ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЙ ДИОД Российский патент 1997 года по МПК H01L29/861 

Описание патента на изобретение RU2083028C1

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к разработке приборов, предназначенных для управления мощностью или фазой сигналов в радиочастотных устройствах.

Из уровня техники известны полупроводниковые переключательные диоды с p-n-переходом [1]
Недостаток этих приборов невысокий уровень рабочей мощности, при которой нелинейные искажения не превышают допустимого предела.

Наиболее близким к изобретению является pin-диод с толстой базой [2] имеющий структуру типа p+-n-n+ или p+-p-n+ и содержит слаболегированную базу (i-слой) и два сильнолегированных слоя полупроводника, расположенных по обе стороны базы. Диод имеет два металлических вывода, соединенных с p+ и n+ слоями. Радиочастотный импеданс pin-диода резко снижается при подаче тока прямого смещения, что соответствует режиму "Включено". Режим "Выключено" обеспечивается подачей на диод постоянного обратного смещения.

Недостаток pin-диода существование предела понижения рабочей частоты, на которой диод сохраняет работоспособность в режиме "Выключено" при высоком уровне мощности и малом уровне нелинейных искажений.

С целью снижения мощности потерь и уровня нелинейных искажений в этом режиме при уменьшении частоты ниже 107-108 Гц оказывается необходимым увеличивать постоянное напряжение смещения U0, доводя его до амплитудного значения ВЧ-напряжения. Тем самым амплитуда ВЧ напряжения ограничена приблизительно половиной пробивного напряжения диода. Кроме того, требуется соответствующее повышение амплитуды управляющего напряжения.

Задача изобретения снижение предельной рабочей частоты переключательного диода для состояния "Выключено" и в уменьшении требуемого обратного смещения при сохранении малых нелинейных искажений и высокой коммутируемой рабочей мощности, а также малой амплитуды управляющего напряжения.

Задача решается тем, что в полупроводниковый переключательный диод, содержащий слаболегированную базу и сильнолегированные области с проводимостями p+ и n+ типов, введится дополнительная область с типом проводимости, совпадающим с типом проводимости базы, расположенная между слаболегированной базой и одной из сильнолегированных областей, имеющей противоположный тип проводимости, причем толщина дополнительной области в 50-500 раз меньше толщины базы, а концентрация легирующей примеси в дополнительной области в 102 104 раз превышает уровень примеси в базе.

На фиг. 1 схематически изображена предлагаемая полупроводниковая структура переключательного диода; на фиг. 2 профиль легирования диодной структуры при n-типе проводимости базы; на фиг. 3 эквивалентная электрическая схема структуры с учетом конструктивной емкости Ck, последовательного сопротивления потерь Rs и последовательной индуктивности выводов Ls, а также активных элементов структуры - сопротивлений Ri, Rj и емкостей Ci, Cj, отображающих параметры рабочих областей структуры; на фиг. 4 приведены типичные частотные характеристики, показывающие зависимость отношения напряжения смещения U0, требуемого для подавления процесса детектирования, к ВЧ -напряжению U, приложенному к трехслойной pin-диодной структуре (кривая 1), и того же отношения напряжений в предлагаемом диоде (кривая 2).

Полупроводниковая структура предлагаемого диода содержит четыре области, расположенных для примера ( фиг. 1) в последовательности p+-n-n--n+; возможна также последовательность слоев p+-p--p-n+. Области 1 и 2 являются сильнолегированными приконтактными слоями. Слой 3, имеющий наименьшую концентрацию примеси, является базовой областью диода, определяющей в основном его радиочастотный импеданс. Область 4 имеет тип проводимости, совпадающим с типом проводимости базы, меньшую толщину и более высокий уровень легирования, чем область базы. Толщины областей 1 4 обозначены соответственно W1 W4, а концентрации примеси в них N1 N4.

Диод, как ключевой элемент управляющего ВЧ- устройства, работает следующим образом.

В режиме "Включено" (при подаче, кроме ВЧ-сигнала, напряжения и тока прямого смещения) происходит двухсторонняя инжекция носителей заряда в базу. Наличие тонкого дополнительного слоя 4, играющего совместно с сильнолегированным слоем 1 роль инжектора дырок по отношению к базе 3, не препятствует снижению импеданса базы в результате заполнения ее квазинейтральной плазмой. Наличие области 4 практически не влияет на статическую вольт-амперную характеристику, ВЧ-импеданс и частотные свойства диода в режиме "Включено".

В режиме "Выключено" при отсутствии стороннего обратного смещения или при постоянном обратном смещении слаболегированная база 3 и обедненная области введенного слоя 4, имеющая толщину Wj, образуют импедансный делитель напряжения (фиг. 3), свойства которого зависят от частоты, от параметров слоев их толщины и концентрации легирующей примеси, а также от величины напряжения смещения. При Wj < W3 с учетом образования обедненной области в слое 4 имеем: Cj > Ci, где Cj емкость обедненной части области 4, а Ci емкость остальной (необедненной) части активной области структуры. С другой стороны, активное сопротивление обедненной области 4 значительно выше, чем сопротивление необедненного участка, т. е. Rj > Ri, поэтому на постоянном токе и на низких частотах отношение падения напряжения на обеденной области Uj к общему напряжению U на активной области структуры определяется отношением активных сопротивлений и близко к 1. При увеличении частоты сильнее сказывается соотношение емкостей, и отношение Uj/U соответственно снижается. Одновременно изменяется и отношение напряжения обратного смещения U0, требуемого для запирания диода с заданным малым уровнем нелинейных искажений, к общему напряжению U.

Область частот, в пределах которой происходит резкий спад отношения U0/U, для предлагаемого диода (кривая 2 на фиг. 4) сдвинута в сторону низких частот по сравнению с трехслойным pin-диодом, имеющим такую же толщину базы 3 и ту же концентрацию легирующей примеси (кривая 1). Это происходит благодаря тому, что при неизменном полном напряжении U напряжение Uj достигает порогового значения, соответствующего началу открывания диода, при частоте, сниженной в несколько раз по сравнению с трехслойным pin-диодом.

Выбор параметров слоев 1 3 производится из тех же соображения, что и для мощных переключательных pin-диодов. Уровни легирования N1 и N2 задаются обычно максимальными порядка 1019-1020 см-3. Толщины сильнолегированных слоев W1 и W2 не сказываются существенно на характеристиках диода и составляют обычно несколько микрометров. Толщина базы W3 определяет емкость диодной структуры в режиме "Выключено" и выбирается из требования заданной емкости на верхнем краю рабочего диапазона частот. Уровень ее легирования N3 задается минимальным (на уровне 1012 1013 см-3) для получения наименьших диссипативных потерь в режиме "Выключено".

Четвертая область, расположенная между слоями 1 и 3, имеет толщину W4, выбираемую из условия высокого отношения емкостей Cj/Ci для уменьшения падения напряжения из области 4, определяющего порог детектирования диода. Это отношение емкостей зависит от отношения толщин W3/W4 и ограничено: с одной стороны диффузионной длиной используемого полупроводникового материала в слое 3 (около 0,5 мм для чистого Si), а с другой технологическим пределом уменьшения толщины W4 при обеспечении резких перепадов профиля легирования (порядка 1 мкм). Уровень легирования N4 слоя 4 выбирается таким образом, чтобы обеспечить с минимальным запасом отсутствие прокола области 4 и предотвратить расширение обедненной области при максимальном падении напряжения U4, соответствующем выбранному обратному смещению и наибольшей рабочей мощности управляющего устройства. Это условие выполняется при концентрации примеси в слое 4 на уровне 1015 1015 см-3, при этом достигается существенное снижение необходимого напряжения обратного смещения и предельно низкой рабочей частоты (приблизительно на порядок). Дальнейшее повышение N4 приводит к неоправданному снижению пробивного напряжения диода. С учетом указанных обстоятельств в случае Si целесообразен выбор W3 400 500 мкм, W4 1 -10 мкм; N3 1012 1013 см-3; N4 1015 1016 см-3.

Таким образом, толщина дополнительной области должна быть в 40 500 раз меньше толщины базы, а концентрация легирующей примеси в дополнительной области должна в 102 104 раз превышать уровень примеси в базе.

Параметры, соответствующие рассматриваемому примеру реализации предлагаемого диода (фиг. 4), следующие.

Используемый материал Si; диаметр структуры 950 мкм; концентрация примеси в базе 1 • 1013 см-3; толщина базы 450 мкм; амплитуда напряжения на активной области структуры U=20B.

Параметры предлагаемого диода: W4 6 мкм; N4 1•1015 см-3; Cj 217 пФ; Ci 0,17 пФ; Ri 2740 Ом; Rj 105 Ом.

Параметры трехслойного pin-диода, используемые в расчете: Wj10, 9 мкм; Cj 6,9 пФ; Ci 0,17 пФ; Ri 2670 Ом; Rj 106 Ом.

Из проведенного расчета следует, что для предлагаемого переключательного диода достигается снижение предельно низкой рабочей частоты и уменьшение требуемого напряжения обратного смещения приблизительно на порядок.

Похожие патенты RU2083028C1

название год авторы номер документа
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЙ ДИОД 1992
  • Лебедев И.В.
  • Шнитников А.С.
RU2024997C1
СВЧ УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО 1993
  • Лебедев И.В.
  • Дроздовский Н.В.
  • Скоробогатов Д.В.
RU2097876C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА ГРУППОВЫМ МЕТОДОМ 2011
  • Филатов Михаил Юрьевич
  • Аверкин Сергей Николаевич
  • Колмакова Тамара Павловна
RU2452057C1
ФОТОДЕТЕКТОР 2003
  • Балашов А.Г.
  • Тихонов Р.Д.
RU2240631C1
ОГРАНИЧИТЕЛЬ СВЧ-МОЩНОСТИ 1994
  • Лебедев И.В.
  • Шнитников А.С.
  • Дроздовская Л.М.
  • Дроздовский Н.В.
RU2097877C1
Способ определения типа проводимости базового слоя меза-диода 1989
  • Алябина Наталья Алексеевна
  • Корнаухов Александр Васильевич
SU1712906A1
МОЩНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ 2014
  • Аветисян Грачик Хачатурович
  • Адонин Алексей Сергеевич
  • Колковский Юрий Владимирович
  • Миннебаев Вадим Минхатович
RU2574810C2
ОГРАНИЧИТЕЛЬ СВЧ-МОЩНОСТИ 1995
  • Лебедев И.В.
  • Борисова Н.А.
  • Митрофанова Н.В.
  • Поляков М.Ю.
RU2097878C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МДП-ТРАНЗИСТОРА НА СТРУКТУРЕ КРЕМНИЙ НА САПФИРЕ 2004
  • Адонин Алексей Сергеевич
RU2298856C2
МОЩНЫЙ ПСЕВДОМОРФНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ 2014
  • Аветисян Грачик Хачатурович
  • Адонин Алексей Сергеевич
  • Колковский Юрий Владимирович
  • Миннебаев Вадим Минхатович
RU2574808C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 083 028 C1

Реферат патента 1997 года ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЙ ДИОД

Использование: полупроводниковая техника, для снижения предельной рабочей частоты переключательного диода для состояния "Выключено" и уменьшения требуемого обратного смещения при сохранении малых нелинейных искажений и высокой коммутируемой рабочей мощности, а также малой амплитуды управляющего напряжения. Сущность изобретения: полупроводниковая структура содержит четыре области. Области 1 и 2 являются сильнолегированными приконтактными слоями. Слой 3, имеющий наименьшую концентрацию примеси, является базовой областью диода, определяющей (в основном) его радиочастотный импеданс. Область 4 имеет тип проводимости, совпадающий с типом проводимости базы, меньшую толщину и более высокий уровень легирования, чем область базы. В режиме "Включено" происходит двухсторонняя инжекция носителей заряда в базу. Наличие тонкого слоя 4 не препятствует снижению импеданса базы в результате заполнения ее квазинейтральной плазмой. В режиме "Выключено" при отсутствии стороннего обратного смещения база 3 и обеденная область 4, образуют импедансный делитель напряжения, свойства которого зависят от частоты, от параметров слоев и от величины напряжения смещения. 4 ил.

Формула изобретения RU 2 083 028 C1

Полупроводниковый переключательный диод, содержащий слаболегированную базу и сильнолегированные области с проводимостями р+- и n+-типов, отличающийся тем, что в него введена дополнительная область с типом проводимости, совпадающим с типом проводимости базы, расположенная между слаболегированной базой и одной из сильнолегированных областей, имеющей противоположный тип проводимости, причем толщина дополнительной области в 40 - 500 раз меньше толщины базы, а концентрация легирующей примеси в дополнительной области в 102 104 раз превышает уровень примеси в базе.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1997 года RU2083028C1

Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
Вайсблат А.В
Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах
- М.: Радио и связь
Устройство для видения на расстоянии 1915
  • Горин Е.Е.
SU1982A1
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Caulton M
et al
P - I - N diodes for lowfrequency high - power switching applications
// IEEE Trans o MTT
Устройство для видения на расстоянии 1915
  • Горин Е.Е.
SU1982A1
Способ обработки медных солей нафтеновых кислот 1923
  • Потоловский М.С.
SU30A1

RU 2 083 028 C1

Авторы

Лебедев И.В.

Шнитников А.С.

Дроздовская Л.М.

Дроздовский Н.В.

Даты

1997-06-27Публикация

1994-03-30Подача