2.4.2 p-i-n диод

p-i-n-диод (рис. 6.4. а) состоит из трех чередующихся областей: с дырочной, собственной и электронной проводимостью. Между  сильно легированными областями с дырочной и электронной электропроводностью находится i-область с концентрацией носителей, близкой к концентрации pi и ni в собственном полупроводнике (рис. 6.4. б).  Концентрации носителей в   р-области рр и nр , а в n-области nn и рn•

При подаче прямого напряжения в i-область одновременно инжектируются дырки из р-области и электроны из n-области. Сопротивление i-области и всего диода становится малым, его значение определяется постоянным током, протекающим через диод.. При обратном напряжении дырки и электроны экстрагируются из i-области в p- и n-области соответственно. Уменьшение концентрации носителей в i-области приводит к увеличению сопротивления i-об-ласти и всего диода. Такая зависимость сопротивления p-i-n-диода от напряжения объясняет эффективность его применения в качестве мощного выпрямительного диода, у которого должны быть малое прямое и большое обратное, сопротивления. Разработка p-i-n-диодов с малой емкостью позволила использовать их в СВЧ диапазоне.

Дифференциальное сопротивление p-i-n-диода при изменении знака напряжения изменяется на несколько порядков, в то время как емкость диода, определяемая в основном шириной i-области, изменяется незначительно. Слабая зависимость емкости от напряжения расширяет возможности использования p-i-n-диодов в СВЧ схемах с колебательными системами.

Рис. 6.4. Структура и области легирования p-i-n диода.

 На рис. 6.5 показано расположение энергетических зон в диоде типа p-i-n. На границе между соседними областями образуются запирающие слои. Контактная разность потенциалов между областями p и n в диоде в этом случае такая же, как и в отсутствие области i. При приложении обратного напряжения сопротивление i-области увеличивается, так как электрическое поле отсасывает из нее носители, что ведет к увеличению падения напряжения, создаваемого в ней обратным током. При приложении прямого напряжения, наоборот, сопротивление i-области уменьшается из-за инжекции в нее электронов из n-области и дырок из р-области, поэтому падение напряжения в i-области уменьшается.

Диод типа p-i-n предназначен для схем мощных выпрямителей и СВЧ переключателей. Для получения большого выпрямленного напряжения нужно обеспечить высокое допустимое обратное напряжение Uобр, а для получения большого выпрямленного тока - малое прямое сопротивление диода. Эти два требования взаимно противоречивы. Высокое Uобр можно получить путем увеличения толщины p-n-перехода, для чего следует уменьшить примесную проводимость p- и n-областей. Но при этом увеличивается сопротивление материала полупроводника, что имеет существенное значение в случае работы диода при больших прямых токах. Указанное противоречие можно устранить, если между p- и n-областями) расположить область из высокоомного материала с очень малой концентрацией примесей, близкой к собственному полупроводнику, что обеспечит высокое значение Uобр. В то же время области р и п выполняют с большой концентрацией акцепторных и донорных примесей, благодаря чему сопротивление этих областей диода может быть малым. На границе между областями концентрация примесей должна резко изменяться.    

Рис. 6.5. Диаграмма энергетических зон диода типа p-i-n:

а) в состоянии равновесия;
б) при обратном напряжении;
в) при прямом напряжении.

На рис. 6.6 показана p-i-n-структура одного из наиболее широко применяемых в  промышленности переключающих СВЧ-диодов.

Диод типа p-i-n изготовляется путем диффузии акцепторной и донорной примесей с противоположных сторон пластины кремния с собственной электропроводностью, который имеет высокое сопротивление.

Рис.  6.6.  Структура  p-i-n-диода

При низких частотах диод типа р-i-п обнаруживает выпрямительные свойства, аналогичные обычному p-n-переходу. Однако  при более высоких частотах накопление заряда в области i препятствует выпрямлению. Таким образом, когда к диоду прикладывается прямое напряжение смещения, он работает как переменное сопротивление, зависящее от величины напряжения.  Когда к диоду прикладывается обратное напряжение, то наблюдается постепенное уменьшение последовательного сопротивления ввиду увеличения ширины обедненного слоя. Это увеличение ширины продолжается до тех пор, пока не произойдет пробой и проводимость быстро увеличится.

В СВЧ диапазоне p-i-n-диоды используются  для  создания переключающих цепей   (СВЧ мультиплексоров), переменных и ступенчатых аттенюаторов, амплитудных модуляторов, плавных и ступенчатых фазовращателей. Например, для создания ступенчатого фазовращателя (широко применяемых в фазированных антенных решетках) p-i-n-диоды включаются с определенным интервалом в линию передачи. Переключатели на p-i-n-диодах устойчивы в работе и имеют малые потери на СВЧ. Недостатками p-i-n-диодов является меньшее, чем у диодов Шоттки, быстродействие и отсутствие усиления.

Выпускаются р-i-n-диоды с разными толщиной i-слоя, площадью структуры, рассеиваемой мощностью и быстродействием. Емкость полупроводниковых структур обычно лежит в интервале от 0,1 до 3 пФ.

В мощных p-i-n-диодах  для  СВЧ  диапазона  ширина  i-области делается большой (0,1-0,5 мм), чтобы они могли работать при больших амплитудах напряжения (свыше 1 кВ) и импульсной мощности 10 кВт и более. Большая ширина i-области позволяет также увеличить площадь сечения диода без существенного возрастания емкости, улучшить теплоотвод и поднять среднюю рабочую мощность. Диоды с большой толщиной i- слоя на частотах СВЧ-диапазона не являются выпрямителями, но могут быть использованы для управления СВЧ- мощностью в качестве переключательных диодов. Их сопротивление изменяется под действием внешнего низкочастотного напряжения.

 Следует заметить, что p-i-n-диоды применяются как при малых уровнях мощности, так и на больших мощностях, достигающих сотен ватт в непрерывном режиме и сотен киловатт в импульсе.