Область применения: полупроводниковая электронная техника, генерирование сверхвысокочастотных электрических колебаний с помощью активных элементов, с полупроводниковыми приборами в качестве активного элемента.
Аналогами прибора являются полупроводниковые приборы, описанные в патентах США и России. В патенте США 3479611 предложен прибор с последовательным включением диодов Гана в интегрированной структуре на арсениде галлия для усиления их действия [1]. В российском патенте 99128017 А предлагается генератор СВЧ, содержащий m (единиц) дискретных двухполюсных приборов с отрицательной проводимостью, установленных параллельно и периодически вдоль линии передачи стоячей волны СВЧ напряжения [2].
Наиболее близким аналогом является патент США 4706041, в котором рассматривается параллельное включение внутри волновода или полосковой линии по направлению распространения электромагнитных волн периодически расположенных в изолирующей подложке лавинопролетных диодов (ЛПД-IMPATT) на гетероструктурах арсенид галлия, алюминия для усиления и генерации микроволновых колебаний [3]. Взаимодействие элементов происходит через электромагнитные волны, распространяющиеся в волноводе или полосковой линии. По мере распространения вдоль тракта прохождения происходят усиление или генерация электромагнитных волн. Интегрированные системы полупроводниковых приборов, построенные на связанных диодах Гана и лавинопролетных диодах, обладают низкой надежностью. Определяется низкая надежность тем, что ЛПД и диоды Гана работают в режиме, близком к пробою, и при взаимном влиянии друг на друга на последний в цепочке диод приходится большая нагрузка, что приводит к его перегрузке и часто к выгоранию.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности полупроводниковых приборов, усиливающих и генерирующих сверхвысокочастотные электромагнитные волны, за счет работы на полупроводниковых приборах с инжектированной электронно-дырочной плазмой.
Суть изобретения состоит в создании структуры полупроводникового прибора, в которой собственные электромагнитные колебания возникают в электронно-дырочной плазме каждого из полупроводниковых элементов и усиливаются до уровня генерации электромагнитных волн достаточно высокого уровня мощности при взаимодействии с другими элементами структуры прибора, периодически расположенными в кремниевой подложке.
Образование электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых приборах, например в p-i-n диоде, происходит за счет двойной инжекции носителей тока в i-область из n-области - электронов, а из р-области - дырок. Сопротивление i-области Ri в "коротком" p-i-n диоде при W<2La уменьшается обратно пропорционально величине тока через диод в прямом направлении If согласно [4] по формуле:
где k - постояная Больцмана,
Т - абсолютная температура,
W - длина i-области,
q - заряд электрона,
La - длина амбиполярной диффузии.
Падение напряжения на диоде Vi является величиной постоянной 3kTW2/8qLa2, а инжекционные токи уменьшают сопротивление i-области.
Согласно теории [5] в коротких p-i-n диодах при высоком уровне инжекции можно пренебречь рекомбинацией в i-области и при этом в i-области образуется квазинейтральная электронно-дырочная плазма в результате двойной инжекции носителей тока соответственно из n-области - электронов и из р-области - дырок. Концентрация плазмы, т.е. количество электронно-дырочных пар Neh прямо зависит от величины постоянного тока If, протекающего через диод по формуле:
где S - площадь электродов диода,
μn, μр - подвижности носителей тока.
Математическое моделирование [6] показывает, что в p-i-n диоде происходит образование плазмы с концентрацией Neh от 1012 до 1018
см-3, в зависимости от приложенного напряжения.
Основное применение p-i-n диоды находят в коммутаторах СВЧ электромагнитных волн. Однако наличие плазмы с высокой концентрацией можно использовать для усиления и генерации СВЧ.
Постоянное электрическое поле, действующее перпендикулярно направлению протекания тока через плазму p-i-n диода, смещает носители тока разных знаков в противоположных направлениях и приводит к пространственному разделению носителей тока. При уменьшении величины электрического поля кулоновское взаимодействие зарядов разного знака стремится восстановить электронейтральность плазмы, что является действующим фактором для возникновения электромагнитных колебаний [7]. Переменное электрическое поле приводит к периодическому разделению и сближению носителей тока в плазме.
Внешнее переменное электрическое поле при модуляции плотности плазмы может ослабляться или усиливаться, а при определенном соотношении размеров элементов структуры и длины волны возникает генерация СВЧ колебаний [8]. При высокой плотности плазмы частота собственных электромагнитных колебаний электронной плазмы ωп определяется согласно формуле
где ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума,
ε - диэлектрическая постоянная кремния = 11,7,
m - масса электрона.
Предлагается структура полупроводникового прибора с периодическим расположением в кремниевой подложке полупроводниковых приборов, у которых при протекании тока за счет инжекции образуется электронно-дырочная плазма: диодов типа p-i-n, биполярных транзисторов со слаболегированным коллектором, тиристоров. Связь между элементами происходит как за счет электрических полей, действующих в пространстве между элементами внутри полупроводника перпендикулярно направлению протекания тока в элементах, так и за счет перераспределения носителей тока между элементами.
На Фиг.1-7 представлены различные примеры выполнения структуры “Периплазма”, а на графике Фиг.8 зависимость концентрации электронно-дырочной плазмы Neh от периода расположения элементов “Периплазма” L.
Фиг.1. Объемная структура “Периплазма” на p-i-n диодах, где 1 - катоды, 2 - анод, 3 - периодическая структура электронно-дырочной плазмы, 4 - электроды резонатора, 5 - кремниевая подложка.
Фиг.2. Планарная структура “Периплазма” на диодах, где 6 - катоды, 7 - аноды, 8 - периодическая структура электронно-дырочной плазмы, 9 - электроды резонатора, 10 - кремниевая подложка.
Фиг.3. Структура “Периплазма” на биполярных транзисторах, где 11 - эмиттеры, 12 - контакты к базе, 13 - контакт к области слаболегированного коллектора, 14 - периодическая структура электронно-дырочной плазмы, 15 - электроды резонатора, 16 - кремниевая подложка.
Фиг.4. Структура “Периплазма” на тиристорах, где 17 - катоды, 18 - управляющий электрод, 19 - аноды, 20 - периодическая структура электронно-дырочной плазмы, 21 - электроды резонатора, 22 - кремниевая подложка.
Фиг.5. Кольцевая структура “Периплазма” со скрытой плазмой, где 23 - эмиттеры, 24 - контакты к базе, 25 - контакт к области слаболегированного коллектора, 26 - периодическая структура электронно-дырочной плазмы, 27 - кремниевая подложка.
Фиг.6. Кольцевая структура “Периплазма” с латеральной структурой плазмы, где 28 - катоды, 29 - анод, 30 - периодическая структура электронно-дырочной плазмы, 31 - кремниевая подложка.
Фиг.7. Цилиндрическая структура “Периплазма” с латеральным расположением электродов, где 32 - катоды, 33 - анод, 34 - периодическая структура электронно-дырочной плазмы, 35 - цилиндрическая кремниевая подложка.
Фиг.8. График зависимости концентрации электронно-дырочной плазмы Neh от периода расположения элементов “Периплазма” L.
Диоды, как показано на Фиг.1, сформированы на слаболегированной кремниевой подложке p(i)-типа в виде периодически расположенных катодов (анодов) из областей сильнолегированного кремния и единой сильнолегированной области анода (катода). В подложке могут быть созданы также электроды резонатора. При включении диодов в прямом направлении в режиме p-i-n диода из катодов и анодов инжектируются электроны и дырки, которые образуют в i-области периодически расположенные области электронно-дырочной плазмы.
Области катодов и анодов в диодном “Периплазме” могут быть расположены планарно (Фиг.2), т.е. на одной поверхности подложки, что удобно для применения и при сборке.
Создав слой базы около планарных диодов на слаболегированной подложке противоположного типа проводимости и контакт к подложке получаем триодную структуру “Периплазма” (Фиг.3). Периодическая структура области электронно-дырочной плазмы образуется в слаболегированной области коллектора.
Если в транзисторной структуре периплазма контакты к подложке сделать другого типа проводимости по сравнению с типом проводимости подложки, то получится тиристорный “Периплазм” (Фиг.4).
Любой из указанных выше видов “Периплазма” может быть сформирован в виде кольца, в котором области плазмы располагаются в объеме кремния с замыканием последнего элемента на первый, как это показано на Фиг.5.
При использовании латеральных диодов, транзисторов и тиристоров строится латеральный кольцевой “Периплазм” (Фиг.6), в котором электронно-дырочная плазма располагается на поверхности кремниевой подложки.
Увеличенный объем “Периплазма” в цилиндрической структуре (Фиг.7) позволяет работать при больших значениях тока.
Каждый из примеров выполнения структуры “Периплазма” имеет свои преимущества и недостатки. Переход от диодной к более сложным структурам увеличивает трудоемкость изготовления. Планарные структуры удобнее в сборке. Транзисторная структура уменьшает влияние напряжения, задающего ток по цепи база - эмиттер на плазменное облако в коллекторной области. Тиристорная структура обеспечивает самую высокую плотность плазмы в межэлектродном пространстве резонатора. В кольцевой структуре не требуется резонатор, т.к. резонанс происходит на собственной частоте генерации плазмы и в соответствии с длиной шага между катодами единичных элементов периплазма, замкнутых в кольцо. В структуре с латеральной плазмой электромагнитные волны проходят вблизи поверхности, а не в скрытом под поверхностью слое, что облегчает их вывод. Цилиндрическая структура латерального “Периплазма” увеличивает площадь катодов и анодов и позволяет работать при больших рабочих мощностях.
Элементы “Периплазма” диоды, транзисторы или тиристоры располагаются в кремниевой подложке с периодом, например, 1 мм, а размер элемента в направлении расположения элементов составляет примерно половину длины периода. На элементы подается напряжение и в элементах возникает ток, который создает облачко электронно-дырочной плазмы или в i-области p-i-n диодов, или в слаболегированной области коллектора транзисторов, или во внутренних областях тиристора. Таким образом, создается структура с периодически расположенной плазмой и с промежутками из высокоомных областей кремния между облачками плазмы.
Функционирование “Периплазма” происходит следующим образом. В каждый элемент задается ток такой величины, чтобы создать концентрацию электронно-дырочной плазмы в приборе, имеющую собственную частоту колебаний, соответствующую периоду расположения элементов периплазма. Система элементов приводится в резонанс и возникающие электромагнитные волны, накапливаясь при наличии резонатора или усиливаясь при распространении по кольцу, обеспечивают генерацию электромагнитных волн.
В кремнии электромагнитные волны распространяются со скоростью V больше скорости света в вакууме с=3·108 м/сек в соответствии с коэффициентом преломления для кремния w= 3,44, поэтому длина волны электромагнитных колебаний λ, равная длине периода “Периплазма”, будет существовать при частоте ν=nc/λ.
Частота собственных колебаний электромагнитных волн плазмы в кремнии согласно формуле (3) соответствует частоте колебаний
λ=2πnс(mεε0)0.5/qNeh0.5.
Как следует из приведенных выше формул, для получения электромагнитных волн собственных колебаний плазмы в кремнии, соответствующих периоду расположения элементов “Периплазма”, необходимо создать концентрацию электронно-дырочной плазмы в соответствии со следующей формулой:
На графике Фиг.8 приведена полученная из формулы (5) зависимость периода расположения элементов в структуре “Периплазма”, который необходимо иметь для генерации электромагнитных волн за счет собственных колебаний электронно-дырочной плазмы в кремнии, от концентрации плазмы в элементах “Периплазма”.
Концентрация плазмы на графике выбрана в максимально теоретически возможных пределах от собственной концентрации носителей тока в кремнии при комнатной температуре 1017 м-3 до плотности расположения атомов в кристаллической решетке кремния 1028 м-3. В этих пределах изменения концентрации плазмы период расположения элементов “Периплазма” изменяется от 4,5 м до 140 мкм. Для полупроводниковой техники размеры существенно более 1 см трудно реализуемы. Концентрации 1028 м-3 соответствует плотность упаковки атомов в решетке кремния и близкая к полной ионизации всех атомов плотность плазмы, что также трудно реализуемо. При периоде структуры “Периплазма”, равном 1 мм, концентрацию плазмы в каждом элементе необходимо иметь Neh=1,95·1024 м-3, что вполне достижимо. Таким образом, “Периплазм” на собственных колебаниях электронно-дырочной плазмы в кремнии может обеспечить генерацию миллиметровых волн.
Преимущества предлагаемой конструкции полупроводникового прибора “Периплазма” определяются тем, что “Периплазм” работает на инжектированных носителях тока и в области, далекой от пробоя. Поэтому в “Периплазме” значительно, по сравнению с ЛПД, уменьшена возможность выгорания прибора и снижены шумы.
Создание кольцевых структур на кремниевых подложках в виде цилиндрических столбиков позволяет увеличить токи приборов и, соответственно, мощность, генерируемую “Периплазмом”. Предельное напряжение на кремнии с собственной концентрацией носителей тока 1017 м-3 составляет 30 кВ. В конструкции периплазма, имеющей протяженность в направлении оси цилиндра на Фиг.7 порядка сантиметров, прибор может работать на токах в десятки ампер, поэтому генерируемая мощность, по крайней мере, в импульсе может существенно превышать киловатт в миллиметровом диапазоне СВЧ волн.
Источники информации
1. Sandbank C.P. et al. / Series operated burn effect devices // Патент США 3479611; кл.331-52, 1967.
2. Волощенко П.Ю., Волощенко Ю.П. / Генератор СВЧ // Патент Российской Федерации 99128017 А, МПК Н 03 В 7/14.
3. Burhan Bayraktaroglu / Periodic negative resistance microwave structures and amplifier and oscillator ambodiments threreof // Патент США 4706041; кл. 331-52, 1987, Междунар. Класс Н 01 Р 3/08, Н 01 Р 7/08, Н 03 В 7/14, H 03 F 3/60 - прототип.
4. Зи С. / Физика полупроводниковых приборов // М.: Мир, 1984.
5. Ламперт М., Марк П. / Инжекционные токи в твердых телах // М.: Мир, 1973.
6. И.Н.Горбатый / Многопериодное накопление носителей заряда в p-i-n-структуре, подключенной к источнику высокочастотного напряжения // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г., №3, С.22-28.
7. Лебедев И.В. / Техника и приборы СВЧ // М., Высшая школа, 1972 г., С.345.
8. Бернашевский Г.А., Богданов Е.В., Кислов В.Я., Чернов З.С. / Плазменные и электронные усилители и генераторы СВЧ // М.: Советское радио, 96 с., 1965.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ФОТОДЕТЕКТОР | 2003 |
|
RU2240631C1 |
ТИРИСТОРНЫЙ ТРИОД-ТИРОД | 2005 |
|
RU2306632C1 |
ПЛАНАРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2015 |
|
RU2599274C1 |
ФОТОПРИЕМНАЯ МАТРИЦА ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ БАРЬЕРОВ ШОТТКИ С ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ В СУБМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН | 2006 |
|
RU2304826C1 |
СЕНСОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ БЕСТИГЕЛЬНОЙ ЗОННОЙ ПЛАВКИ Р-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ | 2016 |
|
RU2634324C1 |
ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД В РЕЖИМЕ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА | 2007 |
|
RU2416840C2 |
СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ГРАНИЧНОЙ ВОЛНЫ ИК-ДЕТЕКТОРА С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ, ИК-ДЕТЕКТОР И ФОТОПРИЕМНАЯ МАТРИЦА, ЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ К ИК-ИЗЛУЧЕНИЮ | 2006 |
|
RU2335823C2 |
Преобразователь ионизирующих излучений с сетчатой объемной структурой и способ его изготовления | 2017 |
|
RU2659618C1 |
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ К МАГНИТНОМУ ПОЛЮ | 2003 |
|
RU2239916C1 |
КВАНТОВО-РАДИОИЗОТОПНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОДВИЖНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА И ФОТОНОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ ПОЛУПРОВОДНИКА | 2015 |
|
RU2654829C2 |
Использование: полупроводниковая электронная техника. Сущность изобретения: в полупроводниковом приборе с периодическим расположением в кремниевой подложке элементов с инжекционной электронно-дырочной плазмой элементы связаны между собой электрическими полями и носителями тока. В структуре полупроводникового прибора активные элементы содержат периодическую структуру электронно-дырочной плазмы, период собственных колебаний которой соответствует периоду расположения элементов. Техническим результатом изобретения является повышение надежности полупроводниковых приборов, усиливающих и генерирующих сверхвысокочастотные электромагнитные волны, за счет работы на полупроводниковых приборах с инжектированной электронно-дырочной плазмой. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.
US 4706041 А, 10.11.1987 | |||
US 4189688 А, 19.02.1980 | |||
RU 99128017 А, 27.10.2001 | |||
Генератор | 1988 |
|
SU1631694A1 |
Авторы
Даты
2005-01-27—Публикация
2002-10-04—Подача