ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ НЕЛИНЕЙНЫЙ РЕЗИСТОР Российский патент 1997 года по МПК H01C7/00 

Изобретение относится к твердотельной полупроводниковой технике и может широко использоваться в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) любого назначения и характера в качестве элемента радиоэлектронных схем.

В силу особых нелинейных свойств предлагаемый резистор может широко применяться для построения на его основе тех многочисленных узлов и устройств РЭА, в которых производятся нелинейные преобразования сигналов - преобразователей и умножителей частоты, усилителей с широким динамическим диапазоном, в частности, логарифмических усилителей, аналоговых и дискретных аттенюаторов и др. Резистор практически безреактивен и поэтому может успешно использоваться в цепях сверхвысоких частот.

Прототипом предлагаемого полупроводникового нелинейного резистора, в особенности по структуре и технологии изготовления, является обычный арсенид-галлиевый резистор [1, 2, 3] сформированный на тонком эпитаксиальном или ионно-легированном слое, изолированном от остальной части полупроводника.

Особенностью прототипа, вытекающей из физических свойств его материала, является то, что его вольт-амперная характеристика линейна только в ограниченном диапазоне напряжений. При повышении приложенного напряжения до определенного критического значения после незначительной переходной области наступает насыщение тока с ростом напряжения ток практически на растет. Напряжение, при котором наступает насыщение тока, пропорционально длине резистора (измеряемой вдоль линий тока в активном слое в промежутке между краями омических контактов). Иначе говоря, насыщение наступает при определенной критической напряженности электрического поля в материале резистора.

По форме своей вольт-амперной характеристики резистор-прототип может использоваться в основном в линейных режимах и только для простейших нелинейных образований, например, для ограничения тока. Для осуществления более сложных функций, требующих нелинейных характеристик, как известно, применяются обычно достаточно сложные схемы, основанные на нелинейности характеристик диодов или транзисторов, а резисторы в этих схемах работают, как правило, в линейном режиме.

Предлагаемый полупроводниковый нелинейный резистор сформирован из полупроводника, обладающего свойством насыщения по току, например, из арсенида галлия, активной области которого придана непрямоугольная форма, при которой силовые линии тока имеют разную длину или не параллельны.

На фиг. 1 представлена структура заявляемого прибора полупроводникового нелинейного резистора. Здесь 1 полуизолирующая подложка полупроводника с высоким удельным сопротивлением, например, арсенид галлия; 2 эпитаксиальный или ионно-легированный активный слой полупроводника, например, арсенида галлия, имеющего свойство насыщения по току (именно в этом активном слое и сформирован заявляемый резистор); 3,4 омические контакты.

На фиг. 2 показана конфигурация предлагаемого нелинейного резистора. Здесь 5 область активного слоя, ограниченная прилегающими краями омических контактов и изолирующей полупроводниковой подложкой. Эта область и образует резистор. Форма этой области играет такую же существенную роль, как и материал резистора.

Предлагаемый прибор реализует свои свойства и особенности и решает свою техническую задачу только благодаря сочетанию двух упомянутых признаков: использования в резисторе материала, обладающего свойством насыщения по току, и придания резистору непрямоугольной формы. Ни один из этих признаков по отдельности технической задачи изобретения не решает. Как поясняется ниже, именно непрямоугольная форма резистора, при которой линии тока имеют разную длину или не параллельны, в сочетании с насыщением по току приводит к нелинейности вольт-амперной характеристики прибора.

При этом форма резистора (т.е. реализующей его активной области) может быть различной. По существу важно лишь то, чтобы линии тока имели разную длину и/или не были параллельны. Именно поэтому прямоугольная форма резистора исключена, так как при ней линии тока одинаковы по длине и параллельны. Физический смысл выбора формы резистора заключается в том, что ею обеспечивается разная напряженность электрического поля в различных частях резистора.

На фиг. 2 изображены несколько примеров возможных форм резистора, обеспечивающих нелинейность вольт-амперных характеристик; для наглядности на ней приведены только очертания активной области резистора (5) и омических контактов (3, 4), пунктиром показаны линии тока.

Форма резистора определяется формой краев омических контактов, их взаимным расположением и границей активного и изолирующего слоев полупроводника. Неравномерное по ширине резистора W распределение напряженности электрического поля можно получить не только разной длиной линий тока, как на большинстве рисунков фиг. 2, но и при одинаковой их длине, но и не параллельным их расположением (фиг. 2в), где вследствие расходимости линий тока напряженность поля в окрестностях контакта 4 выше, чем у контакта 3. Далее при объяснении работы предлагаемого резистора говорится только о сравнительной длине линий тока.

Предлагаемый полупроводниковый нелинейный резистор работает следующим образом. Поскольку длина линий тока l (x) (см. фиг. 2б) на разных участках ширины резистора W различна, то при любом напряжении на резисторе напряженность электрического поля на разных линиях тока вдоль ширины резистора различна.

Пока напряжение на резисторе не велико и напряженность электрического тока нигде не достигает критического значения, ни один из участков резистора не входит в режим насыщения и ток растет пропорционально напряжению, и поэтому начальный участок вольт-амперной характеристики всегда линеен. При дальнейшем увеличении напряжения участки резистора с наименьшим расстоянием между омическими контактами первыми достигнут критической напряженности поля и войдут в режим насыщения. При дальнейшем росте напряжения ток в насыщенных участках возрастать не будет и общее сопротивление резистора возрастет, что соответствует уменьшению крутизны вольт-амперной характеристики. По мере роста напряжения на резисторе область насыщения будет захватывать участки со все более длинными линиями тока. Таким образом, крутизна вольт-амперной характеристики непрерывно меняется на всем ее протяжении, пока область насыщения не распространяется на всю ширину резистора. Характер этого изменения определяется законом изменения длины линий тока (длины резистора) или так называемой "топологической функцией".

Математическое исследование этого процесса позволяет установить аналитическую связь между топологической функцией и функцией, описывающей вольт-амперную характеристику резистора.

В частности, для варианта, изображенного на фиг. 2а, с некоторым приближением имеем следующее соотношение:
,
где q заряд электрона,
n концентрация носителей заряда в активном слое,
μ подвижность носителей,
a толщина активного слоя,
W ширина резистора,
E критическая напряженность электрического поля,
X_н координата границы раздела между областью активного слоя, находящейся в насыщении, и областью, работающей в линейном режиме,
F(x) топологическая функция.

Путем выбора соответствующей топологической функции, т.е. формы резистора, можно обеспечить получение необходимой формы вольт-амперной характеристики прибора, в частности, широко распространенных в РЭА форм I cV^1/2 и I c lnV.

Реализуемость и полезность изобретения доказаны тем, что разработана, изготовлена и испытана монолитная арсенид-галлиевая интегральная схема смесителя, работа которого основана на нелинейности предложенного резистора, а не на нелинейных свойствах транзисторов и диодов, как в известных схемах. Смеситель работает в СВЧ диапазоне и показал высокие значения параметров, а также возможность изменения его спектральных характеристик путем изменения топологической функции. Опыт разработки и исследований показал, что предлагаемый полупроводниковый нелинейный резистор обладает следующими полезными свойствами:
1. Резистор позволяет получать разные виды вольт-амперной характеристики с разным характером кривизны, гладкой или ступенчатой формы.

2. Параметры резистора могут быть выбраны как для его серийного изготовления в качестве автономного комплектующего изделия, так и заданы в процессе проектирования для его использования в конкретной интегральной схеме, вместе с которой резистор и изготовляется.

3. Будучи простым двухполюсником, резистор в ряде случаев позволяет выполнять такие нелинейные преобразования сигналов, для которых без него нужна целая схема.

4. Резистор не содержит реактивностей, поэтому его быстродействие ограничено лишь скоростью диэлектрической релаксации.

Использование: изобретение относится к твердотельной полупроводниковой технике и может широко применяться в радиоэлектронной аппаратуре. Сущность изобретения: полупроводниковый нелинейный резистор представляет собой пассивный двухполюсник с нелинейной симметричной вольтамперной характеристикой, сформированный на полупроводнике, обладающем свойством насыщения по току, например, арсениде галлия, причем существенно, что активному слою, образующему резистор, придана непрямоугольная форма. Вид и параметры вольтамперной характеристики могут задаваться в широких пределах и проектироваться расчетным путем. Резистор изготовляется в виде самостоятельной детали или в составе монолитной интегральной схемы и может применяться как основной элемент схем, выполняющих нелинейные преобразования сигналов и напряжений - усилителей с широким динамическим диапазоном, преобразователей и умножителей частоты, аналоговых и дискретных аттенюаторов и др., в том числе в области СВЧ. 2 ил.

Полупроводниковый нелинейный резистор, изготовленный из материала, обладающего свойствами насыщения электрического тока и содержащий два омических контакта, отличающийся тем, что его активная область между омическими контактами имеет непрямоугольную форму, обеспечивающую различную длину линий тока и/или их непараллельность.