Что такое пин диод
PIN-диоды для чайников. Часть 2
PIN-диод представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из сильнолегированных p + и n + областей и разделяющего их слаболегированного слоя – слоя собственной проводимости (intrinsic). Благодаря наличию этого слоя, т.н. «базы», pin-диод является плохим выпрямителем и находит применение в СВЧ-технике. В данной статье рассмотрены аспекты использования pin-диодов в СВЧ-схемах для практических применений, то есть только необходимые разработчику данные, чтобы максимально точно выполнить проектирование. Статья не претендует на сколько-либо научный труд, а является скорее справочником и сборником разрозненной информации о pin-диодах. Особое внимание уделено особенностям использования pin-диодов на высоком уровне СВЧ-мощности, таких как вопросы пробоя, влияния высокочастотного поля на режим работы диода и проблемы тепловыделения, которые являются ключевыми для разработчика мощных приборов.
Первую часть, посвященную общей информации о pin-диодах, можно прочитать тут.
Ограничения по входной СВЧ мощности
Условием стабильной работы диода в открытом состоянии является малое влияния высокочастотного тока на накопленный в базе заряд, то есть на проводимость диода. Суммарный заряд равен
отсюда видно, что необходимо соблюдение условия
В закрытом состоянии критическим является значение напряжения, возникающего на pin-диоде. Оно также складывается из постоянного запирающего напряжения и из пиковой амплитуды СВЧ-поля, которое различно для различных способов включения диода в схему. Надо отметить, что для работы в импульсном режиме надо рассматривать именно пиковое значение напряжения. Это суммарное значение напряжения не должно превышать пробойного, заявленного производителем или рассчитанного. Например, для кремния пробойным является напряжение 12В на мкм толщины базы, для арсенида галлия около 18 В/мкм. Карбид кремния же, в силу бОльшей ширины запрещенной зоны, обладает примерно в 10 раз бОльшей электрической прочностью. Именно поэтому можно делать диоды на карбиде кремния с тонкой базой, что увеличивает быстродействие диода.
Идеальным является случай, когда сумма СВЧ-напряжения на диоде и постоянного запирающего напряжения не превышает пробойного при отрицательной полуволне и не превышает 0 при положительной полуволне. Иначе диод будет пробит в первом случае, во втором же возрастают вносимые потери из-за появления проводимости. Это означает, что обратное запирающее напряжение должно быть как минимум равно амплитуде СВЧ-поля, что зачастую невозможно в мощных устройствах. Поэтому разработчики допускают превышение суммарного напряжения над 0 вольт при положительной полуволне, то есть допускают частичное открывание диода. Эта уступка связана с тем, что за время положительного суммарного напряжения на диоде он физически не успеет перейти в проводящее состояние, и база не успевает заполниться носителями заряда. Анализ этого эффекта в литературе освещен мало, поэтому разработчики обычно проводят экспериментальное исследование. Однако существует теоретическая модель, связанная с анализом накопленного в базе заряда, которая определяет минимальное допустимое значение обратного напряжения смещения
Время переключения
Время переключения между состояниями диода определяется процессами заполнения и рассасывания заряда в области базы. Переключение из открытого в закрытое состояние:
При таком переключении после включения обратного запирающего напряжения в цепи кратковременно протекает обратный ток IR– заряд уходит из базы. Чем сильнее ограничен ток в этой цепи, тем медленнее происходит переключение. Это означает, что время переключения не является собственным свойством диода.
Переключение из закрытого в открытое состояние TRF можно оценить по типичным данным, приведенным ниже. В основном оно зависит от толщины базы. Сам процесс переключения представляет собой наполнение базы носителями заряда.
PIN-диоды для чайников. Часть 1
PIN-диод представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из сильнолегированных p + и n + областей и разделяющего их слаболегированного слоя – слоя собственной проводимости (intrinsic). Благодаря наличию этого слоя, т.н. «базы», pin-диод является плохим выпрямителем и находит применение в СВЧ-технике. В данной статье рассмотрены аспекты использования pin-диодов в СВЧ-схемах для практических применений, то есть только необходимые разработчику данные, чтобы максимально точно выполнить проектирование. Статья не претендует на сколько-либо научный труд, а является скорее справочником и сборником разрозненной информации о pin-диодах. Особое внимание уделено особенностям использования pin-диодов на высоком уровне СВЧ-мощности, таких как вопросы пробоя, влияния высокочастотного поля на режим работы диода и проблемы тепловыделения, которые являются ключевыми для разработчика мощных приборов.
Режимы работы pin-диода
В этом состоянии через него протекает постоянный ток IF, а внешнее воздействие называется прямым смещением. Зная падение напряжения UDC на диоде (
1 В), необходимо резистором ограничить ток в цепи смещения. Для такого включения диода положительный контакт источника должен быть подключен к аноду диода. В таком состоянии диод представляет собой постоянный резистор RS (
1 Ом) для СВЧ тока. Существует зависимость RS от величины IF и она носит обратно пропорциональный характер, а наличие этой зависимости позволяет использовать диод как электрически управляемый аттенюатор. Область собственной проводимости заполнена носителями заряда, которые имеют некоторое конечное время жизни т. Важно, чтобы период колебаний СВЧ-поля был меньше этого времени, тогда высокочастотное поле не будет влиять на режим работы диода. Также в ряде случаев можно учесть паразитные емкости и индуктивности корпуса или просто индуктивности выводов L диода. Они могут быть либо измерены, либо предоставлены производителем.
К аноду приложено отрицательное напряжение, ток через диод не течет, за исключением тока утечки IR (
мкА). Носители заряда в базе отсутствуют. Диод представляет собой плоскопараллельный конденсатор, обкладками которого являются p и n области, а диэлектриком – база. Для СВЧ-поля диод в таком состоянии является емкостью, то есть имеет большое реактивное сопротивление, уменьшающееся с ростом частоты и самого значения емкости:
Кроме того, параллельно емкости включен резистор RP (
кОм), который определяет потери СВЧ-энергии. Иногда в литературе этот резистор рассматривают как включенный последовательно емкости, и тогда он имеет величину, примерно равную RS.
При нулевом смещении на диоде в базе присутствует объемный заряд, который рассасывается при увеличении отрицательного напряжения. Тогда же и емкость стремится к своему конечному значению и после некоторого момента перестает зависеть от значения отрицательного напряжения. В зависимости от конструкции диода емкость может достигать «насыщения» как при единицах вольт отрицательного напряжения смещения, так и нескольких нескольких десятках вольт. В отличие от емкости, величина параллельного резистора увеличивается при увеличении обратного напряжения на диоде.
Основные параметры pin-диодов
Толщина базы W, мкм
Паразитные параметры корпуса/выводов (обычно учитывают только индуктивность выводов L, нГн). В дальнейшем рассматриваться не будут, так как необходимы на этапе подробного компьютерного моделирования
Тепловое сопротивление θ, °С/Вт. Определяет нагрев диода при выделении на нем мощности, как СВЧ, так и мощности цепей управления
Максимальная температура кристалла диода
Для открытого состояния
Последовательное сопротивление RS, Ом
Время жизни носителей заряда в базе τ (
нс). Зависит от толщины базы и концентрации носителей
Для закрытого состояния
Емкость C, пФ. Типичные значения 0,01 – 1 пФ
Максимальное обратное напряжение VB – напряжение пробоя. Определяется типом полупроводника и толщиной базы
Обратное сопротивление RP, кОм
Частотные ограничения работы pin-диода
Модуляция режима работы диода СВЧ-волной в данном режиме отсутствует, при условии, что рабочая частота превышает критическую частоту, равную
Физически это означает, что носители заряда из-за своей инерционности просто не успевают реагировать на изменение СВЧ-поля. При этом и время жизни зарядов, и время переключения диода из одного состояния в другое превышают период волны. Иногда считают, что частота СВЧ-волны должна превышать величину 10/t.
Для данного режима работы диода существуют две критических частоты: снизу
Тепловое ограничение работы pin-диода
Ключевым моментом работы диода в открытом состоянии является тепловыделение на нем. Мощность, которую необходимо рассеять, складывается из двух составляющих: постоянного тока цепи смещения PDC = UDC x IF и потерь СВЧ-энергии из-за потерь на RS (I 2 RF x RS). Второе для разных вариантов включения диода в СВЧ-схему рассчитывается по-разному. Эти две составляющие в сумме не должны превышать максимальной рассеиваемой мощности диода и допускать его перегрева. При работе в импульсном режиме необходимо создать такие условия, чтобы диод после прохождения импульса успел остыть за то время, когда импульса нет. Из всех широко применяемых полупроводников худшей теплопроводностью обладает арсенид галлия, поэтому вопрос теплоотвода является одним из ключевых при работе с ним.
Зная тепловое сопротивление диода, можно рассчитать его нагрев исходя из рассеиваемой на нем мощности. Данная температура не должна превышать максимальной для данного типа полупроводника или заданной производителем. Например, для кремния максимальная неразрушающая температура равна примерно 150°С, для карбида кремния – до 500°С. Рассчитана рабочая температура диода может быть так:
где TA – температура окружающей среды или радиатора.
Иногда при работе диода в импульсном режиме используют понятие импульсного теплового сопротивления. Она может быть подставлена в формулу, приведенную выше. Эта характеристика должна быть предоставлена производителем и представлять собой семейство зависимостей θ от времени импульса при различных скважностях. Если такой характеристики нет, то для импульсного режима можно использоваться следующее выражение:
где tИМП – длительность импульса, tПЕР – период повторения импульса, tВР – временная температурная постоянная. Последняя может быть рассчитана как сумма температурных постоянных отдельных слоев (пьедестала, полупроводника, платы и т.п.):
где r – плотность материала, C – удельная теплоемкость (Дж/г×°С), K – теплопроводность (Вт/см×°С), l – толщина слоя, см.
Использованная литература
Microsemi corp. The PIN diode circuit designers’ handbook.
Skyworks solution inc. Design with PIN diodes.
О.Г.Вендик, М.Д.Парнес. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию).
Г.С.Хижа, И.Б.Вендик, Е.А.Серебрякова. СВЧ фазовращатели и переключатели.
Г.Уотсон. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение.
А.В.Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых приборах.
СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под редакцией И.В.Мальского и Б.В.Сестрорецкого.
R.Caverly and G.Hiller. Establishing the minimum reverse bias for a p-i-n diode in a high-power switch.
Н.Т.Бова, Ю.Г.Ефремов, В.В.Конин. Микроэлектронные устройства СВЧ.
MA-COM tech. Comparison of Gallium Arsenide and Silicon PIN diodes for High Speed Microwave Switches.
PIN-диоды для чайников. Часть 3
PIN-диод представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из сильнолегированных p + и n + областей и разделяющего их слаболегированного слоя – слоя собственной проводимости (intrinsic). Благодаря наличию этого слоя, т.н. «базы», pin-диод является плохим выпрямителем и находит применение в СВЧ-технике. В данной статье рассмотрены аспекты использования pin-диодов в СВЧ-схемах для практических применений, то есть только необходимые разработчику данные, чтобы максимально точно выполнить проектирование. Статья не претендует на сколько-либо научный труд, а является скорее справочником и сборником разрозненной информации о pin-диодах. Особое внимание уделено особенностям использования pin-диодов на высоком уровне СВЧ-мощности, таких как вопросы пробоя, влияния высокочастотного поля на режим работы диода и проблемы тепловыделения, которые являются ключевыми для разработчика мощных приборов.
Первую часть, посвященную общей информации о pin-диодах, можно прочитать тут.
Вторая часть посвящена способам включения pin-диода в СВЧ схему и влиянию СВЧ на диод.
SPnT переключатель (один вход и n выходов)
Простейшим способом создать SPnT ключ является использование n идентичных SPST ключей. При этом все приведенные в части 2 выражения остаются актуальными, кроме развязки – она увеличивается на 6 дБ независимо от количества выходов. Это связано с тем, что на одиночном закрытом ключе оказывается все напряжение генератора, а при наличии нескольких выходов половина напряжения генератора падает на согласованной нагрузке открытого канала, а на закрытых ключах всех остальных каналов, параллельно подключенных к генератору – вторая половина. Уменьшение напряжения соответствует уменьшению мощности в 4 раза или на 6дБ. Надо отметить, что параллельные схемы ключей необходимо подключать на расстоянии, равном четверти длины волны от места разветвления каналов, поэтому такие ключи являются более габаритными и узкополосными, хотя и обеспечивают лучшую развязку по сравнению с последовательными схемами. Кроме того, в многоканальном переключателе все каналы, кроме одного, закрыты, но, при параллельном включении в линию pin-диоды в них открыты, то есть потребляют ток. При последовательном же включении открыт только один диод.
Для создания широкополосных ключей или ключей с высоким значением развязки используются комбинации последовательных и параллельных схем ключей, а также многокаскадные ключи.
Надо отметить, что ключи с несколькими выходами требуют создания цепей согласования, так как диод в закрытом состоянии является не идеальным разрывом, а представляет собой емкость. Кроме того, необходимо компенсировать паразитные параметры корпуса диода. Ниже приведен пример топологии параллельного ключа с согласующими элементами.
Вторым примером решения этой проблемы является более удобная схема параллельного ключа, не требующая согласования, однако также являющаяся узкополосной. Четвертьволновый разомкнутый шлейф создает КЗ в точке включения диода в линию, при условии, что диод открыт. Когда же диод закрыт, он представляет собой параллельную линии емкость, а короткозамкнутый шлейф, также подключенный к точке включения диода в линию, представляет собой распределенную индуктивность, образующую с емкостью диода параллельный резонансный контур на рабочей частоте, то есть в этом состоянии волна проходит без помех.
Аналогом такой схемы для последовательного включения pin-диода является схема, приведенная выше. Здесь параллельно диодам включены индуктивности, которые также обеспечивают резонанс с емкостью закрытого диода. Включения конденсатора с большой емкостью необходимо для того, чтобы анод и катод диода не были под одним потенциалом. Такая схема обеспечивает хорошую развязку, однако требует согласования.
Общие рекомендации
Для подачи смещения на диоды необходимо создать такие цепи, которые пропускали бы постоянный ток, но были бы изолированы по СВЧ. Обычно для этих целей используются печатные четвертьволновые линии с чередующимися высоким и низким волновыми сопротивлениями. Это проще с точки зрения изготовления, однако не очень компактно. Возможно использовать для подачи смещения сосредоточенные навесные индуктивности с высоким импедансом на высоких частотах. Кроме того, такие элементы имеют собственные корпусные резонансы, обусловленные наличием паразитной емкости корпуса. Если подобрать элемент по его s-параметрам с паразитным резонансом на центральной рабочей частоте, то можно добиться большой развязки при очень компактных размерах самого компонента. Необходимо только учесть, что индуктивности обладают ограничением по пропускаемому току, поэтому ток, открывающий диод, не должен превышать максимальный ток, разрешенный для конкретного компонента.
Вторым моментом, на который стоит обратить внимание, являются потери, обусловленные сопротивлением диода в открытом состоянии. Как видно из формул, приведенных в части 2, эти потери не зависят от частоты, а определяются самим значением сопротивления и импедансом подводящей линии. Поэтому целесообразно использовать линию с высоким волновым сопротивлением, так как это уменьшит потери, а соответственно и тепловыделение на диоде. Из минусов такого подхода можно отметить необходимость введения в схему трансформаторов для приведения импеданса линии к 50 Ом, а также повышенное напряжение на диоде.
Еще одним полезным фактом является то, что, благодаря различиям в вольт-амперных характеристиках, арсенид-галлиевый pin-диод, в отличие от кремниевого, может управляться стандартными TTL-напряжениями. +5 вольт логической единицы откроют оба диода, однако +0.2 вольта логического нуля частично откроют кремниевый диод, но еще не откроют диод из арсенида галлия. Соответственно при низких уровнях СВЧ-мощности удобно управлять арсенид-галлиевыми диодами без дополнительных источников питания.
Коммутационное качество pin-диода
Для количественного описания качества управляющего устройства применяют характеристику, называемую фактором коммутационного качества K. Она является универсальной характеристикой управляющего устройства любой природы (феррит, сегнетоэлектрик, полупроводник). В данном случае определяется оно исходя из того, что диод обладает большим и малым сопротивлением СВЧ-полю в закрытом и открытом состояниях соответственно. При этом можно считать, что в открытом состоянии диод представляет собой резистор r, а в закрытом – последовательно соединенные емкость C и резистор R, при этом r @ R— Тогда можно считать, что у диода меняется только мнимая часть импеданса, и в таком случае
Для любого переключаемого элемента, пригодного для практических применений K > 1000. Данная формула действительна для бескорпусного диода, однако K не изменится и в присутствии корпуса, если в нем нет существенных потерь.
Использованная литература
Microsemi corp. The PIN diode circuit designers’ handbook.
Skyworks solution inc. Design with PIN diodes.
О.Г.Вендик, М.Д.Парнес. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию).
Г.С.Хижа, И.Б.Вендик, Е.А.Серебрякова. СВЧ фазовращатели и переключатели.
Г.Уотсон. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение.
А.В.Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых приборах.
СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под редакцией И.В.Мальского и Б.В.Сестрорецкого.
R.Caverly and G.Hiller. Establishing the minimum reverse bias for a p-i-n diode in a high-power switch.
Н.Т.Бова, Ю.Г.Ефремов, В.В.Конин. Микроэлектронные устройства СВЧ.
MA-COM tech. Comparison of Gallium Arsenide and Silicon PIN diodes for High Speed Microwave Switches.
Pin диод
PIN-диод — разновидность диода, в котором между областями электронной (n) и дырочной (p) проводимости находится собственный (нелегированный, англ. intrinsic) полупроводник (i-область). p и n области как правило легируются сильно, так как они часто используются для омического контакта к металлу.
Широкая нелегированная i-область делает pin-диод плохим выпрямителем (обычное применение для диода), но, с другой стороны, это позволяет использовать его в аттенюаторах (ослабителях сигнала), быстрых переключателях, фотодетекторах, а также в высоковольтной электронике.
Как правило предназначен для работы в сантиметровом диапазоне волн.
Содержание
Принцип работы
Характерные качества pin-диода проявляются при работе в режиме сильной инжекции, когда i-область заполняется носителями заряда из сильнолегированных n+ и p+ областей, к которым прикладывается прямое смещение напряжения. pin-диод функционально можно сравнить с ведром воды с отверстием сбоку: как только ведро наполняется до уровня отверстия, оно начинает протекать. Точно так же и диод начинает пропускать ток, как только заполнится носителями заряда i-область.
Из-за того, что в i-области очень низкая концентрация носителей заряда, там практически отсутствуют процессы рекомбинации во время инжекции. Но в режиме прямого смещения концентрация носителей заряда на несколько порядков превышает собственную концентрацию.
Характеристики
На низких частотах для pin-диода справедливы те же уравнения, что и для обычного. На высоких частотах pin-диод ведет себя как практически идеальный резистор — его вольт-амперная характеристика (ВАХ) линейна даже для очень большого значения напряжения. На высоких частотах в i-области находится большое количество накопленного заряда, который позволяет диоду работать. На низких частотах заряд в i-области рекомбинирует и диод выключается.
Реактивное сопротивление обратно пропорционально постоянному току, протекающему через pin-диод. Таким образом, можно варьировать значение сопротивления в широких пределах — от 0,1 Ом до 10 кОм — меняя постоянную составляющую тока.
Большая ширина i-области также означает, что pin-диод имеет небольшую ёмкость при обратном смещении.
Области пространственного заряда (ОПЗ) в pin-диоде практически полностью находятся в i-области. По сравнению с обычными, pin-диод имеет значительно бо́льшую ОПЗ, границы которой незначительно меняются в зависимости от приложенного обратного напряжения. Таким образом увеличивается объем полупроводника, где могут быть образованы электронно-дырочные пары под воздействием излучения (например, оптического — фотона). Некоторые фотодетекторы, такие как pin-фотодиоды и фототранзисторы (в которых переход база-коллектор является pin-диодом), используют pin-переход для реализации функции детектирования.
При проектировании pin-диода приходится искать компромисс: с одной стороны, увеличивая величину i-области (а соответственно, и количество накопленного заряда) можно добиться резистивного поведения диода на более низких частотах, но с другой стороны, при этом для рекомбинации заряда и перехода в закрытое состояние потребуется большее время. Поэтому, как правило, pin-диоды каждый раз проектируются под конкретное приложение.
Применение
pin-диоды как правило используются как переключатели в радио- и СВЧ трактах, аттенюаторы, модуляторы, переключатели и фотодетекторы.
По области применения pin-диоды подразделяют на:
Радиочастотные (РЧ) и СВЧ-переключатели
При нулевом или обратном смещении pin-диод имеет малую ёмкость. Ёмкость небольшой величины не пропускает высокочастотный сигнал. При прямом смещении и токе 1 мА типичный pin-диод имеет реактивное сопротивление порядка 1 Ом, что делает его хорошим проводником в РЧ-тракте. Таким образом, pin-диод может использоваться в качестве хорошего РЧ- и СВЧ-переключателя.
РЧ реле также используются как переключатели, однако с меньшей скоростью (время переключения
10 мс), в то время, как pin-диоды — значительно быстрее: десятки нс, единицы мкс.
Ёмкость выключенного дискретного pin-диода составляет примерно 1 пФ. На частоте 320 МГц реактивное сопротивление такой емкости
500 Ом. В системах, рассчитанных на 50 Ом, ослабление сигнала будет около 20 дБ, что в некоторых приложениях недостаточно. В приложениях, требующих большей изоляции, переключатели каскадируются: каскад из трёх диодов даёт ослабление в 60 дБ и более (до 100 дБ в зависимости от частоты).
РЧ и СВЧ управляемые аттенюаторы
Меняя ток через pin-диод, можно быстро изменить реактивное сопротивление.
На высоких частотах реактивное сопротивление pin-диода обратно пропорционально силе тока. Соответственно, pin-диод может использоваться как управляемый аттенюатор, например, в схемах амплитудных модуляторов и сдвига уровня.
pin-диод может использоваться, например, как мостовой или шунтирующий резистор в Т-мостовой схеме аттенюатора.
Ограничители
pin-диоды иногда используются для защиты устройств по входам при высокочастотных измерениях. Если входной сигнал мал и находится в области допустимых значений, то pin-диод как малая ёмкость вносит минимальные искажения. При увеличении сигнала и выходе его за допустимые рамки pin-диод начинает проводить и становится резистором, шунтирующим сигнал на «землю».
Фотодетекторы
pin-диод может использоваться в сетевых картах и коммутаторах для волоконно-оптических кабелей. В этих приложениях pin-диод используется как фотодиод.
В качестве фотодетектора pin-диод работает при обратном смещении. При этом он закрыт и не пропускает ток (за исключением незначительного тока утечки). Фотон входит в i-область, порождая образование электронно-дырочных пар. Носители заряда, попадая в электрическое поле ОПЗ, начинают двигаться к высоколегированным областям, создавая электрический ток, который может быть детектирован внешней цепью. Проводимость диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения.
Величина обратного напряжения может достигать больших значений, при этом большее напряжение создает большее поле, которое вытягивает носители из ОПЗ i-области более быстро.