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碳化硅变容二极管

作者:海飞乐技术 时间:2018-03-26 11:59

  变容二极管是一种非线性响应器件,用于谐波的产生、参数扩增、混合、检测和可变电压的微调。现在变容二极管主要用于毫米和亚毫米波频率的产生及各种微波应用中的调制。通常,利用适度掺杂的肖特基或p+n二极管电压依赖电容的特性制作变容二极管。式(1)给出了众所周知的关系,即对于均匀掺杂耗尽区,肖特基二极管和非对称突变p+n结电容随电压V的变化关系为

计算公式1      (1)
式中,€0为真空介电常数;q为基本电荷;A为二极管面积;ND是耗尽区掺杂量;Фbi是结内建电势。变容二极管的品质因子(Q因子)可以定义为
计算公式2      (2)
式中,f1为工作频率;静态截止频率定义为二极管零偏时容抗(XC)等于串联电阻(RS)时对应的频率,即
计算公式3      (3)
  当变容二极管工作在特征频率时,Q因子必须至少为10才合适。fC的值表示变容二极管与工作频率无关的损失和效率。二极管的串联电阻来自于衬底、欧姆接触和外延层。设计的变容器应当忽略衬底和欧姆接触电阻。为了尽量减少外延层电阻,其厚度d应该等于外加最大反向电压时空间电荷区(wSRC)的宽度。考虑外延层串联电阻[d-wSRC(0)]/AqµeND,并且假设d》wSRC(0),式(3)中的fC可以改写为
计算公式4      (4)
式中,γ=Cmax/Cmin≈d/wSRC(0),是大多数变容二极管发挥最大应用的另一个参数。由于SIC载流子迁移率较低,从式(4)可以清楚地看出,如果不限制ND值,如应用在参数放大器中,那么SIC将是一种制造变容二极管不可替代的材料。
 
  然而,在调谐应用和谐波振荡器中,变容二极管必须按照偏置电压(V0)特殊设计。关于高压和高功率SIC变容二极管的理论已经得到Tager和Wright等人的验证。这种二极管的最大外加电压受击穿电压(VM=FMd/2)和应用频率的限制,即
计算公式5      (5)
  式(5)表明,对于给定的额定电压V0,SIC是制造变容二极管的一种非常适合的材料。表1比较了SIC与常规半导体材料的公式值。4H-SIC的值是GaAs的14倍,因此,对于工作在同样的电压下,氮化镓变容二极管比GaAs的工作频率高。
表1 大功率变容二极管不同参数的品质因数(相对于Si的归一化值)
大功率变容二极管不同参数的品质因数 
计算公式6~10 
式(7)和式(10)表明,考虑热学和电学极限情况,氮化镓是一种制造变容二极管的更好材料。
 
  然而实际中,由于材料性能的限制,氮化镓器件主要受相对较高的接触电阻和衬底电阻影响。唯一证明SIC变容二极管优越性的实验由Vassilevski和Zorenko报道。p+n结构变容二极管通过在n型6H-SIC Lely晶体的Si表面液相外延生长而成。二极管通过适当掺杂(ND-NA)约为4×1017cm-3,p+层厚度约为1.0µm和0.5µm,未补偿施主浓度为(NA-ND)约为2×1019cm-3。生长100µm的外延层,干法刻蚀出高2µm和直径60µm的台面结构,并在p层上蒸镀1.5µm厚的A1形成接触,晶片两面的n层形成铬接触,保持铜与Au-Ge合金焊接间的红宝石环隔离,金的交叉连接通过A1接触热压焊形成。
 
应用于SIC变容二极管的Si IMPATT振荡输出功率和频率随导通电压的变化 
图1 应用于SIC变容二极管的Si IMPATT振荡输出功率和频率随导通电压的变化
 
  已经成功制造了雪崩击穿电压为140V、零偏电容C(0)为2.5~3.0pF、γ(8)的二极管。用于调整压控Si IMPATT振荡器的振荡频率,使其工作在频率为140GHz的连续波模式。如图1所示,二极管可以得到约100MHz的频率调整,但相对高的电阻会引起很大的功率损耗。随着SIC材料生长和器件工艺的进步,4H-SIC外延结构已经实现商品化,并且在n型和p型已经开发出了RC约为10-5?cm2的低阻欧姆接触工艺,但尽管如此,微波应用的高功率氮化镓变容器并没有得到进一步的发展。




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