автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Частотные свойства и характеристики обратносмещенных коммутационных pin-диодных структур



На правах рукописи

Людмила Михайловна Дроздовская

ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАТНОСМЕ-ЩЕННЫХ КОММУТАЦИОННЫХ РШ-ДИОДНЫХ СТРУКТУР.

05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

: ■ л. .';«.« /

Москва. 1997 г.

|':|Г)|>|;| |1М110.|М1'№1 н .Московском лк'рншческом пнсниун' (ИЛМИЧССКНМ ушшерсни-н-)

Научным рукоин (ним).: нимужшпый леи к.п. науки п тшм |'<|>.

Д()1<|1)|) К'\|1||'|1'СК||\ 1111) К.

профессор lt.lt. ЛсГкмсн

Официальные ониоисигм: доктор 1схш1чсски\ наук

В.В. Гсстрорецкнй каплид»1 фп шко-мш см11гкекп\ паук Ф.И.Маняхин

Нсдушан оршшпакнн: ниучно-нрои «коло венное иредпринше

"Салки " (■.Нижний Новюрол)

{ащщалысссрг.ишисосюикя "2<" ноября 19Ч7|. в аулшории Г-408 в 15 часов <М) пин. на мсслашш лиссерзацнонною совоа Л 053.16.06 при Московском эпсргсгическом иисштугс (техническом унивсрсшсзе) но адресу: Москва, ул.Красноказарменная, 17, Московский энсргсшчсский институт (технический уиивсрсшет).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять но адресу: 111250, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., 14, Ученый сонет МЭИ

С л несер! а иной можно ознакомь п.сн в библиотеке ннсипуга.

Авзорсферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент

Л.II.Огнен

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современной радиоэлектронной технике нашли широкое применение управляемые аттенюаторы, выключатели, переключатели, фазовращатели, построенные на основе полупроводниковых диодов. Первыми для целей управления СВЧ-мошностью были использованы детекторные и смесительные германиевые и кремниевые СВЧ-диоды. Их сменили кремниевые переключательные рш-диоды. В последние годы появились переключательные диоды на основе арсенида галлия.

Переключательные диоды на основе рт-структуры нашли широкое применение в этих устройствах благодаря уникальной способности изменять свой импеданс на СВЧ под действием приложенного постоянного обратного смещения и тока прямого смещения.

Обратное смещение необходимо для снижения СВЧ-потерь в рш-диоде и уменьшения нелинейности в высокоимпедансном состоянии ключевого устройства. Проблема выбора необходимой величины обратного смещения для запирания диода, получения требуемого высокого импеданса и достаточно малого уровня нелинейных искажений актуальна. Сложность этой проблемы, недостаточность экспериментальных данных требуют изменения подхода к исследованиям, которые имеют не только практический, но и значительный научный интерес.

До последнего времени именно с диапазоном СВЧ связаны основные успехи в применении рт-диодов в качестве управляющих элементов пысокой мощности. Попытки же их нспольюплпия п диапазоне низких

радиочастот наталкиваются на принципиальные трудности. Как это ни странно, но природа и роль этих трудностей до конца не выяснена. В то же время задача создания в диапазоне единиц мегагерц мощных управляющих устройств на рт-диодах весьма актуальна.

В связи с этим требуется более детальное исследование свойств риг-диодов, что связано с ростом предъявляемых требований к современным управляющим СВЧ-устройствам.

Целью работы являются теоретическая и экспериментальная проверка гипотезы, объясняющей частотные характеристики 3-слойных переключательных диодов в высокоимпедансном состоянии при обратном смещении и позволяющей наметить пути совершенствования этих диодов с учетом требований, предъявляемых к современным коммутационным устройствам; компьютерное моделирование и экспериментальное изучение рш-диодов, в том числе определение параметров эквивалентных схем диодов, описывающих их нелинейные свойства; исследование путей создания полупроводниковой коммутирующей структуры, обладающей преимуществами по сравнению с существующими 3-слойными переключательными диодами с точки зрения их частотных свойств и величин требуемых напряжений обратного смещения.

Цель достигается путем экспериментального изучения и моделирования диодных структур, как серийно выпускаемых, так и экспериментальных приборов, на низком и высоком уровнях мощности; созданием машинных программ и проведением численного эксперимента.

Научная новизна работы заключается в получении аргументов в пользу физической слоистой модели рш-диода; объяснении на ее основе

частотных свойств рш-диодов в высокоимпедансном состоянии; в разработке новой методики исследования эквивалентных импедансных параметров слоистых структур, описывающих их нелинейные свойства; изучении путей создания ключевых устройств в диапазоне низких радиочастот. Новизна полученных результатов отражена в заявке на изобретение, по которой получен патент.

Практическая ценность работы заключается в получении результатов, обеспечивающих основу для существенного улучшения характеристик управляющих СВЧ-устройств на переключательных диодах: снижения мощности управления, повышения рабочей мощности, понижения рабочей частоты, повышения точности их компьютерного анализа.

На защиту выносятся следующие положения:

- компьютерный анализ, проведенный на основе слоистой физической модели рш-диода и сонремсмных методов численного моделирования, и экспериментальные данные, полученные в результате никла проведенных исследований серийно выпускаемых и экспериментальных обртиоп и ОаЛк рт-диодов, позволяют объяснить частотные свойства, присущие диодным структурам в высокоимпедансном состоянии при низком и высоком уровнях входного сигнала; они устанавливают количественную взаимосвязь электрических, конструктивных и электрофизических параметров переключательных диодов и свидетельствуют также об особенностях и вместе с тем о единстве рассмотренных явлений и подходов в диапазонах СВЧ и радиочастот; дополнительным фактором, приводящим к указанному снижению

b

напряжения обратного смещения, является соизмеримость с периодом колебаний времени пролета носителей заряда через обедненную область базы;

- основной причиной снижения требуемого постоянного обратного напряжения, прикладываемого к pin-диоду, достаточного для сохранения малой нелинейности его импеданса, при рабочих частотах выше 10б-107 Гц является уменьшение амплитуды переменного напряжения сигнала, приходящегося на область полупроводниковой структуры, обуславливающую инжекцию неосновных носителей заряда в необедненную область базы; именно этим объясняется возможность работы pin-диода в диапазоне СВЧ при почти полном отсутствии обратного смещения, несмотря на необходимость использования обратного смещения в диапазоне низких частот;

- снижение рабочих частот мощного переключательного pin-диода до 10...I МГц при сохранении малой величины постоянного напряжения обратного смещения (порядка 10 В и менее) может быть обеспечено путем создания четырехслойного диода, имеющего предложенный специальный профиль легировании.

Достоверность полученных экспериментальных и расчетных результатов обеспечена и подтверждена использованием стандартных измерительных средств диапазона радиочастот и СВЧ-диапазона и применением современных вычислительных средств - персональных компьютеров IBM PC, а также взаимным соответствием расчетных и экспериментальных результатов.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на Всероссийской научно-технической конференции "Радиоприем и обработка сигналов" (г. Н.Новгород, 1993), на международной конференции по средствам связи 1ССТ94 (г. Шанхай, 1994).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы и

получен один патент. Содержание диссертации отражено также в 4 научно-исследовательских отчетах.

Научно-исследовательский р;пдсл диссертационной работы пмполнился в соответствии с координационным планом научных исследований РАН по проблеме "Физическая электроника" на 1988-96гг., раздел 1.5.2.8 - 'Твердотельная электроника СВЧ", а также по плану важнейших работ Секции прикладных проблем при Президиуме РАН на 1990-1996 гг.

Работа содержит введение, 6 глав, заключение, список литературы, приложения (всего 143 страницы, включая 40 иллюстраций).

В первой главе рассматривается рт-диод в режиме обратного смещения. Отмечается, что частным аспектам функционирования рт-диодов в таком режиме уделялось внимание, хотя и значительно меньшее, чем режиму прямого смешения. Особенно актуальной является проблема выбора необходимой величины обратного смещения 1_!о для запирания диода, получения требуемого высокого импеданса и достаточно малого уровня нелинейных искажений.

Известно, что у зависимости и,,= ио(0 существуют по крайней мере две различные частотные области. На низких частотах для подавления возникающих нелинейностей к диоду необходимо приложить постоянное обратное смещение, примерно равное амплитуде прикладываемого ВЧ-

сигнала. Однако с ростом частоты величина требуемого обратного напряжения смешения резко снижается и оказывается значительно меньше амплитуды сигнала. Природа спада зависимости ио=ио(0 так и не была достаточно исследована.

До настоящего времени указанное явление имеет поверхностное объяснение, сводящееся к существованию инерционного механизма, из-за которого диод » СВЧ-дианп юне ис "успевает" открип-си за время положительного полупериолл напряжен»». Пссмофи па 'Ж>, явление снижения напряжения и„ примерно на порядок но сравнению со значением и,п широко используется на практике в СВЧ-диапазоне.

Таким образом, сложность рассматриваемой проблемы, недостаточность экспериментальных данных потребовали изменения подхода к исследованиям, которые имеют не только практический, но и значительный принципиальный интерес.

Новый подход к рассмотрению проблемы выбора величины обратного напряжения связан с переосмыслением частотных свойств переключательных диодов на основе слоистой импедансной модели. Слоистая импедансная модель выявляет необходимость учета двух существенно различных пространственных областей в полупроводниковой рт-структуре, несмотря на однородность степени легирования {-области. Она позволяет рассматривать такую структуру в качестве частоткозавишмого импсдансного делителя. При этом на частотах, не превышающих характеристическую частоту, практически все напряжение, прикладываемое к структуре, оказывается приложенным к обедненной области, играющей детектирующую роль и приводящей к нелинейности. На

частотах, превышающих характеристическую частоту, напряжение, приходящееся на область пространственного заряда, снижается. Именно этим объясняется возможность работы рш-диода в диапазоне СВЧ при пониженном уровне требуемого напряжения обратного смещения. Таким образом, предотвратить икжекцию неосновных носителей в необедкениую область базы диода и, следовательно, нелинейность на частотах свыше 10е-107 Гц возможно при использовании напряжения обратного смещения, пониженного по сравнению с амплитудой СВЧ-сигнала.

Во второй главе описан компьютерный анализ частотных характеристик трехслойных рш-диодов на основе двух программ различного математического уровня. Первая программа базируется на слоистой импедансной модели, вторая - основана на решении фундаментальной системы уравнений для полупроводника. Она включает уравнения непрерывности для электронов и дырок, уравнение Пуассона и уравнение полного тока с учетом тока смещения; учитывается совокупность нелинейных физических эффектов сильного и неоднородного легирования, рекомбинация через глубокие уровни и Оже, рассеяния на примесях и решетке кристалла, поверхностного и взаимного электронно-дырочного рассеяния и т.п. Решение системы уравнений производится с использованием пространственно-временной дискретизации и описывает процесс установления напряжений, токов и распределения концентраций носителей заряда на протяжении интересующего числа периодов колебаний. Дальнейшая численная обработка результатов таких расчетов дает информацию о гармоническом составе колебаний (коэффициенте

К)

нелинейных искажений), а также о вносимых потерях при работе диода, включенного в линию передачи.

Проведенные расчеты определили связь параметров электрического режима при закрытом состоянии диода - напряжения обратного смещения, амплитуды ВЧ-напряжения и рабочей частоты с конструктивными параметрами структуры и с физическими параметрами полупроводникового материала - толщиной базы , концентрацией легирующей примеси и др.

Опираясь на результаты, полученные на основе как импедансной модели слоистого рш-диода, так и на основе численного решения фундаментальных уравнений полупроводника, можно сделать вывод о том, что главную роль в снижении требуемого напряжения ио при повышении частоты принадлежит снижению амплитуды напряжения, ответственного за инжекшю неосновных носителей в необедненную область базы и за возникновение постоянного напряжения, приложенного к этой области. Время пролета носителей (речь идет о времени пролета через обедненную область структуры, а не о полном времени пролета через базу диода) может играть роль лишь с точки зрения дополнительного снижения детектирующего действия инжектирующей области. При реальных концентрациях примеси в базе диода толщина обедненной области « и в рассматриваемом диапазоне низких радиочастот (106... 107 Гц) влияние инерционности носителей на величину требуемого напряжения ио весьма невелико.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию обратносмешенных рт-диодов. Исследовались серийно выпускаемые

переключательные рт-диоды типов 2А507Б, 2А509А, 2А517А-2, КА517А-2, КА528А, 2А555Г-3.

Экспериментально подтверждено существование изменения напряжения обратного смещения, требуемого для запирания переключательного диода. Ход экспериментальных зависимостей хорошо согласуется с результатами теоретического исследования, описанными в главе 2. Прямое численное сопоставление расчетных и экспериментально полученных характеристик указывает на их не только качественное, но и в значительной мере количественное сходство.

Главным фактором, определяющим требуемое постоянное напряжение обратного смещения, является коэффициент деления напряжения, зависящий от отношения импедансов двух областей ¡-слоя. Роль времени пролета носителей заряда через детектирующую область возрастает при увеличении рабочей частоты, влияние первого фактора проявляется во всем частотном диапазоне.

Четвертая глава отражает результаты экспериментальных исследований импеданса коммутационных СВЧ-диодов Использование слоистой модели рш-диода не отменяет использование традиционной эквивалентной схемы рт-диода. Такая упрощенная схема может использоваться при условии, что импеданс рт-диода изменяется под действием внешнего прямого смешения. Обычно такой режим работы диодов используется в управляемых СВЧ-устройствах.

Как это ни парадоксально, по несмотря на то, что рт-диоды очень широко используются в технике СВЧ, некоторые их основные параметры остаются недостаточно изученными. Одним из таких параметров является

шунгируюшее сопротивление активной области диодной структуры, зависящее от тока прямого смещения.

В данной главе описан и экспериментально апробирован простой метод определения активной составляющей С ВЧ-импеданса прямосмещенного pin-диода, основанный на измерении вносимых потерь диода, включенного в линию передачи, при низком уровне мощности в зависимости от тока прямого смещения и на дальнейшей компьютерной обработке полученных результатов.

Показано, что данная методика применима не только для переключательных и ограничительных pin-диодных структур, но и для структур на основе барьера Шоттки. Полученные результаты позволяют более точно проводить машинный анализ управляющих С ВЧ-устройств. Впервые были измерены параметры pin-диода из GaAs, определяющие его активное сопротивление в различных режимах его работы.

В пятой главе показано, что изучение частотных свойств переключательных диодов позволило на основе слоистой импедаксной модели предложить новый четырехслойный полупроводниковый диод типа р+-п-п"-п+, позволяющий сдвинуть область частот, в пределах которой происходит резкий спад отношения Uo/U,,,, в сторону низких частот по сравнению с трехслойным pin-диодом, имеющим такую же толщину базы и ту же концентрацию легирующей примеси.

Структура создана на основе слоистой импслансной модели и содержит, помимо сильнолегированных р' и п' облаете« и ¡-слоя, дополнительный слой со степенью легирования порядка I0'6 - Ю17 см"3 и

толщиной 5-10 мкм, примыкающий к сильнолегированному слою с противоположным типом проводимости.

Проведенный теоретический анализ показал эффективность предложенной 4-слойной переключательной структуры. Как следует из расчетов, понижение рабочей частоты такой структуры по сравнению с аналогичной 3-слойной рт-структурой может составить более одного порядка величины при снижении требуемого напряжения обратного смещения ио до 0,1...0,2 иго и менее. Однако указанное улучшение параметров диода достигается при одновременном снижении максимальной амплитуды коммутируемого ВЧ-нппряжения. Главным ограничивающим фактором, кроме максимально возможной полной толщины структуры, является возможность элеетрического пробоя обедненной области структуры, располагающейся в пределах дополнительно введенного (четвертого) слоя. С другой стороны, существует резерв увеличения рабочей мощности структуры за счет разумного увеличения емкости структуры в диапазоне низких радиочастот. 5>го позволит пропускать через диод, находящийся в низкоимпедансном состоянии, значительный ВЧ-ток. Таким образом, ключевое устройство, выполненное на базе 4-слойного диода, целесообразно применять в низкоимпедансных ВЧ трактах.

Шестая глава посвящена обсуждению научных и прикладных результатов выполненной работы. Отмечается, что проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о том, что слоистая импедансная модель дает возможность учесть и количественно описать важные факторы, оказывающие влияние не только на нелинейные характеристики коммутационных диодов, но и на линейные

и слабонелинейные. Последнее особенно важно для данной работы, так как в ней рассматривается высокоимпедансное состояние диодов в режиме обратного смещения. В отличие от других существующих моделей она позволяет учесть физическую асимметрию базы полупроводникового диода, проявляющуюся в наличии по крайней мере двух существенно различных пространственных областей, неравномерность распределения свободных носителей и напряжений по длине ¡-слоя в переключательных диодах. Такая модель позволяет рассматривать полупроводниковую структуру в качестве частотнозависимого имисдансного лслигеля, а также указывает на наличие внутренней обратной связи между двумя пространственными областями базы диода по переменным и постоянным составляющим напряжений и токов.

Принципиальное значение имеет также характеристическая частота слоистых полупроводниковых структур. Этот частотный параметр может трактоваться как эффективная частота диэлектрической релаксации, учитывающая не только собственные параметры массивною материала, но и геометрическую протяженность полупроводниковых слоев (аналогия с понятием эффективного времени жизни, учитывающим геометрию структуры).

Применение в теоретической части работы двух подходов, существенно различающихся по используемым физико-математическим моделям и по уровню строгости, позволило не только получить требуемые решения, но и достичь апробации и взаимного сопоставления машинных программ и повысить их достоверность. Для предотвращения ошибочных, хотя и правдоподобных результатов некоторые расчеты выполнялись по

дублирующим программам, разработанным независимо различными ппторпми. Оба упомянутых подхода (численное моделирование и расчеты на основе импедансной модели) достаточно удачно одновременно дополняют и тестируют друг друга. Данное тестирование сходно с тем, которое производят при сопостпплении численных полевых и цепных (схемных) подходов в современной технике СВЧ.

Слоистая импедансная модель полностью применима и при выборе минимального обратного смешения коммутационного диода. Это подтверждается прежде всего результатами, полученными с использованием двух машинных программ различного математического уровня. Расчеты подтверждают наличие связи параметров электрического режима при закрытом состоянии диодного ключа - напряжения обратного смещения 11о, амплитуды ВЧ-напряжения и рабочей частоты с конструктивными параметрами полупроводникового материала - толщиной базы, концентрацией легирующей примеси и другими.

Проблема выбора минимального напряжения обратного смещения ио имеет важное прикладное значение. Оценка требуемого напряжения ио для запирания диодного ключа позволяет упростить схему его питания, снизить амплитуду управляющего напряжения, повысить допустимую амплитуду СВЧ-напряжения, а следовательно, и величину коммутируемой СВЧ-мощности примерно в 4 раза. Ранее использовались лишь эмпирические данные о возможности работы рт-диода на СВЧ с пониженным ио. Полученные результаты в данной работе позволяют с достаточной степенью точности определять величину требуемого 11о для конкретного типа диода на рабочей частоте.

При использовании предложенной чстырехслойной структуры достигается значительное понижение частоты, при которой имеется одинаковый (малый) уровень нелинейных искажений. Компьютерный анализ и оптимизация профиля легирования показали, что понижение рабочей частоты такой структуры может составить величину более одного порядка при снижении требуемого напряжения 1_1о до (0.1-0.2)1)111 и менее. Создание же такой полупроводниковой структуры не предполагает дополнительных технологических трудностей и яаляется вполне достижимым, в частности, при использовании широко применяемого метода диффузии.

В раздел, посвященный обсуждению результатов проведенных исследований, включено также сопоставление ранее публиковавшихся зарубежных экспериментальных данных с результатами расчетов по методике, описанной в 1-й главе диссертации. Показано близкое соответствие этих данных расчетным характеристикам, что позволяет говорить о дополнительном подтверждении обоснованности проведенных исследований.

Заключение

Результаты проведенных экспериментальных исследований и численного анализа и моделирования могут быть кратко сведены к следующему:

1. Гипотеза, используемая для объяснения частотной характеристики 3-слойных переключательных рт-диодов в высокоимпедансном состоянии при обратном смещении, получила качественное и количественное

подтверждение. На частотах, не превышающих характеристическую частоту переключательного диода, практически все напряжение, прикладываемое к структуре, оказывается приложенным к обедненной области, играющей детектирующую роль и приводящей к нелинейности. На частотах, превышающих характеристическую частоту, напряжение, приходящееся на область пространственного заряда, снижается. Именно этим объясняется возможность работы рт-диода в диапазоне СВЧ при пониженном уровне требуемого напряжения обратного смещения.

2. Экспериментально подтверждено существование изменения напряжения обратного смещения, требуемого для запирания переключательного диода. Результаты экспериментов хорошо согласуются с численными результатами. Получены дополнительные экспериментальные аргументы в пользу слоистой импедансной модели рт-диода.

3. Определена связь параметров электрического режима при закрытом состоянии диодного ключа - напряжения обратного смещения, амплитуды ВЧ-напряжения и рабочей частоты с конструктивными параметрами структуры и с физическими параметрами полупроводникового материала - толщиной базы , концентрацией легирующей примеси и др. Тем самым теоретически и экспериментально разработан и обоснован расчет напряжения обратного смещения мощных ВЧ- и СВЧ-диодных ключей.

4. Предложен и экспериментально апробирован метод определения активной составляющей СВЧ-импеданса прямосмещенного рт-диода. Методика была применена не только для переключательных и ограничительных рш-лиолнмх структур, но и для структур на основе барьера Шоттки. Впервые экспериментально исследованы параметры ОаАя рш-диодов, определяющие его

IS

активное сопротивление в различных режимах его работы. Полученные результаты позволяют более точно проводить машинный анализ управляющих СВЧ-устройств.

5. Предложена и теоретически исследована 4-слойиая твердотельная переключательная структура, обладающая преимуществами по сравнению с существующими 3-слойными pin-структурами с точки зрения их частотных характеристик и величины требуемого напряжения обратного смещения.

6. Результаты проведенных исследований использованы в научно-исследовательской работе НПП "Микро П", а также вошли в качестве составной части в научно-исследовательские работы "Юпоч-МЭИ", "Порог-МЭИ" и "Ватерлоо-ГКНО", выполненные в МЭИ.

7. Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Дроздовская Л.М., Лебедев И.В. Экспериментальное исследование параметров pin-диодов // Всероссийская научно-техническая конференция "Радиоприем и обработка сигналов": Тезисы докладов,- Н. Новгород: 1993,- с.87.

2. Дроздовская Л.М., Дроздовский Н.В. Измерение сопротивления pin-диода // Международная конференция "Средства связи 94": Тезисы докладов.- Шанхай:

1994,- с. 37.05.1-37.05.3,- (англ.).

3. Лебедев И.В., Шнитников A.C., Дроздовская Л.М. Минимальное напряжение обратного смещения мощного pin-диодного ключа // Радиоэлектроника. -

1995.- Т.38,- №10,- с.34-42. (Изв. высш. учеб. заведений).

4. Лебедев И.В., Дроздовская Л.М., Дроздовский Н.В., Шнитников A.C. Определение активной составляющей импеданса pin-диода // Радиотехника и электроника,- 1996.-Т.41№.2,- с.370-373.

5. Патент РФ №2083028. Полупроводниковый переключательный диод/ И.В.

Лебедев, A.C. Шнитников, Л.М. Дроздовская, Н.В.Дроздовский // Открытия.

Изобретения,- 1997-№18

Печ. л. _Тираж ¡Q0 Заказ Щ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Людмила Михайловна Дроздовская

ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАТНОСМЕ-ЩЕННЫХ КОММУТАЦИОННЫХ РШ-ДИОДНЫХ СТРУКТУР.

05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Игорь Всеволодович Лебедев

Москва -1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

С

Введение ......................... 4

Глава 1. Pin-диод в режиме обратного смещения ........ 9

1.1. Экспериментальные данные и взгляды на работу обратносмещенного pin-диода .......... 9

1.2. Основные положения импедансной слоистой модели классического pin-диода ............ 20

1.3. Работа pin-диода при обратном смещении на основе слоистой модели .............. 34

1.4. Выводы по главе 1...............37

Глава 2. Компьютерный анализ частотных и импедансных характеристик трехслойных pin-диодов ........... 40

2.1. Методики проведения компьютерного анализа ... 40

2.2. Результаты численного моделирования. Сравнение методик....................45

2.3. Выводы по главе 2...............55

Глава 3. Экспериментальное исследование частотных характеристик обратносмещенных pin-диодов .......... 57

3.1. Методика проведения экспериментов. Экспериментальные установки ..............57

3.2. Результаты экспериментальных исследований ... 63

3.3. Выводы по главе 3 ..............69

Глава 4. Экспериментальное исследование активной составляющей

СВЧ-импеданса прямосмещенного pin-диода.....*. 71

4.1. Методика измерения .............. 71

4.2. Результаты исследований Si pin-диодов .... 77

4.3. Результаты исследований GaAs pin-диодов ... 81

4.4. Выводы по главе 4 . . .............83

Глава 5. Четырехслойная управляемая диодная структура .... 86

5.1. Необходимость создания многослойных управляющих структур, функционирующих в диапазоне низких радиочастот ..................86

5.2. Физические основы функционирования предлагаемой диодной структуры ............... 88

5. 3. Результаты анализа работы четырехслойной струк-

туры ..................... 93

5.4. Выводы по главе 5 . ..............108

Глава 6. Обсуждение полученных результатов ......... 110

6.1. Научные результаты работы...........110

6. 2. Прикладное значение проведенных исследований .120

Заключение ............. ..... . ...... 124

Список литературы ...................... 126

Приложение 1 ............... ......... 134

Приложение 2........................135

Приложение 3........................138

ч

ВВЕДЕНИЕ.

Техника сверхвысоких частот (СВЧ) в настоящее время является одной из развивающихся отраслей человеческой деятельности. Она используется в различных сферах, начиная от классической радиолокации и средств связи и кончая различными медико-биологическими применениями [1,2]. Твердотельная СВЧ-элект-роника - стержень современной СВЧ-техники - развивается в тесной связи с прогрессом передовых технологий производства как самих полупроводниковых приборов, так и монолитных интегральных схем. Разумеется, такое взаимопереплетение сопряжено с различными трудностями [3].

Очень часто с имеющимися в распоряжении разработчика СВЧ-устройств полупроводниковыми приборами (диодами, транзисторами) не удается обеспечить параметры, требуемые в современной радиоэлектронной аппаратуре. Это заставляет специалистов в области СВЧ-электроники вторгаться в смежные области науки и техники. Например, дальнейшее совершенствование управляющих устройств СВЧ на полупроводниковых диодах (как управляемых, так и самоуправляемых) затруднено без соответствующего совершенствования, а также разработки принципиально новых управляющих полупроводниковых приборов. Важным является и переосмысление физических процессов, лежащих в основе работы таких общеизвестных полупроводниковых приборов, как р1п-диоды, которые уже много лет широко применяются в СВЧ-технике [4-9].

До последнего времени именно с диапазоном СВЧ связаны основные успехи в применении р1п-диодов в качестве управляющих элементов высокой мощности. Попытки же их использования в диапазоне низких радиочастот наталкиваются на принципиальные трудности. Как это ни странно, но природа и роль этих трудное-

тей до конца не выяснена. В то же время задача создания в диапазоне единиц мегагерц мощных управляющих устройств на р1п-диодах весьма актуальна.

Целями работы являются:

- теоретическая и экспериментальная проверка физической модели [10-12], объясняющей частотные характеристики 3-слойных переключательных диодов в высокоимпедансном состоянии при обратном смещении и позволяющей наметить пути совершенствования этих диодов с учетом требований, предъявляемых к современным коммутационным устройствам;

- компьютерное моделирование и экспериментальное изучение р!п-диодов, в том числе определение параметров эквивалентных схем диодов, описывающих их нелинейные свойства;

- исследование путей создания полупроводниковой коммутирующей структуры, обладающей преимуществами по сравнению с существующими 3-слойными переключательными диодами с точки зрения их частотных свойств и величин требуемых напряжений обратного смещения.

Эти цели достигаются путем экспериментального изучения и моделирования диодных структур, как серийно выпускаемых, так и экспериментальных приборов, на низком и высоком уровнях мощности; созданием машинных программ и проведением численного эксперимента.

Научная новизна работы заключается в получении аргументов в пользу физической слоистой модели р1п-диода; объяснении на ее основе частотных свойств рш-диодов в высокоимпедансном состоянии; в разработке новой методики исследования эквивалентных импедансных параметров слоистых структур, описывающих их нелинейные свойства; изучении путей создания ключевых устройств в диапазоне низких радиочастот. Новизна полученных ре-

зультатов отражена в заявке на изобретение, по которой получен патент.

На защиту выносятся следующие положения:

- компьютерный анализ, проведенный на основе слоистой физической модели р!п-диода и современных методов численного моделирования, и экспериментальные данные, полученные в результате цикла проведенных исследований серийно выпускаемых и экспериментальных образцов и р1_п-диодов, позволяют объяснить частотные свойства, присущие диодным структурам в высоко-импедансном состоянии при низком и высоком уровнях мощности входного сигнала; они устанавливают количественную взаимосвязь электрических, конструктивных и электрофизических параметров переключательных диодов и свидетельствуют также об особенностях и вместе с тем о единстве рассмотренных явлений и подходов в диапазонах СВЧ и радиочастот;

- основной причиной снижения требуемого постоянного обратного напряжения, прикладываемого к рш-диоду, достаточного для сохранения малой нелинейности его импеданса, при рабочих частотах выше 106-107 Гц является уменьшение амплитуды переменного напряжения сигнала, приходящегося на обедненную область полупроводниковой структуры, обуславливающую инжекцию неосновных носителей заряда в необедненную область базы; именно этим объясняется возможность работы рт-диода в диапазоне СВЧ при почти полном отсутствии обратного смещения, несмотря на необходимость использования значительного обратного смещения в диапазоне низких частот; дополнительным фактором, приводящим к указанному снижению напряжения обратного смещения, является соизмеримость с периодом колебаний времени пролета но-

сителей заряда через обедненную область базы;

- снижение рабочих частот мощного переключательного р1п-диода до 10...1 МГц при сохранении малой величины постоянного напряжения обратного смещения (порядка 10 В и менее) может быть обеспечено путем создания четырехслойного диода, имеющего предложенный специальный профиль легирования;

Достоверность полученных экспериментальных и расчетных результатов обеспечена и подтверждена использованием стандартных измерительных средств диапазона радиочастот и СВЧ-диапазо-на и применением современных вычислительных средств - персональных компьютеров 1ВМ РС, а также взаимным соответствием расчетных и экспериментальных результатов.

Основные результаты работы по направлению диссертационных исследований опубликованы в статьях [10,13], в патенте [14], а также в отчетах по НИР [15,16] и в тезисах конференций [17,18].

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с координационным планом научных исследований РАН по проблеме "Физическая электроника" на 1988-96г.г., раздел 1.5.2.8 - "Твердотельная электроника СВЧ", а также по плану важнейших работ Секции прикладных проблем при Президиуме РАН на 1990-1995 гг.

Содержание работы изложено в следующей последовательности.

В главе 1 излагаются существующие взгляды на работу рт-диода в режиме обратного смещения, импедансная слоистая модель р1п-диода, а также новые взгляды на функционирование обратносмещенных р1п-диодов.

В главе 2 приводятся результаты численного моделирования при помощи различных компьютерных программ классических

р1п—диодных структур.

В главе 3 отражены данные, полученные при экспериментальных исследованиях обратносмещенных трехслойных р1п-диодов.

В главе 4 нашли свое отражение результаты экспериментального изучения активной составляющейСВЧ-импеданса прямосмещен-ных р]_п-диодов из кремния и арсенида галлия.

В главе 5 описываются устройство и результаты теоретических исследований нового четырехслойного переключательного диода для работы в диапазоне низких радиочастот.

В главе 6 обсуждаются научное и прикладное значения проведенных исследований.

В Заключении кратко сформулированы полученные в ходе выполнения работы результаты.

В Приложениях приводятся: таблица параметров экспериментальной установки, на которой исследовались частотные свойства обратно смещенных рш-диодв; текст машинной программы, с помощью которой осуществлялась численная обработка экспериментальных данных, полученных при изучении активной составляющей СВЧ-импеданса прямосмещенных рш-диодов; критический анализ зарубежной публикации [19], посвященной проблеме, рассматриваемой в настоящей диссертационной работе.

1. РШ-ДИОД В РЕЖИМЕ ОБРАТНОГО СМЕЩЕНИЯ

1.1. Экспериментальные данные и взгляды на работу обратносме-щенного р1п-диода

В современной радиоэлектронной технике нашли широкое применение управляемые аттенюаторы, выключатели, переключатели, фазовращатели, построенные на основе полупроводниковых диодов. Первыми для целей управления СВЧ-мощностью были использованы детекторные и смесительные германиевые и кремниевые СВЧ-диоды. Их сменили кремниевые переключательные рт-диоды. В последние годы появились переключательные диоды на основе арсенида галлия. В устройствах сантиметрового диапазона применяются и полевые транзисторы, обладающие высоким быстродействием (доли наносекунд) и малым энергопотреблением по цепям управления. Тем не менее, устройства на основе переключательных диодов, пришедшие на смену механическим коммутаторам, не обладавшим необходимым быстродействием, и газоразрядным приборам, не обладавшим необходимой надежностью и габаритными размерами, остаются наиболее распространенными типами мощных управляющих устройств [7,20].

Небезынтересно отметить, что первоначально р1п-диод создавался как высоковольтный сильноточный диод в низкочастотной электронике, обладающий высоким обратным напряжением, используемый, например, в качестве вентиля [21,22].

Переключательные диоды на основе рт-структуры нашли широкое применение благодаря уникальной способности изменять свой импеданс на СВЧ под действием приложенного постоянного обратного смещения и тока прямого смещения. Как известно, полупроводниковый р!п-диод отличается от р-п-структуры тем, что

между сильнолегированными р+-, п+-областями кристалла полупроводника имеется базовая 1-область толщиной № с низкой проводимостью типа п" или р~, близкой к собственной проводимости полупроводника (рис.1.1). Такие диоды обычно изготовляют с помощью широко используемых методов диффузии, эпитаксиального наращивания или ионной имплантации.

Для кремниевых р1п-структур наиболее характерны значения удельного сопротивления и толщины 1-области, равные 500-5000 0м*см и 10-200 мкм соответственно. Это обеспечивает низкие потери в режиме пропускания СВЧ-сигнала из-за малости паразитной емкости и высокое значение напряжения пробоя, из-за наличия 1-слоя.

При прямом смещении, благодаря инжекции электронов и дырок из сильнолегированных р+- и п+-областей происходит модуляция сопротивления базы (его уменьшение). В режиме же обратного смещения, которое имеет одинаковый знак с контактной разностью потенциалов, может быть достигнуто полное обеднение базы от подвижных носителей. В этом случае область пространственного заряда (обедненный слой) в реальном рт-диоде распространяется на всю 1-область. Таким образом, явление смыкания, достаточно хорошо известное в твердотельных приборах, способствует увеличению сопротивления базы диода, его полному запиранию.

Областью наиболее широкого применения р1п-диодов, как было отмечено выше, являются ключевые устройства с внешним управлением, служащие для переключения СВЧ-трактов, амплитудной и фазовой манипуляции [5-7,23,24]. Для примера на рис. 1.2 изображена структурная схема простейшего СВЧ-выключателя на основе параллельного включения р1п-диода в линию передачи.

Напряжение и, определяющее импеданс диода, подается на него через дросселирующее устройство Др.; - согласованная

Структура рл-П-диода

VI

/К

V V

И.

1

п

п

Рис. 1.1

Структурная схема СВЧ-выключателя

Рис. 1.2

оконечная нагрузка. Вместо одного источника напряжения и обычно [5] используется отдельный источник постоянного обратного смещения ио и генератор переменного (чаще всего импульсного) управляющего напряжений иупр, создающий ток прямого смещения 1о (рис.1.3). Для суммирования напряжений ио и иупр могут применяться разделительная емкость С и резистор Р.

При подаче на диод прямого смещения импеданс его мал, и большая часть входной СВЧ-мощности отражается. При включении обратного постоянного смещения импеданс диода возрастает на несколько порядков, и входной СВЧ-сигнал с малыми потерями проходит в нагрузку.

Обратное смещение необходимо для снижения СВЧ-потерь в р1п-диоде и уменьшения нелинейности в высокоимпедансном состоянии ключевого устройства.

Частным аспектам функционирования рш-диодов в таком режиме уделялось немалое внимание [5,7,25-30], хотя и значительно меньшее, чем режиму прямого смещения. Например, в [27] теоретически исследовался лишь характер тепловыделения в обрат-носмещенной р1п-структуре в стационарном режиме в диапазоне СВЧ с учетом скин-эффекта. Однако при этом не затрагивалась проблема выбора напряжения обратного смещения, необходимого для запирания переключательного диода.

Этого вопроса не касались и авторы [25,26], исследовавшие зависимость емкости р1п-структуры от величины обратного смещения.

Проблема нелинейных искажений, вызываемых обратносмещен-ным р1п-диодом, нашла отражение в [30], где представлены также и расчетные частотные зависимости сопротивления ртп-диода. Од-

Электрическая схема СВЧ-выключателя

Рис. 1.3

нако и в этой работе отсутствуют какие-либо данные, связанные с вопросом выбора напряжения ио.

Тем не менее, проблема выбора величины обратного смещения и0, необходимой для запирания диода, получения требуемого высокого импеданса и достаточно малого уровня нелинейных искажений, весьма актуальна. Она представляет не только научный, но и существенный практический интерес. Попытки качественной трактовки этой проблемы делались в работах [5,7,23,28]. Отмечалось, что целесообразно выбирать напряжение ио равным амплитуде коммутируемого ВЧ-напряжения ит в диапазоне сравнительно низких радиочастот. Однако при этом с учетом опасности электрического пробоя структуры удвоенное значение амплитуды Ит не должно превышать половины статического пробивного напряжения диода: ит< ипроб/2. Вместе с тем на основе опытных данных указывалось на возможность существенного снижения напряжения ио по сравнению с амплитудой ит при переходе в диапазон СВЧ. Выгодность такого режима очевидна, т. к. в этом случае амплитуда СВЧ напряжения может быть существенно повышена. В пределе, если ио^0, она ограничена условием ит < ипроб, что означает 4-кратное повышение предельной коммутируемой мощности.

Элементарный подход к рассмотрению этой проблемы поясняется на рис.1.4. Здесь приведена статическая вольт-амперная характеристика переключательного диода и показаны возможные три режима его работы.

Первый режим (рис.1.4,а) соответствует условию, когда сумма постоянного напряжения и амплитуды СВЧ-напряжения превышает напряжение лавинного пробоя. При таких условиях в структуре возникают необратимые процессы, ведущие к отказу. Исходя

Выбор величины обратного