表明：pin二極管電阻的溫度性能主要依賴于二極管結(jié)電容的大小。

1 理論分析

在微波工作狀態(tài)下，pin二極管的電阻與正向電流以及半導(dǎo)體材料參數(shù)相關(guān)�？捎煤喕�表達(dá)式來表示



式中：W為I區(qū)的厚度；IF為正向電流；μ為I區(qū)雙極遷移率μ=μn+μp；τ為雙極載流子壽命。式中，遷移率和載流子壽命與溫度相關(guān)，即對電阻的溫度性能有影響。

1. 1 遷移率

遷移率與溫度的關(guān)系比較復(fù)雜，但在一定的溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體體內(nèi)的雜質(zhì)已全部電離，本征激發(fā)還不十分明顯時，載流子濃度基本不隨溫度變化，影響遷移率的諸多因素中，晶格散射起主要作用，遷移率隨溫度升高而降低。一些學(xué)者的研究結(jié)果表明，在一50～+200℃(223"473 K)內(nèi)，遷移率和溫度的關(guān)系可表示為



式中：n值為2"2．2；t0為常溫，通常定為25℃(298 K)。

1．2 少數(shù)載流子壽命

少數(shù)載流子壽命不僅受到體內(nèi)復(fù)合的影響，更為重要的是，很大程度上受表面狀態(tài)的影響，τ是一個結(jié)構(gòu)靈敏參數(shù)，是體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合的綜合結(jié)果，可表示為



式中：τv是體內(nèi)復(fù)合壽命；τs是表面復(fù)合壽命。

研究發(fā)現(xiàn)：載流子壽命隨溫度的增加而增加，可表示為



式中m稱之為載流子壽命因子。

1．3 載流子壽命因子與電阻

比較式(2)和式(4)，在一50"+200℃(223"473 K)內(nèi)(微波pin二極管通常的工作溫度范圍)，令n=2，則得到微波pin二極管電阻的溫度特性為



由式(5)可以看出，電阻的溫度特性取決于遷移率和少數(shù)載流子壽命溫度特性的綜合結(jié)果。

圖1是以載流子壽命因子m為參數(shù)，由式(5)得到的歸一化電阻與溫度的關(guān)系曲線。圖1表明，pin二極管的電阻可以隨載流子壽命的增加而增加，也可以是減少或保持不變，當(dāng)m=2時，pin二極管的電阻不隨溫度變化。



影響載流子壽命因子m值的因素很多，包括：二極管幾何結(jié)構(gòu)(I區(qū)域的寬度、結(jié)直徑、結(jié)形狀等)、表面鈍化材料的電學(xué)性質(zhì)，以及本征層的載流子濃度等。這些因素中，由于pin二極管的工區(qū)域的載流子濃度一般不高于1014cm-3，當(dāng)外延材料雜質(zhì)濃度穩(wěn)定且缺陷很少時，外延材料參數(shù)對載流子壽命因子的影響可以忽略。需要重點研究的是二極管幾何結(jié)構(gòu)、表面鈍化材料對壽命因子m值的影響。

2 實驗和分析

2．1 實驗

研究了以下幾種不同結(jié)構(gòu)和鈍化材料的pin二極管電阻的溫度性能。

• 二極管A：臺式結(jié)構(gòu)，鉛玻璃鈍化，結(jié)電容小，I層厚度為21μm；
• 二極管B：臺式結(jié)構(gòu)，Si3N4／Si02復(fù)合介質(zhì)膜鈍化，結(jié)電容最小，擊穿電壓低，I層厚度為5μm；
• 二極管C：平面結(jié)構(gòu)，Si3N4／Si02復(fù)合介質(zhì)膜鈍化，結(jié)電容大，I層厚度為13μm；
• 二極管D：臺式結(jié)構(gòu)，玻璃鈍化，結(jié)電容最大，I層厚度為85μm。

表l和表2是四種二極管的常溫和高低溫下電參數(shù)測試結(jié)果。





2．2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)式(5)和表1、2中的數(shù)據(jù)，計算各溫度下的m值，得到上述四種pin二極管的平均結(jié)電容值(Ci)和m平均值(m)，如表3。并根據(jù)表3，得到壽命因子與二極管結(jié)電容的關(guān)系曲線和趨勢線，見圖2。





分析上述數(shù)據(jù)，不同的二極管有著不同的載流子壽命因子m值，但m值與二極管的擊穿電壓、器件結(jié)構(gòu)以及鈍化材料沒有太大的關(guān)系，擊穿電壓高二極管的壽命因子不一定大或小，而結(jié)電容相近的二極管，即便鈍化方式不同，但卻有著相近的m值。也就是說，結(jié)電容的大小對m值的影響最大。究其原因，結(jié)面積的大小直接影響著二極管載流子的表面復(fù)合，對二極管在不同溫度下載流子壽命的大小起著決定性的作用，即在式(1)中，雖然沒有結(jié)電容的因子，但式中載流子壽命τ與pin二極管的結(jié)面積密切相關(guān)，且隨著pn結(jié)面積的減少而減小。

由圖2中的趨勢線可以看出，載流子壽命因子m與結(jié)電容的關(guān)系近似為線性關(guān)系。當(dāng)結(jié)電容達(dá)到0．9 pF時，載流子壽命因子m=1，由式(4)可知，此時二極管的電阻與溫度的關(guān)系約為線性關(guān)系，即溫度的上升，導(dǎo)致二極管電阻值的線性增加。m值小于2，根據(jù)式(5)得到：微波pin二極管的溫度系數(shù)是正值，溫度上升，導(dǎo)致了二極管電阻的增加。

2．3 不同Cj下，電阻與溫度的關(guān)系

根據(jù)式(5)和圖2趨勢線得到的m值，得到二極管歸一化電阻和溫度的關(guān)系曲線，該曲線可以用來預(yù)計二極管在不同溫度下的電阻。如圖3。



2．4 Rf與Rs

上述測試數(shù)據(jù)中，采用的二極管的電阻值是正向微分電阻。二極管電阻的測試有兩種方法，分別得到正向微分電阻Rf和微波串聯(lián)電阻Rs。Rf的測量對檢驗二極管金屬化工藝質(zhì)量更直觀，Rs對pin管應(yīng)用電路設(shè)計更方便一些。

正向微分電阻的測量是在直流偏置If=(O"100)mA下，疊加50 Hz／5 mA的交流信號，該信號提供一個較小的△I，從而獲得一個△V，則Rf=△V/△I，這種辦法模擬了微波使用狀態(tài)；微波串聯(lián)電阻Rs的測量是在直流偏置If=(10"100)mA下，通常是10、50、100 mA三種偏置狀態(tài)，采用隔離度測量法或反射系數(shù)測量法來測量計算得到Rs。

可以證明：當(dāng)RjωCj《l時，二極管的電阻與頻率基本無關(guān)，Rf≈Rs。微波電路中使用的二極管的結(jié)電容不大，通常小于1 pF，在If=(10"100)mA內(nèi)，Ri通常小于10 Ω，完全能夠滿足RjωCj《1。因此，上述關(guān)于Rf的研究結(jié)果同樣適用于微波串聯(lián)電阻Rs、Rf和Rs均可以用來表征微波pin二極管在微波狀態(tài)下的電阻性能，只是兩者的測試方式不同。

以Model A為例，測量正向微分電阻Rf與微波串聯(lián)電阻Rs，并進(jìn)行了對比，見表4。測試使用WB-201型正向微分電阻測試儀和Agilent4287A RFLCR METER。由以下數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)正向電流較大時，Rf≈Rs；正向電流較小時，由于正向微分電阻測試儀器內(nèi)的交流小信號幅度不是很小，導(dǎo)致與Rs的測試誤差較大。



2．5 應(yīng)用

應(yīng)用上述結(jié)果可以預(yù)計pin開關(guān)、電調(diào)衰減器等微波pin二極管電路的溫度特性。

以并聯(lián)結(jié)構(gòu)微波pin二極管開關(guān)為例，研究其隔離度與溫度的變化。在負(fù)偏置情況下，pin二極管結(jié)電容基本不隨溫度變化，其對隔離度的影響可以忽略不計，隔離度隨溫度變化的主要因素是二極管的電阻。

對于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的pin二極管微波開關(guān)，其隔離度ISO可表示為



式中：G是二極管的導(dǎo)納，G=1／Z；Y0=1／Z0=0．02Ω。并假定二極管的正向工作電流IF下，Rt0=1．4Ω；雙金絲并聯(lián)引線電感(L1=L2=0．15 nH)，工作頻率f=3 GHz，則X=ωL=1．413Ω，如不考慮互感，貝Zf0=0．7+j1．413(Ω)，Yf0=a+jb=(0．353 8一j 0．357 1)Ω。

根據(jù)表3，Cj=0．105 pF時，m=1．510；Cj=0．594 pF時，m=1．198。根據(jù)式(5)、(6)，編制了簡單的計算軟件，得到這兩種不同結(jié)電容pin二極管開關(guān)隔離度的溫度特性，見圖4。



3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，微波pin二極管的電阻的溫度性能微觀上受載流子壽命、電子遷移率、表面狀態(tài)等諸多因素的影響，其綜合結(jié)果表現(xiàn)為二極管電容值對二極管的電阻的影響最大，微波pin二極管的鈍化方式和幾何結(jié)構(gòu)對其電阻的溫度性能影響不大。結(jié)電容為0．1"1．0 pF的微波二極管即使鈍化方式不同，其電阻都具有正的溫度系數(shù)，溫度的升高導(dǎo)致二極管電阻的增加，約為線性關(guān)系。結(jié)電容越小，則m值越接近于2，電阻隨溫度的變化越�。环粗�，變化越大。

研究結(jié)果可以用來預(yù)計pin二極管開關(guān)的隔離度、衰減器衰減量的溫度性能，通過溫度補償設(shè)計，制作出溫度性能優(yōu)良的pin二極管微波電路。

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