微波pin二极管电阻与温度的关系

　　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。