ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЙ ДИОД Российский патент 1994 года по МПК H01L29/86 

Изобретение относится к твердотельным приборам СВЧ и КВЧ диапазонов и, в частности, к разработке приборов, предназначенных для защиты входных цепей чувствительных радиоэлектронных приемных устройств, например, РЛС.

Из уровня техники известны полупроводниковые варакторные диоды, выполняющие функции ограничения мощности за счет нелинейности их характеристик (1). Недостаток варакторных диодов - малая величина мощности, поступающей на вход защитного устройства, при которой варакторный диод не подвергается опасности разрушения.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ограничительный pin - диод (2), содержащий полупроводниковую базу с собственной проводимостью (i - слой). С противоположных краев базы расположены две сильнолегированные области с проводимостями p⁺ и n⁺ типов. Диод включается параллельно в линию передачи между источником СВЧ сигнала и защищаемым приемником. При большой амплитуде СВЧ напряжения и малой толщине базы диод обладает свойством самоуправления, т.е. уменьшения импеданса полупроводниковой структуры в отсутствие стороннего тока прямого смещения. Благодаря этому достигается эффект пассивного ограничения мощности за счет отражения СВЧ сигнала и частичного поглощения в полупроводниковой структуре диода.

Применение ограничительных pin - диодов в коротковолновой части СВЧ диапазона ограничено трудностью получения эффекта самоуправления и высокого ослабления мощного СВЧ сигнала на частотах выше 15...20 ГГц. Это объясняется тем, что толщина i-слоя W, необходимая для самоуправления, связана с рабочей частотой условием:
W < K₁/f, (1) где, К₁ - константа, которая для кремниевых диодов составляет около 40 при толщине W, выраженной в микрометрах, и частоте f, выраженной в гигагерцах. Невыполнение условия (1) приводит к уменьшению развязки, создаваемой ограничительным диодом, и к росту просачивающейся мощности.

При малой толщине i-области площадь перехода S также должна быть очень невелика для обеспечения малой емкости pin структуры Cpin во избежание роста вносимых потерь в режиме низкого уровня СВЧ мощности. С повышением частоты эту емкость необходимо уменьшать, чтобы сохранить неизменным и достаточно высоким отношение импеданса pin-диода при нулевом смещении и характеристического сопротивления линии передачи, в которую включен диод. Величина C_pin должна с этой точки зрения удовлетворять соотношению:
C_pin < K₂/f, (2) где К₂ - константа, которая при реально используемых значениях характеристического сопротивления лежит в пределах K₂ ≈ 1 ... 3. Частота f в (2) выражена в гигагерцах, емкость C_pin - в пикофарадах.

Из соотношений (1), (2) следует, что с повышением частоты площадь S структуры ограничительного pin - диода необходимо изменять обратно пропорционально квадрату частоты:
S < K₃/f, (3) где, К₃ - константа, которая в случае кремния может лежать в пределах К₃ ≈ 0,4 ... 1,2 при S, выраженной в квадратных миллиметрах, и частоте в гигагерцах. Уменьшение площади перехода приводит к снижению допустимой рассеиваемой мощности и предельной мощности падающего СВЧ сигнала.

Для получения достаточно высокой развязки в режиме самоуправления при высоком уровне СВЧ мощности (более 10 дБ) константа К в уравнении (1) должна быть уменьшена до 10 ... 20. Это приводит к снижению константы К₃ в уравнении (3) до К₃ ≈ 0,1 ... 0,3.

Указанные условия не позволяют достичь приемлемого сочетания параметров органичительных диодов и самоуправляемых защитных устройств на их основе, в первую очередь большой входной мощности и малой просачивающейся мощности, а также малых вносимых потерь в режиме низкого уровня мощности, начиная с коротковолнового участка сантиметрового диапазона длин волн, что является существенным недостатком диодов с pin - структурой.

Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в повышении рабочей частоты ограничительного диода при сохранении других его параметров. Эта задача решается тем, что в структуру ограничительного диода, содержащую слаболегированную базу и две сильнолегированные области с проводимостями p⁺ и n⁺ типов, введены два последовательно расположенных слоя полупроводника с типом проводимости, совпадающим с типом проводимости базы, размещенные между базой и одной из сильнолегированных областей с типом проводимости, противоположным типу проводимости базы, дополнительная сильнолегированная область с типом проводимости, совпадающим с типом проводимости базы, смежная с областью базы, металлический проводник, соединяющий введенную область с сильнолегированной областью, имеющей противоположный тип проводимости и изолирующий слой, расположенный между металлическим проводником с одной стороны, и базой и введенными слоями полупроводника с типом проводимости, совпадающим с типом проводимости базы, с другой стороны. Концентрация легирующей примеси в первом из указанных слоев, примыкающем к сильнолегированной области с противоположным типом проводимости, взята одного порядка с концентрацией примеси, имеющейся в базе. Концентрация примеси во втором из указанных слоев, примыкающем к базе, превышает концентрацию примеси в базе и увеличивается пропорционально квадрату рабочей частоты. Толщина первого введенного слоя W задается из условия W ≈ 10/f, где f - рабочая частота в гигагерцах, W - в микрометрах; толщина второго введенного слоя меньше толщины первого слоя.

На фиг. 1 представлен пример технической реализации предложенного ограничительного диода для случая поверхностно-ориентированной структуры при донорном (n^-) типе проводимости базы (приведен вид сверху, а на фиг. 2 - разрез структуры. На фиг. 3 показан профиль легирующих примесей вдоль оси х. На фиг. 4 дана эквивалентная схема предлагаемого ограничительного диода с указанием токов и напряжений, служащая для пояснения его свойств.

Структура ограничительного диода содержит базу 1 с концентрацией примеси порядка 10¹³ см^-3 и две сильнолегированные области 2, 3, n⁺ и p⁺ типов с концентрациями донорной и акцепторной примесей порядка 10¹⁹ ... 10²⁰ см³, расположенные на поверхности полупроводникового кристалла. Под одной из сильнолегированных областей, имеющей проводимость p типа, выполнены два слоя 4,5 с проводимостями n типа и n⁺ типа. Протяженность области 4 в направлении протекания тока W₄ [мкм] связана с рабочей частотой f (ГГЦ) соотношением W₄ ≈ 10/f. Толщина слоя 5 меньше толщины слоя 4 в 3-10 раз. Расстояние W между сильнолегированной областью 2 и слоем 5 превышает в 3-10 раз толщину слоя 4. Концентрация примеси N₅ пропорциональна квадрату рабочей частоты. Введенная сильнолегированная область 6 расположена на той же поверхности кристалла на расстоянии W₆ от слоя 5, близком к W₁ и имеет толщину и концентрацию примеси, близкие к соответствующим значениям для сильнолегированной области 2. Между металлическим проводником 7 и поверхностью кристалла над областями 1, 4, 5 имеется изолирующий слой 8.

При низком уровне СВЧ мощности диод находится в высокоимпедансном состоянии. Цепочка емкостей С₁, C_j, C₂ и сопротивлений R₁, R_j, R₂ образует делитель СВЧ напряжения U, приложенного к активной части полупроводниковой структуры в сечении аб. С ростом входной мощности первоначально импеданс всего делителя в сечении аб сохраняется весьма высоким (линейный режим). При достижении напряжением Uj порогового значения (порядка 0,6 ... 0,8 В) начинается процесс детектирования участком, содержащим слои 3, 4 и 5 (фиг. 1, 2). Протекание постоянного тока I_о через базу (i - слой) приводит к заполнению ее электронно-дырочной плазмой и к снижению сопротивлений R₁ и R₂. Прохождение тока Iо через сопротивление R_j приводит также к снижению этого сопротивления. Общий импеданс диода Z_d (c учетом неизменных R_s, L_s и C_k) резко снижается. Протекающий через диод СВЧ ток возрастает и в пределе стремится к удвоенному значению тока падающей волны в линии передачи, где включен ограничительный диод. Тем самым, достигается полезный эффект - повышение рабочей частоты ограничительного диода с сохранением других его параметров.

Следует отметить, что снижение импеданса R_j детектирующего участка, образованного слоями 3, 4, 5 является менее эффективным, чем в случае протекания через трехслойную pin структуру внешнего постоянного тока смещения (как фактически имеет место для участка предложенной структуры, образованного областями 2, 1, 5). Значительная величина СВЧ импеданса детектирующего участка обусловлена рассасыванием накопленного заряда в течение полупериода обратного напряжения, что является необходимым для детектирующего действия этого участка. Для устранения указанного недостатка и сохранения высокой развязки, вносимой диодом в режиме высокого уровня мощности, служат введенная дополнительная сильнолегированная область 6, металлический проводник 7, соединяющий введенную область с сильнолегированной областью 3, и изолирующий слой, отделяющий металлический проводник от областей 4 и 5. При приблизительной идентичности сильнолегированных областей 2, 6 и их симметрии относительно сильнолегированной области 3 токи, поступающие в области 2 и 6, одинаковы и равны I_o/2. Участок между введенной сильнолегированной областью 6 и слоем 5, заполненный плазмой, оказывается включенным параллельно детектирующему участку и имеет более низкий импеданс, чем детектирующий участок. Металлический проводник 7, соединяющий высоколегированные области 3 и 6, обеспечивает шунтирование импеданса, образованного элементами R_j и C_j, импедансом, образованным элементами R₂ и С₂. Благодаря этому, заявляемый положительный эффект достигается без ухудшения важного параметра ограничительного диода - максимальной развязки в режиме высокого уровня мощности.

Введение сильнолегированной области 6, соединенной металлическим проводником 7 с сильнолегированной областью 3, позволяет получить дополнительный полезный эффект - понижение порога ограничения и величины максимальной просачивающейся мощности за счет уменьшения отношения рабочей площади S₃ сильнолегированной области 3 к рабочим площадям S₂ и S₆ сильнолегированных областей 2 и 6. Величина шунтирующего импеданса, образованного элементами R₂, С₂ в режиме высокого уровня мощности мала, что обеспечивает разгрузку детектирующего участка по рассеиваемой мощности и позволяет уменьшить его эффективную площадь. Это дает возможность достичь отношения C_j/C₁, близкого к единице, без снижения предельно допустимой входной мощности.

Пример параметров кремниевого ограничительного диода в 8-мм диапазоне длин волн в соответствии с настоящим изобретением: W₁ = 1 ... 2 мкм; W₄ = 0,1 . .. 0,2 мкм; W₅ = 0,03 мкм; W₆ = 1 ... 2 мкм; N₁ ≈ 10¹³ cм^-3; N₂ ≈ N₃ ≈N₆≈ 10¹⁹ ... 10²⁰ см^-3; N₄≈ 2 х x10¹³ см^-3; N₅ ≈ 1,5 х 10¹⁸ см^-3; С₁ ≈ С ₂≈ ≈C_j ≈ 0,04 пФ: S₂ S₆ 1,2 x 10^-3 мм²; S₃ ≈ 0,2x x 10^-3 мм²_.
Предложенный ограничительный диод может быть осуществлен также для рабочих частот ниже 10 ... 30 ГГц с выигрышем по величине допустимой входной мощности в сравнении с существующими серийно выпускаемыми ограничительными диодами.

Использование: изобретение относится к твердотельным приборам СВЧ- и КВЧ-диапазонов, в частности к разработке приборов, предназначенных для защиты входных цепей чувствительных радиоэлектронных приемных устройств. Сущность изобретения: устройство содержит слаболегированную область первого типа проводимости, в которой расположены две сильнолегированных области первого типа проводимости и одна сильнолегированная область второго типа проводимости. Сильнолегированная область второго типа проводимости отделена от слаболегированной области сильнолегированым и легированным слоями первого типа проводимости. Сильнолегированная область второго типа проводимости соединена с одной из сильнолегированных областей первого типа проводимости металлическим проводником, отделенном от слаболегированной области слоем диэлектрики. 4 ил.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЙ ДИОД, содержащий слаболегированную область первого типа проводимости и расположенные в ней две сильнолегированные области первого и второго типов проводимости и омические контакты к сильнолегированным областям, отличающийся тем, что он дополнительно содержит расположенную в слаболегированной области сильнолегированную область первого типа проводимости, последовательно расположенные сильнолегированный и легированный слои первого типа проводимости, отделяющие слаболегированную область от сильнолегированной области второго типа проводимости, и металлический проводник, соединяющий дополнительно введенную сильнолегированную область и сильнолегированную область второго типа проводимости, причем проводник отделен от слаболегированной области слоем диэлектрика.