微波pin二极管电阻与温度的关系

0 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
    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；μ为I区双极迁移率μ=μn+μp；τ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℃(223~473 K)内，迁移率和温度的关系可表示为

   
式中：n值为2~2．2；t0为常温，通常定为25℃(298 K)。
1．2 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，τ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：τv是体内复合寿命；τs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。
1．3 载流子寿命因子与电阻
    比较式(2)和式(4)，在一50~+200℃(223~473 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pin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
2．1 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21μm；
    二极管B：台式结构，Si3N4／Si02复合介质膜钝化，结电容最小，击穿电压低，I层厚度为5μm；
    二极管C：平面结构，Si3N4／Si02复合介质膜钝化，结电容大，I层厚度为13μm；
    二极管D：台式结构，玻璃钝化，结电容最大，I层厚度为85μm。
    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。

2．2 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τ与pin二极管的结面积密切相关，且随着pn结面积的减少而减校