微波pin二極管電阻與溫度的關(guān)系

1 理論分析
在微波工作狀態(tài)下，pin二極管的電阻與正向電流以及半導(dǎo)體材料參數(shù)相關(guān)。可用簡化表達(dá)式來表示

式中：W為I區(qū)的厚度；IF為正向電流；μ為I區(qū)雙極遷移率μ=μn+μp；τ為雙極載流子壽命。式中，遷移率和載流子壽命與溫度相關(guān)，即對(duì)電阻的溫度性能有影響。
1. 1 遷移率
遷移率與溫度的關(guān)系比較復(fù)雜，但在一定的溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體體內(nèi)的雜質(zhì)已全部電離，本征激發(fā)還不十分明顯時(shí)，載流子濃度基本不隨溫度變化，影響遷移率的諸多因素中，晶格散射起主要作用，遷移率隨溫度升高而降低。一些學(xué)者的研究結(jié)果表明，在一50～+200℃(223~473 K)內(nèi)，遷移率和溫度的關(guān)系可表示為

式中：n值為2~2．2；t0為常溫，通常定為25℃(298 K)。
1．2 少數(shù)載流子壽命
少數(shù)載流子壽命不僅受到體內(nèi)復(fù)合的影響，更為重要的是，很大程度上受表面狀態(tài)的影響，τ是一個(gè)結(jié)構(gòu)靈敏參數(shù)，是體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合的綜合結(jié)果，可表示為

式中：τv是體內(nèi)復(fù)合壽命；τs是表面復(fù)合壽命。
研究發(fā)現(xiàn)：載流子壽命隨溫度的增加而增加，可表示為

式中m稱之為載流子壽命因子。
1．3 載流子壽命因子與電阻
比較式(2)和式(4)，在一50~+200℃(223~473 K)內(nèi)(微波pin二極管通常的工作溫度范圍)，令n=2，則得到微波pin二極管電阻的溫度特性為

由式(5)可以看出，電阻的溫度特性取決于遷移率和少數(shù)載流子壽命溫度特性的綜合結(jié)果。
圖1是以載流子壽命因子m為參數(shù)，由式(5)得到的歸一化電阻與溫度的關(guān)系曲線。圖1表明，pin二極管的電阻可以隨載流子壽命的增加而增加，也可以是減少或保持不變，當(dāng)m=2時(shí)，pin二極管的電阻不隨溫度變化。

影響載流子壽命因子m值的因素很多，包括：二極管幾何結(jié)構(gòu)(I區(qū)域的寬度、結(jié)直徑、結(jié)形狀等)、表面鈍化材料的電學(xué)性質(zhì)，以及本征層的載流子濃度等。這些因素中，由于pin二極管的工區(qū)域的載流子濃度一般不高于1014cm-3，當(dāng)外延材料雜質(zhì)濃度穩(wěn)定且缺陷很少時(shí)，外延材料參數(shù)對(duì)載流子壽命因子的影響可以忽略。需要重點(diǎn)研究的是二極管幾何結(jié)構(gòu)、表面鈍化材料對(duì)壽命因子m值的影響。

2 實(shí)驗(yàn)和分析
2．1 實(shí)驗(yàn)
研究了以下幾種不同結(jié)構(gòu)和鈍化材料的pin二極管電阻的溫度性能。
二極管A：臺(tái)式結(jié)構(gòu)，鉛玻璃鈍化，結(jié)電容小，I層厚度為21μm；
二極管B：臺(tái)式結(jié)構(gòu)，Si3N4／Si02復(fù)合介質(zhì)膜鈍化，結(jié)電容最小，擊穿電壓低，I層厚度為5μm；
二極管C：平面結(jié)構(gòu)，Si3N4／Si02復(fù)合介質(zhì)膜鈍化，結(jié)電容大，I層厚度為13μm；
二極管D：臺(tái)式結(jié)構(gòu)，玻璃鈍化，結(jié)電容最大，I層厚度為85μm。
表l和表2是四種二極管的常溫和高低溫下電參數(shù)測(cè)試結(jié)果。