Детекторный диод с барьером Шоттки (ДБШ)

Для детектирования и преобразования СВЧ сигналов в сигналы более низких частот или в постоянный ток обычно применяют выпрямительные высокочастотные диоды - детекторный и смесительный, работающие как варисторы. Выпрямительные высокочастотные диоды используются в амплитудных и фазовых детекторах, ограничителях, в схемах нелинейных управляемых резисторов, смесителях и т.п. В их характеристиках и конструкциях много общего.

Детекторный СВЧ диод - это полупроводниковый прибор с одним переходом и двумя выводами, предназначенный для преобразования модулированных высокочастотных колебаний в постоянный ток или ток низкой частоты.

В диапазоне СВЧ применяют диоды, у которых отсутствует инжекция неосновных носителей и барьерная ёмкость очень мала, а нелинейность вольтамперной характеристики сохраняется на частотах сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. К ним относятся диоды с контактом металл-полупроводник и туннельные диоды. Но так как в данной работе будет идти речь о разработке синхронного детектора на диоде с барьером Шоттки, то остановимся только на нём.

Переход металл - полупроводник, получаемый вакуумным напылением металла на полупроводник, называют переходом с барьером Шоттки. ДБШ выполняются из кремния или арсенида галлия n - типа, высота потенциального барьера у которых составляет 0,27 … 0,9 эВ. Обычно в качестве металлического электрода используется молибден, золото, алюминий и другие металлы, работа выхода электрона из которых для образования выпрямляющего контакта должна быть больше работы выхода кремния.

На пластину низкоомного кремния (n⁺ - область) наращивается тонкий (несколько микрометров) эпитаксиальный слой более высокоомного кремния с концентрацией примесей порядка 10¹⁶ см ^-3 (n - область) методом эпитаксии (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Структура диода с барьером Шоттки

Эпитаксией называется процесс наращивания монокристаллических слоёв на подложку. При этом в наращиваемом слое сохраняется кристаллическая ориентация подложки.

Затем на поверхность эпитаксиального слоя методом вакуумного испарения осаждается слой металла. Площадь перехода обычно очень мала (10 … 20 мкм в диаметре) для диодов сантиметрового диапазона длин волн и уменьшается до нескольких микрометров для диодов миллиметрового диапазона длин волн, поэтому барьерная ёмкость не превышает 1 пФ.

Благодаря малой толщине эпитаксиального n - слоя, образующего переход с металлом, сопротивление потерь перехода r_пер меньше, а крутизна ВАХ и электрическая прочность выше, чем у точечно - контактного перехода. Однако контактная разность потенциалов некоторых типов ДБШ большая (до 0,9 В).

Особенности физических процессов в ДБШ заключаются в отсутствии инжекции неосновных носителей в базу (кремний). Запирающий слой, как это было показано ранее, образуется в результате обеднения приконтактного слоя полупроводника основными носителями зарядов (в данном случае электронами). Поэтому при подключении прямого напряжения U (плюс на металле) прямой ток возникает в результате движения основных носителей зарядов (электронов) из полупроводника в металл через пониженный потенциальный барьер перехода. Таким образом, в базе диода (n – Si) не происходит накапливания и рассасывания неосновных носителей. Основным фактором, влияющим на длительность переходных процессов, является процесс перезаряда барьерной ёмкости C_бар. Значение C_бар, как было указано выше, весьма мало (не более 1 пФ), очень малы также и омические сопротивления электродов: металла и (n + – Si). Вследствие этого время перезаряда ёмкости C_бар, а, следовательно, и длительность переходных процессов также очень малы и составляют десятые доли наносекунды. Эти свойства позволяют использовать ДБШ в наносекундных переключающих схемах, а также на рабочих частотах вплоть до 300 ГГц.

Статическую ВАХ p-n-перехода аппроксимируют выражением:

(1.6)

где I_S - ток насыщения при обратном смещении на диоде;

e - заряд электрона;

U - напряжение на диоде;

m - коэффициент неидеальности ВАХ;

k - постоянная Больцмана;

T - абсолютная температура.

При подаче на переход обратного напряжения ток быстро достигает насыщения. Значение тока насыщения Is определяется параметрами материала базовой области; обратный ток резко возрастает с повышением температуры. Характеристики прямого тока смещаются влево с ростом температуры. Пробивное напряжение обычного p - n - перехода достаточно велико благодаря высокой электрической прочности обеднённых слоёв полупроводника (ВАХ p - n на рисунке 1.7).

Рисунок 1.7 - Вольтамперные характеристики диодов

Выражение (1.6) достаточно точно описывает прямую ветвь ВАХ диодов с переходом металл - полупроводник при токе насыщения порядка 10 ^{- 9} А для ДБШ и 10 ^{- 6} А для ТКД, причём m ≈ 1,05 … 1,5 для ДБШ и m ≈ 1,7 … 2 для ТКД. В отличие от p - n - перехода, обратная ветвь ВАХ ТКД и ДБШ наклонна, не имеет чётко выраженного участка насыщения вследствие тонкости перехода и влияния поверхностного тока утечки.

Различные типы диодов СВЧ отличаются устройством, материалом и областью применения. Приведем одну из структур детекторных диодов. Базу диодной структуры 3 припаивают к медному держателю 1. Второй вывод структуры присоединяют термокомпрессией к тонкой золотой проволочке 4, которую в свою очередь припаивают к фланцу 6 (рисунок 1.8). Фланец и держатель спаяны с керамической втулкой 2 с помощью колец из твердого припоя. Для герметичности корпуса крышку 5 сваривают с фланцем электроконтактным, электроннолучевым или лазерным методом.

Рисунок 1.8 - Устройство диода СВЧ

1- ножка с держателем; 2 - керамическая втулка (корпус); 3 - диодная

структура; 4 - вывод; 5 - крышка; 6 - фланец; 7 - кольцо припоя

Представить диод в виде системы с сосредоточенными параметрами можно, если линейные размеры его (длина корпуса, толщина перехода) малы по сравнению с длиной волны. Эквивалентная схема детекторного СВЧ диода показана на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Эквивалентная схема СВЧ диода

Здесь переход представлен дифференциальными параметрами: сопротивлением перехода r_пер = ∂u / ∂i и барьерной ёмкостью C_бар. Потери в базе диода, омических переходах и выводах отображены последовательным сопротивлением потерь r_б, индуктивность выводов и контактной пружинки - L_к, конструктивная ёмкость между выводами при отсутствии контакта с диодной структурой - C_к. Из - за падения напряжения на r_б и L_к приложенное к переходу напряжения оказывается меньше, чем подведённое к диоду, а ёмкость C_к шунтирует его. Эти параметры называют паразитными. Типичные значения L_к - десятые доли наногенри и C_к - десятые доли пикофарады, r_б - десятые доли или единицы ома. У бескорпусных диодов значения C_к и L_к меньше примерно на порядок, благодаря чему их эффективность выше. Значение дифференциального сопротивления r_пер может изменяться в широких пределах в зависимости от положения рабочей точки ВАХ диодов, значение C_бар - десятые доли пикофарад.

Инерционность электрических процессов в диоде зависит от постоянной времени τ = r_б∙C_бар, поэтому для повышения частотного предела в большинстве СВЧ диодов используют переходы с малыми поперечными размерами, барьерная емкость C_бар которых не превышает десятых долей пикофарад, а последовательное сопротивление потерь r_б - единиц Ома.

Параметры схемы можно определить путём измерений на низких частотах или приближенно на основе процесса выпрямления. Эквивалентная схема используется для расчёта характеристик детекторного диода на высоких частотах.