Устройство и принцип действия плавного аттенютора и импульсного коммутатора на p-i-n-диодах. Основные характеристики аттенютора и импульсного коммутатора

Брежнев О.К.                                       p-i-n-диоды

Цель работы – ознакомление с устройством и принципом действия плавного аттенютора и импульсного коммутатора на p-i-n-диодах, исследование основных характеристик аттенютора и импульсного коммутатора

1.  КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

В последние годы быстро развивается техника СВЧ регулирующих устройств с использованием различных явлений в полупроводниках. Регулирующие СВЧ устройства позволяют изменять амплитуду и фазу проходящего сигнала, решать различные коомутационные и логические задачи. Применение полупроводниковых СВЧ-устройств оказывается во многих случаях более целесообразным, чем применение освоенных управляющих устройств с использованием ферритов и газоразрядной лампы. Обусловлено это тем, что полупроводниковые устройства обладают следущими важными характеристиками:

·  компактностью и малым весом;

·  сравнительно небольшой мощьностью цепей питания(обычно от долей мкВт до 1 Вт);

·  высоким быстродействием(0,1 нс ... 50 мкс);

·  продолжительным сроком службы (до 200000 ч) и высокой надежностью.

Чаще всего в качестве управляющих элементов на полупроводниковых СВЧ-устройствах используют p-i-n-диоды. Основным свойством p-i-n-диодов является изменение их импеданса под воздействием внешнего источника тока, что приводит к изменению уровня СВЧ сигнала на выходе устройства. Величина ослабления, вносимая коммутирующим устройством, может оставаться примерно постоянной в некоторой полосе частот СВЧ-диапазона. В зависимости от полосы частот управляющее устройство может рассматриваться как широкополостное или узкополостное. Устройство считается широкополостным, если ширина полосы его рабочих частот больше 5% от средней частоты.

Возможности и характеристики устройств на p-i-n-диодах, управляющих мощностью, в значительной степени зависят от параметров самих p-i-n-диодов. В связи с этим целесообразно рассмотреть свойства p-i-n-диодов.

p-i-n -  ДИОДЫ

p-i-n-диод представляет собой трехслойный полупроводник, в котором между тонкими низкоомными (с большой концентроцией примесей) p и n-слоями расположен промежуточный высокоомный i-слой чистого полупроводника, не содержащего в отличие от обычного точечного p-n-перехода объемного заряда. Распределение концентрации примесей в p-i-n-структуре показано на рис. 1. Толщина i-слоя на 1 – 3 порядка больше точечного p-n-перехода и составляет 0,02 – 0,5 мм, поэтому ёмкость, создаваемая им, получается малой даже при относительно большой площади структуры и практически не зависит от напряжения смещения. При нулевом и обратном напряжениисмещения такой диод обладает очень высоким импедансом на СВЧ, в то время как при небольших прямых токах импеданс очень низкий. Это обстоятельство позволяет использовать p-i-n-диод в качестве переключателя на СВЧ-линиях передачи. Другое применение этого диода определяется тем, что сопротивление p-i-n-диодах на радиочастотах может плавно изменяться от больших до малых величин, при изменении напряжения смещения на диоде. Поэтому такой диод можно использовать в схеме переменного аттенютора.

Анализ СВЧ-структур, содержащих p-i-n-диоды, достаточно полно приведен авторами работ [1, 2, 3]. Рассмотрим упрощенные эквивалентные схемы p-i-n-диодов при обратном и прямом напряжении смещения.

1.1.Эквивалентная схема при обратном напряжении смещения.

Упрощенная эквивалентая схема p-i-n структуры идеального распределения без паразитных элементов при обратном напряжении смещения , достаточном для полного обеднения i-слоя, показана на рис. 2, а. В этом случае эквивалентная схема наряду с конструктивными индуктивностью ввода L_s, ёмкостью корпуса диодов C_p и паразитной ёмкостью вводов C_f содержит постоянную ёмкость С, возникающую за счет скопления зарядов на границе обедненной области (величина С составляет сотые доли пФ), и сопротивление r_-, равное сумме сопротивлений p и n-областей и сопротивления, связанного с контактами подведенными к этой области (имеет величину от единиц до 10 ... 20 Ом).

1.2. Эквивалентная схема при прямом напряжении смещения (рис. 2, б)

При возрастании напряжения прямого смещения инжекция носителей в i-слой становится значительной. Электроны инжектируются в i-слой из n-области, а дырки – из p-области. В результате концентрация носителей в i-слое увеличивается по сравнению с равновесными значениями, а удельное сопротивление снижается при возрастании прямого напряжения смещения. Концентрация дырок и электронов примерно одинакова на протяжении всего i-слоя. Если время жизни носителей в i-слое сравнительно велико и он не слишком толстый , то уже при небольших уровнях прямого смещения i-слой «заливается» носителями. При этом сопротивление диода становится небольшим (от десятых долей до единиц Ом), что в свою очередь приводит к тому, чтов линии передачи СВЧ возникает короткое замыкание.

Эффект управления плотностью носителей и сопротивлением r₊ в i-слое путем изменения напряжения прямого смещения называется модуляцией проводимости. Эти особенности диода важны при использовании p-i-n-диодов в качестве переменных сопротивлений в электрически управляемых аттенюторах.

1.3. Переключение из одного положения  смещения в другое.