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1、微波微波 pin 二极管电阻与温度的关系二极管电阻与温度的关系时间：2009-04-17 10:19:29 来源：半导体技术 作者：顾晓春 吴思汉0 引言引言微波 pin 二极管是一种应用非常广泛的微波控制器件，可以用来制作微波开关、微波衰减器、微波限幅器、微波移相器等。在各类微波 pin 二极管电路应用中，二极管电阻的温度特性强烈地影响着微波电路的温度性能。pin 二极管温度效应的研究包括对迁移率和载流子寿命的温度特性的理论分析和实验研究。文中针对几种不同结构和钝化材料的 pin 二极管，对其温度性能进行了研究，包括 I 区域载流子寿命与温度的关系、迁移率与温度的关系以及电阻与温度的关系，研
2、究表明：pin二极管电阻的温度性能主要依赖于二极管结电容的大小。1 理论分析理论分析在微波工作状态下，pin 二极管的电阻与正向电流以及半导体材料参数相关。可用简化表达式来表示式中：W 为 I 区的厚度；IF 为正向电流； 为 I 区双极迁移率 =n+p； 为双极载流子寿命。式中，迁移率和载流子寿命与温度相关，即对电阻的温度性能有影响。1. 1 迁移率迁移率迁移率与温度的关系比较复杂，但在一定的温度范围内，半导体体内的杂质已全部电离，本征激发还不十分明显时，载流子浓度基本不随温度变化，影响迁移率的诸多因素中，晶格散射起主要作用，迁移率随温度升高而降低。一些学者的研究结果表明，在一50+200(
3、223473 K)内，迁移率和温度的关系可表示为式中：n 值为 222；t0 为常温，通常定为 25(298 K)。12 少数载流子寿命少数载流子寿命少数载流子寿命不仅受到体内复合的影响，更为重要的是，很大程度上受表面状态的影响， 是一个结构灵敏参数，是体内复合和表面复合的综合结果，可表示为式中：v 是体内复合寿命；s 是表面复合寿命。研究发现：载流子寿命随温度的增加而增加，可表示为式中 m 称之为载流子寿命因子。13 载流子寿命因子与电阻载流子寿命因子与电阻比较式(2)和式(4)，在一 50+200(223473 K)内(微波 pin 二极管通常的工作温度范围)，令 n=2，则得到微波 pi
4、n 二极管电阻的温度特性为由式(5)可以看出，电阻的温度特性取决于迁移率和少数载流子寿命温度特性的综合结果。图 1 是以载流子寿命因子 m 为参数，由式(5)得到的归一化电阻与温度的关系曲线。图1 表明，pin 二极管的电阻可以随载流子寿命的增加而增加，也可以是减少或保持不变，当m=2 时，pin 二极管的电阻不随温度变化。影响载流子寿命因子 m 值的因素很多，包括：二极管几何结构(I 区域的宽度、结直径、结形状等)、表面钝化材料的电学性质，以及本征层的载流子浓度等。这些因素中，由于 pin 二极管的工区域的载流子浓度一般不高于 1014cm-3，当外延材料杂质浓度稳定且缺陷很少时，外延材料参
5、数对载流子寿命因子的影响可以忽略。需要重点研究的是二极管几何结构、表面钝化材料对寿命因子 m 值的影响。2 实验和分析实验和分析21 实验实验研究了以下几种不同结构和钝化材料的 pin 二极管电阻的温度性能。二极管 A：台式结构，铅玻璃钝化，结电容小，I 层厚度为 21m；二极管 B：台式结构，Si3N4Si02 复合介质膜钝化，结电容最小，击穿电压低，I 层厚度为 5m；二极管 C：平面结构，Si3N4Si02 复合介质膜钝化，结电容大，I 层厚度为 13m；二极管 D：台式结构，玻璃钝化，结电容最大，I 层厚度为 85m。表 l 和表 2 是四种二极管的常温和高低温下电参数测试结果。1/2
6、 1 2 下一页下一页 尾页尾页 6顶一下顶一下22 数据分析根据式(5)和表 1、2 中的数据，计算各温度下的 m 值，得到上述四种 pin 二极管的平均结电容值(Ci)和 m 平均值(m)，如表 3。并根据表 3，得到寿命因子与二极管结电容的关系曲线和趋势线，见图 2。 分析上述数据，不同的二极管有着不同的载流子寿命因子 m 值，但 m 值与二极管的击穿电压、器件结构以及钝化材料没有太大的关系，击穿电压高二极管的寿命因子不一定大或小，而结电容相近的二极管，即便钝化方式不同，但却有着相近的 m 值。也就是说，结电容的大小对 m 值的影响最大。究其原因，结面积的大小直接影响着二极管载流子的表面
7、复合，对二极管在不同温度下载流子寿命的大小起着决定性的作用，即在式(1)中，虽然没有结电容的因子，但式中载流子寿命 与 pin 二极管的结面积密切相关，且随着 pn 结面积的减少而减小。由图 2 中的趋势线可以看出，载流子寿命因子 m 与结电容的关系近似为线性关系。当结电容达到 09 pF 时，载流子寿命因子 m=1，由式(4)可知，此时二极管的电阻与温度的关系约为线性关系，即温度的上升，导致二极管电阻值的线性增加。m 值小于 2，根据式(5)得到：微波 pin 二极管的温度系数是正值，温度上升，导致了二极管电阻的增加。23 不同不同 Cj 下，电阻与温度的关系下，电阻与温度的关系根据式(5)
8、和图 2 趋势线得到的 m 值，得到二极管归一化电阻和温度的关系曲线，该曲线可以用来预计二极管在不同温度下的电阻。如图 3。24 Rf 与与 Rs上述测试数据中，采用的二极管的电阻值是正向微分电阻。二极管电阻的测试有两种方法，分别得到正向微分电阻 Rf 和微波串联电阻 Rs。Rf 的测量对检验二极管金属化工艺质量更直观，Rs 对 pin 管应用电路设计更方便一些。正向微分电阻的测量是在直流偏置 If=(O100)mA 下，叠加 50 Hz5 mA 的交流信号，该信号提供一个较小的I，从而获得一个V，则 Rf=V/I，这种办法模拟了微波使用状态；微波串联电阻 Rs 的测量是在直流偏置 If=(1
9、0100)mA 下，通常是 10、50、100 mA 三种偏置状态，采用隔离度测量法或反射系数测量法来测量计算得到 Rs。可以证明：当 RjCjl 时，二极管的电阻与频率基本无关，RfRs。微波电路中使用的二极管的结电容不大，通常小于 1 pF，在 If=(10100)mA 内，Ri 通常小于 10 ，完全能够满足 RjCj1。因此，上述关于 Rf 的研究结果同样适用于微波串联电阻 Rs、Rf 和 Rs均可以用来表征微波 pin 二极管在微波状态下的电阻性能，只是两者的测试方式不同。以 Model A 为例，测量正向微分电阻 Rf 与微波串联电阻 Rs，并进行了对比，见表 4。测试使用 WB-
10、201 型正向微分电阻测试仪和 Agilent4287A RFLCR METER。由以下数据可以看出，当正向电流较大时，RfRs；正向电流较小时，由于正向微分电阻测试仪器内的交流小信号幅度不是很小，导致与 Rs 的测试误差较大。25 应用应用应用上述结果可以预计 pin 开关、电调衰减器等微波 pin 二极管电路的温度特性。以并联结构微波 pin 二极管开关为例，研究其隔离度与温度的变化。在负偏置情况下，pin 二极管结电容基本不随温度变化，其对隔离度的影响可以忽略不计，隔离度随温度变化的主要因素是二极管的电阻。对于并联结构的 pin 二极管微波开关，其隔离度 ISO 可表示为式中：G 是二极
11、管的导纳，G=1Z；Y0=1Z0=002。并假定二极管的正向工作电流IF 下，Rt0=14；双金丝并联引线电感(L1=L2=015 nH)，工作频率 f=3 GHz，则X=L=1413，如不考虑互感，贝 Zf0=07+j1413()，Yf0=a+jb=(0353 8 一 j 0357 1)。根据表 3，Cj=0105 pF 时，m=1510；Cj=0594 pF 时，m=1198。根据式(5)、(6)，编制了简单的计算软件，得到这两种不同结电容 pin 二极管开关隔离度的温度特性，见图 4。3 结论结论研究结果表明，微波 pin 二极管的电阻的温度性能微观上受载流子寿命、电子迁移率、表面状态等诸多因素的影响，其综合结果表现为二极管电容值对二极管的电阻的影响最大，微波 pin 二极管的钝化方式和几何结构对其电阻的温度性能影响不大。结电容为0110 pF 的微波二极管即使钝化方式不同，其电阻都具有正的温度系数，温度的升高导致二极管电阻的增加，约为线性关系。结电容越小，则 m 值越接近于 2，电阻随温度的变化越小；反之，变化越大。研究结果可以用来预计 pin 二极管开关的隔离度、衰减器衰减量的温度性能，通过温度补偿设计，制作出温度性能优良的 pin 二极管微波电路。
