Частотные свойства и характеристики обратносмещенных коммутационных pin-диодных структур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Дроздовская, Людмила Михайловна

• Дроздовская, Людмила Михайловна
• кандидат технических наук
• 1997

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дроздовская, Людмила Михайловна

ОГЛАВЛЕНИЕ

С

Введение

Глава 1. Pin-диод в режиме обратного смещения

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

1.2. Основные положения импедансной слоистой модели классического pin-диода

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

1.4. Выводы по главе 1

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

2.1. Методики проведения компьютерного анализа

2.2. Результаты численного моделирования. Сравнение методик

2.3. Выводы по главе 2

Глава 3. Экспериментальное исследование частотных характеристик обратносмещенных pin-диодов

3.1. Методика проведения экспериментов. Экспериментальные установки

3.2. Результаты экспериментальных исследований

3.3. Выводы по главе 3

Глава 4. Экспериментальное исследование активной составляющей

СВЧ-импеданса прямосмещенного pin-диода

4.1. Методика измерения

4.2. Результаты исследований Si pin-диодов

4.3. Результаты исследований GaAs pin-диодов

4.4. Выводы по главе 4

Глава 5. Четырехслойная управляемая диодная структура

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

5.2. Физические основы функционирования предлагаемой диодной структуры

5. 3. Результаты анализа работы четырехслойной струк-

туры

5.4. Выводы по главе 5

Глава 6. Обсуждение полученных результатов

6.1. Научные результаты работы

6. 2. Прикладное значение проведенных исследований

Заключение

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

ч

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Частотные свойства и характеристики обратносмещенных коммутационных pin-диодных структур»

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.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Дроздовская, Людмила Михайловна

Заключение.

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

1. Гипотеза, выдвинутая для объяснения частотной характеристики 3-слойных переключательных р1п-диодов в высокоимпе-дансном состоянии при обратном смещении, получила качественное и количественное подтверждение. На частотах, не достигающих характеристической частоты 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, существенно снижается. Именно этим объясняется возможность работы рш-диода в диапазоне СВЧ при пониженном уровне требуемого напряжения обратного смещения.

2. Проведенные теоретические исследования определили 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.

3. 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 рш-диода.

4. Предложен и экспериментально апробирован простой метод

7Щ

определения активной составляющей эквивалентной схемы рш-диодов. Методика была применена не только для переключательных и ограничительных р!п-диодных структур, но и для структур на основе барьера Шоттки. Полученные результаты позволяют более точно проводить машинный анализ управляющих СВЧ-устройств.

5. Впервые экспериментально исследованы параметры ОаАэ рт-диодов, определяющие его активное сопротивление в различных режимах его работы.

6. Предложена и теоретически исследована 4-слойная твердотельная переключательная структура, обладающая преимуществами по сравнению с существующими 3-слойными р!п-структурами с точки зрения их частотных характеристик и величины требуемого напряжения обратного смещения. Показана практическая реализуемость предложенной структуры с использованием существующих методов полупроводниковой технологии.

7. Новизна полученных результатов отражена в одном изобретении [14], по которому получен один патент.

8. Научное содержание основных результатов диссертационной работы отражено в восьми научных трудах, в том числе в двух научных статьях [10,13], двух научных докладах [17,18] и

научных отчетах [15,16,^2,£53,

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дроздовская, Людмила Михайловна, 1997 год

Список литературы

1. И.В.Лебедев Техника сверхвысоких частот - прошлое, настоящее и предвидимое будущее // Радиотехника, 1995, N4-5, с.74-78

2. A.J.Viterby A vision of the second century of wireless communication/// Microwave Journal, 1995, V.38, N10, pp. 64, 66, 68, 71, 72

3. R.F.Clarke RF and 1С designers: two professions separated by an uncommon language // Microwave Journal, 1995, V. 38, N6, pp. 22, 24, 26, 28, 30, 32

4. И.В.Лебедев, А.С.Шнитников Полупроводниковые диоды в СВЧ управляющих устройствах// Радиоэлектроника.-1987, Т. 30 -N 10.- С. 5-12. (Изв. высш. учеб. заведений).

5. J.F.White Microwave semiconductor engineering. N.Y.: Van Nostrand Reinhold, 1982.

6. СВЧ полупроводниковые приборы и их применение / Под. ред. Г. Уотсона; Пер. с англ. под. ред. В. С. Эткина.-М.:Мир, 1972,- 662 с.

7. А.В.Вайсблат Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах.М.: Радио и связь, 1987

8. А.И.Ропий, A.M. Старик, К.К.Шутов Сверхвысокочастотные защитные устройства. М.: Радио и связь, 1993

9. Г.Б.Дзехцер, О.С.Орлов P-i-n диоды в широкополосных устройствах СВЧ. М.: Сов.радио, 1970

10. И.В.Лебедев, А.С.Шнитников, Л.М.Дроздовская Минимальное напряжение обратного смещения мощного pin-диодного ключа // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1995. Т. 38, N10 . С.76-82

т

11. И.В.Лебедев Нелинейные свойства и характеристики СВЧ pin-диодов // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1992. Т. 35, N 10, С. 17-26.

12. И.В.Лебедев, А.С.Шнитников Характеристическая частота полупроводниковой диодной структуры // Радиотехника и электроника. 1996, т. 41, N0.6, с. 750-758

13. И.В.Лебедев, Л. М. Дроздовская, Н. В. Дроздовский, А.С.Шнитников Определение активной составляющей импеданса pin -диода//Радиотехника и электроника. 1996, т.41, No.3,с.370-373

14. Патент РФ N 2083028 /И.В.Лебедев, А.С.Шнитников, Л.М.Дроздовская, Н.В. Дроздовский Полупроводниковый переключательный диод // Открытия. Изобретения N 18, 1997.

15. Поиск принципиальных путей создания твердотельной структуры, обеспечивающей внешнюю управляемость в широком диапазоне радиочастот при больших амплитудах коммутируемого тока. : Отчет о НИР (заключительный)/ Моск. энерг. ин-т; Руководитель И. В. Лебедев. М., 1994. 59с.

16. Поиск принципиальных путей создания твердотельной структуры, обеспечивающей внешнюю управляемость в широком диапазоне радиочастот при больших амплитудах коммутируемого тока. : Отчет о НИР/ Моск. энерг. ин-т; Руководитель И.В. Лебедев. М., 1993.

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

18. L.М.Drozdovskaia, N. V.Drozdovski Measuring Resistance of PIN-Diode // International Conference on Communication Technology, Shanghai, China, June 8-10, 1994, Proceedings of ICCT'94, Int. Acad. Publ., p. 37.05.1-37.05.3

19. R.H.Caverly, G. Hiller. Establishing the minimum reverse bias for a p-i-n diode in a high-power switch // IEEE Trans. 1990. Vol. MTT-38, N 12. P. 1938-1943.

20. И.В.Лебедев, А.С.Шнитников Полупроводниковые диоды в СВЧ управляющих устройствах // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1987. т.30, N10, с.5-12

21. Ю.А. Евсеев Полупроводниковые приборы для мощных высоковольтных преобразовательных устройств. М., Высшая школа, 1978

22. А.И. Вишневский, B.C. Руденко, А.П. Платов Силовые ионные и полупроводниковые приборы. М., Высшая школа, 1975

23. P-i-n diodes for low-frequency high-power switching applications / M.Caul ton, A.Rosen, P. J.Stabile, A.Gombar // IEEE Trans. 1982. Vol. MTT-30, N 6. P. 875-882.

24. Solid-State Control Devices For mm-Waveband/I.V.Lebe-dev, A. S. Snhitnikov, N. V.Drozdovski and L. M. Drozdovskaia // Electronics Letters, 1995, Vol.31, No3, pp. 211-212

25. H.M.Olson Design calculations of reverse bias characteristics for microwave p-i-n diodes // IEEE Trans. 1967. Vol. ED-14, N 8. P. 418-428.

26. L.S. Senhouse Reverse biased PIN diode equivalent circuit parameters of microwave frequencies // IEEE Trans., ED-13, 1966, No.3, pp.314-322

27. M.С. Гусятинер, В.И. Руменик Тепловое сопротивление обратносмещенного СВЧ pin-диода // Электронная техника, Сер. Полупроводниковые приборы, 1975, вып.4, с. 48-52

28. R.V. Garver Microwave diode control devices, Dedham, Artech House, 1976

29. G. Phund, P. Chen Measurements yield frequency-dependent pin-diode parameters. Coplanar calibration standards provide accurate models for use in 26 GHz // Microwave & RF, V. 29, 1989, No. 5, pp. 151, 152, 154, 156

30. R.H. Caverly, G. Hiller Distortion in microwave and RF switches by reverse biased PIN diodes // IEEE MTT-S Dig., 1989, pp.1073-1076

31. A.S.Shnitnikov, N. I.Philatov Microwave limiter diode performance analyzed by mathematical modeling // Solid-State Electron. 1991. Vol. 34, N 1. P. 91-97.

32. M.Kurata A computer study of power-limiter diode behavior // Solid-State Electronics, 1974, V.17, No.9, pp.951-960

33. Н.И. Филатов, А.С. Шнитников Численное моделирование ограничительного СВЧ-диода // Изв.вузов. Радиоэлектроника. 1986, т.29, N10, с.84-86

34. Кристаллические детекторы, под ред. Е.Я. Пумпера, ч.1,2, Сов. радио, 1950

35.М.С.Гусятинер, А.И.Горбачев Полупроводниковые сверхвысокочастотные диоды. М.: Радио и связь, 1983.

36. Полупроводниковые приборы для управления СВЧ мощностью /Л. С. Либерман, Б. В. Сестрорецкий, В. А. Шпирт, Л.М. Якубень //Радиотехника, 1972, N5, с.9-24

37. И.Б. Вендик, С.Ш. Геворкян, Г. С. Хижа Эквивалентные СВЧ-параметры диодов с р+-п-п+ (р+-р-п+)-структурой при обратном смещении // Электронная техника, Сер. Электроника СВЧ, вып.10, 1980, с.24-27

38. И.Б.Вендик, Е.А.Реш Исследование эквивалентных СВЧ параметров ионно-легированных p-l-n-диодов при нулевом смещении // Радиотехника и электроника 1973. Т. 18, N 8. С. 1688-1693.

39. К.E. Mortenson, J.M Borrego Design, performance and applications of microwave semiconductor control components. Dedham: Artech House, 1972

40. И.В.Лебедев Новые взгляды на импедансные характеристики полупроводниковых СВЧ приборов // Вестник МЭИ, 1995, N2, с.19-29

41. М.А. Капцов Электрические явления в газах и вакууме. М-Л., Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1950

42. Разработка концепции повышения эффективности твердотельных защитных СВЧ-устройств и создание макетов новых типов малоинерционных самоуправляемых ограничителей.: Отчет о НИР / Моск. энерг. ин-т; Руководитель И. В. Лебедев. N ГР 01920014104; М., 1992. 135с.

43. И.В.Лебедев, А.С.Шнитников Новый ограничительный СВЧ диод. // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1993. Т. 36, N 10. С. 3-16.

44. Н. В. Дроздовский. Нелинейные свойства и электронный гистерезис твердотельных СВЧ-структур и их применение в переключателях и ограничителях мощности: Дис... канд. техн. наук. М., 1993.

45. N. I.Philatov, D.G.Yakovlev, В.0.Nakropin. A system of mixed device-circuit modeling for personal computers // Solid-State Electronics, v.36, N3, pp. 463-473

46. Н.И.Филатов Математические модели, алгоритмы и программные средства смешанного приборно-схемотехнического моделирования элементов БИС: Дис... докт. техн. наук. М., 1993.

47. Монастырева О.В. Исследование характеристик переключательных диодов в СВЧ-диапазоне и на более низких радиочастотах: дипломный проект. МЭИ., 1995

48. Г.В.Войшвилло Усилители низкой частоты на электронных лампах, М., Радио и связь, 1963, 759с.

49. C.Nagy, L.Shumway, М. Gomes-Casseres Advanced manufacturing and packaging technologies for military and commercial markets // Microwave Journal, 1995, v.38, N8, pp.22, 24,26,29, 30, 32, 34, 36

50. D. Pleasant Design models for CAE software //Microwaves & RF.1991, N12, pp.107-114

51. D.Leenov The silicon pin diode as a microwave radar protector at megawatt levels // IEEE Trans.- 1964.-Vol. ED-11.- N 2. -P. 53-61.

52. R.S.Viles Need a pin-diode attenuator? An improved circuit provides a constant characteristic impedance, logarithmic control and temperature compensation // Electronic Design, 1977, vol.25, N7, pp.100-102

53. Дж.Хелзайн Пассивные и активные цепи СВЧ. М.: Мир,1981

54. К.Гупта, Р.Гардж, Р.Чахда Машинное проектирование СВЧ устройств. М.: Мир, 1987

55. Гибридный балансный управляемый аттенюатор на pin-диодах / Е.Н.Изюмова, Н.В.Сидоров, П. Ф. Макиенков, Ю. Г. Обичкин // Электронная техника. Электроника СВЧ. 1979. N9, с. 65-68

56. И.В.Лебедев, А.С.Шнитников, Ю.С.Солодов Корреляционная оценка параметров твердотельных СВЧ-приборов / /Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1983. т.26, N10, с.55-61

57. J.F.White, S.J.Parizi Measuring Beam Leaded Diodes Nondestructively // IEEE Trans, on MTT, 1987, vol.35, N12, p.1414-1418

58. S.L.March Simple Equations Characterize Bond Wire // Microwaves & RF, 1991, N11, p. 105,107,108,110

59. R. Tayrani, R.W. Glew Ultrafast GaAs Microwave PIN Diodes // Electronics Letters, 1983, Vol. 19, N. 13, pp. 479-480

60. A.Gopinath Impedance of GaAs PIN Diodes // IEEE MTT-S Digest, 1988, pp. 801-802

61. X-Band Monolithic GaAs PIN Diode Variable Attenuation / D.J.Seymour, D.D.Heston, R.E.Lehmann, D.Zychimiter // IEEE MTT-S Digest, 1990, pp. 841-844

62. A.Gopinath Comparison of GaAs MESFET and GaAs PIN diodes as switch elements // IEEE Electron Devices Letters. 1985. Vol. 6, N 10. P. 505-506.

63 . Новые структурные схемы твердотельных ограничителей мощности / И.В.Лебедев, А. С. Шнитников, Р.А.Прохоров, Д. В. Ско-робогатов // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1991. Т. 34, N 10. С. 9-17.

64. Патент РФ 2003208 / И.В.Лебедев, А.С.Шнитников Полупроводниковый ограничительный диод // Открытия. Изобретения. 1993. N 41-42.

65. Развитие концепции повышения эффективности твердотельных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов, оптимизация параметров новой самоуправляемой структуры: Отчет о НИР по теме N 2221959 /1549/Моск. энерг. инт; Руководитель И. В. Лебедев.М.,

1995.110с.

66. I.V. Lebedev, A. S. Snhitnikov, N. V. Drozdovski and L. M. Drozdovskaia Passive microwave limiter with a new semiconductor diode and a novel electrodynamic system // 24th European Microwave Conference, Cannes, France, Sept.5-8, 1994, Conference proc., Nexus Business Communication, V.1, p.788-792

67. G. Hiller, R.H. Caverly The reverse bias requirement for PIN diodes in high power switches and phase shifters // IEEE MTT-S Digest, 1990, pp.1321-1324