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

image-loader.svg

отсюда видно, что необходимо соблюдение условия

image-loader.svg

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

image-loader.svg

Время переключения

Время переключения между состояниями диода определяется процессами заполнения и рассасывания заряда в области базы. Переключение из открытого в закрытое состояние:

image-loader.svg

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.

W, мкм

до 10 мА от

до 50 мА от

до 100 мА от

10 В

100 В

10 В

100 В

10 В

100 В

175

7 мкс

5 мкс

3 мкс

2.5 мкс

2 мкс

1.5 мкс

100

2.5 мкс

2 мкс

1 мкс

0.8 мкс

0.6 мкс

0.6 мкс

50

0.5 мкс

0.4 мкс

0.3 мкс

0.2 мкс

0.2 мкс

0.1 мкс

Надо отметить, что время переключения TRF обычно меньше, чем TFR. Также необходимо учитывать быстродействие драйвера.

В силу большей подвижности носителей заряда, PIN-диоды на арсениде галлия обладают существенно большим быстродействием по сравнению с кремниевыми.

Варианты включения pin-диода в схему

image-loader.svg

Последовательный SPST ключ

В закрытом состоянии создает режим стоячей волны в линии.

Вносимые потери

image-loader.svgimage-loader.svg

Рассеиваемая RF мощность*

image-loader.svg

Максимальный RF ток диода*

image-loader.svg

Максимальное RF напряжение на диоде*

image-loader.svg

*) Если схема рассогласована, умножить на коэффициент

image-loader.svg

для токов и напряжения и на коэффициент в квадратедля мощностей

Параллельный SPST ключ

В закрытом состоянии создает режим бегущей волны в линии.

Вносимые потери

image-loader.svg

Развязка

image-loader.svg

Рассеиваемая RF мощность (открытое состояние)*

image-loader.svg

Рассеиваемая RF мощность (закрытое состояние)*

image-loader.svg

Максимальный RF ток диода*

image-loader.svg

Максимальное RF напряжение на диоде*

image-loader.svg

*) Если схема рассогласована, умножить на коэффициент

image-loader.svg

для токов и напряжения и на коэффициент в квадратедля мощностей

продолжение следует…

Использованная литература

  1. Microsemi corp. The PIN diode circuit designers» handbook.

  2. Skyworks solution inc. Design with PIN diodes.

  3. О.Г. Вендик, М.Д. Парнес. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию).

  4. Г.С. Хижа, И.Б. Вендик, Е.А. Серебрякова. СВЧ фазовращатели и переключатели.

  5. Г.Уотсон. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение.

  6. А.В. Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых приборах.

  7. СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под редакцией И.В. Мальского и Б.В. Сестрорецкого.

  8. R.Caverly and G.Hiller. Establishing the minimum reverse bias for a p-i-n diode in a high-power switch.

  9. Н.Т. Бова, Ю.Г. Ефремов, В.В. Конин. Микроэлектронные устройства СВЧ.

  10. MA-COM tech. Comparison of Gallium Arsenide and Silicon PIN diodes for High Speed Microwave Switches.

© Habrahabr.ru