Инжекционные высокочастотные и импульсные диоды

Концептуальная диаграмма.

Инерционность диодов обусловлена барьерной емкостью С_б и накоплением в базе инжектированных неосновных носителей заряда, что формально выражается как наличие у диода диффузионной емкости С_диф. Поскольку каждая из этих величин пропорциональна площади p-n перехода, то одним из обязательных методов повышения быстродействия диодов является уменьшение площади перехода, хотя это и сопряжено со снижением преобразуемой мощности.

Однако уменьшение площади перехода не может изменить соотношения между активной и реактивной составляющими тока диода и, поэтому, улучшение, например, выпрямительных свойств диода на высоких частотах можно получить только системой мер, приводящих либо к сокращению времени рассасывания инжектированных в базу носителей, либо исключающих сам процесс инжекции таких носителей.

Начнем с совокупности мер, обеспечивающих высокую скорость рассасывания неосновных носителей. Прежде всего, эта скорость определяется временем жизни неосновных носителей. Время жизни неравновесных носителей уменьшается при введении в базу примеси, образующей рекомбинационные ловушки для СНЗ. Такой примесью является, например, золото. Далее, если ширину базы сделать меньше длины диффузии и одновременно обеспечить высокую скорость рекомбинации неосновных носителей на электроде базы, то количество накапливающихся в базе за полупериод или импульс прямого напряжения неравновесных носителей уменьшится, и, соответственно, уменьшится диффузионная емкость.

Наконец, время рассасывания неосновных носителей можно уменьшить, создав в базе внутреннее электрическое поле, способствующее их экстракции. Такое поле можно создать путем неравномерного распределения донорной (или акцепторной) примеси в базе.

Перечисленные пути уменьшения инерционности, в той или иной степени, реализуются в разработанных ныне технологических методах изготовления высокочастотных и импульсных диодов. Таких методов четыре.

Исторически первым был разработан метод изготовления точечных диодов с прижимным контактом (рис.11.1.а). Пружинящая игла из сплава вольфрама с молибденом, покрытая тонким слоем индия (германиевые диоды) или алюминия (кремниевые диоды), прижимается к поверхности кристалла полупроводника n-типа, напаянного на кристаллодержатель. В результате электроформовки, заключающейся в пропускании через контакт серии мощных импульсов тока, вызывающих локальный разогрев области полупроводника под контактом, происходит диффузия акцепторной примеси (индия, алюминия) в кристалл. Образуется p-n переход, граничная поверхность которого имеет вид полусферы, с радиусом 5…40 мкм.

Второй метод (рис.11.1.б) использует микросплавную технологию. Игла из золота, покрытого тонким слоем индия или алюминия, при пропускании импульсов тока, вплавляется в кристалл n-типа. Происходящая при этом диффузия акцепторной примеси и золота формирует p-n переход и обогащает базу дефектами, способствующими уменьшению времени жизни неравновесных носителей заряда.

Третий метод основан на создании мезаструктуры (рис.11.1.в). После проведения диффузии акцепторной примеси в поверхностный слой n-полупроводника (или, наоборот, донорной примеси в р-полупроводник) и вплавления электрода производится химическое травление диффузионного слоя по всей поверхности кристалла за исключением малой области, расположенной под вплавленным электродом. В результате образуется столообразное возвышение на поверхности кристалла, содержащее p-n переход, площадь которого может быть меньше площади электрода.

Четвертый метод использует планарную технологию (рис.11.1.г). Диффузия акцепторной примеси и золота производится через окно малой площади в защитном покрытии из двуокиси кремния, являющейся, к тому же, хорошим диэлектриком. Электрод изготавливается методом напыления алюминия, вывод - методом термокомпрессии.

Достоинство двух последних технологических методов заключается в высокой степени контролируемости процесса изготовления диодов на всех его стадиях.

Корпус высокочастотных и импульсных диодов изготавливается из стекла или керамики. Форма выводов предусматривает максимальное снижение паразитных емкостей и индуктивностей, а также удобство сочленения с коаксиальными линиями.

По функциональному назначению высокочастотные диоды подразделяются на детекторные, смесительные, умножительные и модуляторные. Каждый из этих видов диодов имеет конструктивно-технологические особенности. Например, для детекторных диодов важна высокая степень реакции на переменное напряжение малой амплитуды, поэтому использование германия здесь более предпочтительно. Сопротивление базы этих диодов должно быть малым, а это значит, что степень ее легирования должна быть довольно высокой. Но последнее обусловливает малую ширину p-n перехода и низкое значение максимально допустимого обратного напряжения. Следовательно, для детектирования сигналов большой амплитуды требуются диоды других типов, например, кремниевые диоды или диоды Шоттки. Обращенный диод хорошо удовлетворяет условиям детектирования сигналов малой амплитуды.

Помимо упоминавшихся ранее параметров, общих для всех типов полупроводниковых диодов, для детекторных диодов важны значания таких параметров как чувствительность по току и чувствительность по напряжению, определяемые, соответственно, как отношения приращения выпрямленного тока или приращения выходного напряжения к мощности высокочастотного сигнала Р_вч.

Для смесительных диодов важно значение параметра, характеризующего эффективность преобразования энергии высокочастотного сигнала в энергию сигнала промежуточной частоты. Этот параметр носит название потерь преобразования и определяется выражением:

(11.1)

Где Р_вч – мощность высокочастотного сигнала; Р_пр – мощность принимаемого сигнала.

Эффективность преобразования зависит от степени нелинейности электродной характеристики диода. Поскольку нелинейность возрастает с ростом тока диода, то потери преобразования уменьшаются с ростом тока, протекающего через диод. Для различных типов диодов значения L_преоб лежат в пределах от 5 до 10 дБ.

Для преобразовательных диодов всех типов имеет важное значение уровень собственных шумов, характеризуемых относительной температурой шума t. Значение этой величины лежит обычно в пределах 2…3.

В классе импульсных диодов можно выделить диоды с накоплением заряда, которые используются для преобразования и формирования импульсных сигналов. В технологии изготовления этих диодов обращается особое внимание на меры, приводящие к уменьшению продолжительности участка t₁ - t₂ процесса восстановления обратного сопротивления диода. В результате импульс обратного тока таких диодов имеет очень крутые фронты.

Достигается сказанное тем, что, проводя диффузию акцепторной примеси в n-полупроводник из ограниченного источника, добивается плавного спада ее концентрации в толще n-полупроводника (рис.11.2).

Технологическая граница p-n перехода (х=0) будет соответствовать плоскости, в которой N_a-N_d. В базе, т.е. в области x>0 разность между концентрацией доноров и концентрацией акцепторов N_d-N_a(x) будет нарастать с ростом х. В соответствии с условиями электрического и термодинамического равновесия, в базе возникнет поле, направленное в сторону р-полупроводника. Это поле, "прижимая" инжектируемые дырки к границам p-n перехода, будет способствовать их экстракции при переключении диода с прямого на обратное. Кроме того, уменьшение глубины проникновения неравновесных носителей (дырок) в базу приводит к увеличению их концентрации. Вследствие этого увеличивается скорость рекомбинации.

Дата добавления: 2014-01-06