0 引言
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(qiáng)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(duì)遷移率和載流子壽命的溫度特性的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
文中針對(duì)幾種不同結(jié)構(gòu)和鈍化材料的pin二極管，對(duì)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?jiǎn)化表達(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(duì)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(shí)，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(gè)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(shí)，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(shí)，外延材料參數(shù)對(duì)載流子壽命因子的影響可以忽略。需要重點(diǎn)研究的是二極管幾何結(jié)構(gòu)、表面鈍化材料對(duì)壽命因子m值的影響。
2 實(shí)驗(yàn)和分析
2．1 實(shí)驗(yàn)
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(tái)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(tái)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(tái)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(cè)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(jì)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(shì)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(duì)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(duì)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(shì)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(shí)，載流子壽命因子m=1，由式(4)可知，此時(shí)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(shì)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(jì)二極管在不同溫度下的電阻。如圖3。
2．4 Rf與Rs
上述測(cè)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(cè)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(cè)量對(duì)檢驗(yàn)二極管金屬化工藝質(zhì)量更直觀，Rs對(duì)pin管應(yīng)用電路設(shè)計(jì)更方便一些。
正向微分電阻的測(cè)量是在直流偏置If=(O~100)mA下，疊加50 Hz／5 mA的交流信號(hào)，該信號(hào)提供一個(gè)較小的△I，從而獲得一個(gè)△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(cè)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(cè)量法或反射系數(shù)測(cè)量法來測(cè)量計(jì)算得到Rs。
可以證明：當(dāng)RjωCj《l時(shí)，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(cè)試方式不同。
以Model A為例，測(cè)量正向微分電阻Rf與微波串聯(lián)電阻Rs，并進(jìn)行了對(duì)比，見表4。測(cè)試使用WB-201型正向微分電阻測(cè)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(shí)，Rf≈Rs；正向電流較小時(shí)，由于正向微分電阻測(cè)試儀器內(nèi)的交流小信號(hào)幅度不是很小，導(dǎo)致與Rs的測(cè)試誤差較大。
2．5 應(yīng)用
應(yīng)用上述結(jié)果可以預(yù)計(jì)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(duì)隔離度的影響可以忽略不計(jì)，隔離度隨溫度變化的主要因素是二極管的電阻。
對(duì)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(shí)，m=1．510；Cj=0．594 pF時(shí)，m=1．198。根據(jù)式(5)、(6)，編制了簡(jiǎn)單的計(jì)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(duì)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(duì)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??；反之，變化越大。
研究結(jié)果可以用來預(yù)計(jì)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(bǔ)償設(shè)計(jì)，制作出溫度性能優(yōu)良的pin二極管微波電路。