ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОЙ ПЛАЗМЫ - "ПЕРИПЛАЗМ" Российский патент 2005 года по МПК H01L27/10 

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 R_i в "коротком" p-i-n диоде при W<2L_a уменьшается обратно пропорционально величине тока через диод в прямом направлении I_f согласно [4] по формуле:

где k - постояная Больцмана,

Т - абсолютная температура,

W - длина i-области,

q - заряд электрона,

L_a - длина амбиполярной диффузии.

Падение напряжения на диоде V_i 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,

μ_n, μ_р - 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 ω_п 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/qNeh^0.5.

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.

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.

1. Полупроводниковый прибор с периодической структурой электронно-дырочной плазмы, содержащий активные полупроводниковые элементы, или диоды, или биполярные транзисторы, или тиристоры, периодически расположенные на общей кремниевой подложке, отличающийся тем, что активные элементы содержат периодическую структуру электронно-дырочной плазмы, период собственных колебаний которой соответствует периоду расположения элементов.2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что элементом периодической структуры является p-i-n диод.3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что элементом периодической структуры является биполярный триод типа р-n-р или n-р-n с инжекцией электронов и дырок через базу в область слаболегированного коллектора.4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что элементом периодической структуры является тиристор типа р-n-р-n с инжекцией электронов и дырок в слабо легированные внутренние области тиристора.5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в кремниевой подложке вместе с полупроводниковыми элементами располагаются электроды резонатора.6. Прибор по п.1, отличающийся тем, что элементы периодической структуры расположены на кремниевой подложке по кольцу, образуя непрерывную колебательную систему.7. Прибор по п.6, отличающийся тем, что элементы периодической структуры, расположенные на кремниевой подложке, образуют замкнутое кольцо с латеральным расположением электронно-дырочной плазмы.8. Прибор по п.7, отличающийся тем, что элементы периодической структуры с кольцевой латеральной структурой электронно-дырочной плазмы на цилиндрической кремниевой подложке имеют удлиненную форму вдоль образующих линий цилиндра.