НАНОЭЛЕКТРОННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ДИОД Российский патент 2011 года по МПК B81B1/00 H01L29/861 

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для выпрямления переменного тока и преобразования ВЧ-сигнала в постоянное напряжение в источниках питания радиоаппаратуры, радиоизмерительных приборах и системах.

Известны выпрямительные диоды (диоды с барьером Шоттки, биполярные диоды), используемые для преобразования ВЧ-сигнала в постоянное напряжение, имеющие экспоненциальную форму вольтамперной характеристики [1, 2].

Недостатком известных диодов является наличие порогового напряжения U_п (фиг.1, кривая 2) вольтамперной характеристики (ВАХ), что обуславливает необходимость превышения переменным напряжением минимального значения для выпрямления. Особенно этот недостаток проявляется при малых амплитудах выпрямляемого напряжения, близких к U_п.

Форма ВАХ идеального выпрямительного диода представлена на фиг.1 (кривая 1). Аналитически данную характеристику можно описать системой уравнений:

I(U)=0, при U≤0;

I(U)=SU, при U>0,

где U - напряжение на диоде, I - ток через диод, S - постоянный коэффициент, характеризующий проводимость диода в открытом состоянии.

Наиболее близким к данному техническому решению является наноэлектронный полупроводниковый смесительный диод [3], содержащий слоистую структуру и контактные области. Контактные области выполнены из легированного GaAs с концентрацией легирующей примеси Si 1×10¹⁸…1×10¹⁹ 1/см³. Слоистая структура состоит из спейсеров, выполненных из GaAs, и гетероструктуры между ними в составе трех чередующихся областей: потенциальных барьеров, выполненных из Al_yGa_1-yAs, где y - молярная доля Аl, и расположенной между ними потенциальной ямы, различающихся шириной запрещенной зоны и толщиной слоя. Слой потенциальной ямы выполнен из GaAs, толщина его составляет от 1,70 до 3,96 нм. Молярная доля Аl в барьерных слоях составляет от 0,4 до 1, толщина барьера составляет от 1,70 до 8,48 нм.

По мере возрастания приложенного напряжения к наружным слоям легированного GaAs ток, протекающий через слои, первоначально возрастает до своего пикового значения, затем убывает при отстройке от резонанса и далее возрастает из-за возникновения механизмов токопереноса, отличных от резонансного туннелирования.

Недостатком известного диода является симметричная относительно нуля форма начального участка ВАХ, которая не позволяет выпрямлять переменное напряжение.

Задачей изобретения является возможность выпрямления переменного напряжения малой амплитуды. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в увеличении выходного напряжения выпрямителя в 5…10 раз при амплитуде входного переменного напряжения U_ВХ≈0,2 В.

Решение задачи достигается за счет применения диодов с оптимизированной для выпрямления переменного тока ВАХ [4]. Форма такой характеристики представлена на фиг.1 (кривая 1). Благодаря отсутствию порогового напряжения возможно выпрямлять переменный ток при малых амплитудах входного напряжения, в том числе при U_ВХ<0,2 В. Линейность характеристики в области положительных напряжений обеспечивает значительное увеличение выходного напряжения выпрямителя на основе таких диодов по сравнению с выпрямителями на известных диодах при амплитуде входного переменного напряжения менее 0,2 В. Это показано для случая преобразования гармонического сигнала в нелинейной безынерционной цепи, например, в [5].

На фиг.2 представлена характеристика, а на фиг.3 - пример конструкции наноэлектронного полупроводникового выпрямительного диода, состоящего из двух контактных областей 1, выполненных из легированного GaAs, спейсеров 2, выполненных из GaAs, и гетероструктуры в составе трех чередующихся областей: потенциальных барьеров 3, выполненных из Al_yGa_1-yAs, где у - молярная доля Аl, и расположенной между ними потенциальной ямы 4. Концентрация Si в контактных областях составляет 1×10¹⁸…1×10¹⁹ 1/см³, толщина слоя ямы составляет 10,18 нм, толщина барьеров составляет 2,26 нм, молярная доля Аl в одном из барьеров составляет 0,5, а в другом - 1.

Для обеспечения линейности начального участка положительной ветви ВАХ слой ямы необходимо выполнить толщиной от 7,91 до 12,44 нм. Излом характеристики обеспечивается за счет разницы в высотах барьеров, то есть в молярных долях Аl, причем отношение их должно лежать в пределах 1,6…2,5.

Указанные параметры и химический состав слоев диода позволяют создать выпрямительный диод с формой ВАХ, приведенной на фиг.1 (кривая 1) [4]. При выходе параметров и химического состава слоев диода за границы указанных интервалов форма ВАХ будет отличаться от указанной, что приведет к невозможности получения заявленного технического результата. Например, уменьшение отношения молярной доли Аl в барьерах приведет к увеличению крутизны обратной ветви ВАХ, что в свою очередь вызовет снижение номинального выходного напряжения выпрямителя.

Источники информации

1. US 7,158,091 В2.

2. 6,140,924.

3. Патент РФ №2372691 «Наноэлектронный полупроводниковый смесительный диод».

4. Ю.А.Иванов, Н.В.Федоркова, В.А.Шалаев. Наноэлектроника в СВЧ нелинейных преобразователях для радиолокации. Тезисы доклада. «Радиооптические технологии в приборостроении». 1. Научно-техническая конф. Тез. докл. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. - С.15-19.

5. О.А.Стеценко. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник - М.: Высш. шк., 2007. - С.260-265.

Изобретение может быть использовано для выпрямления переменного тока в радиоаппаратуре, радиоизмерительных приборах и системах. В наноэлектронном полупроводниковом диоде, состоящем из двух контактных областей, выполненных из легированного GaAs с концентрацией Si 1×10¹⁸…1×10¹⁹ 1/см³, спейсеров, выполненных из GaAs, и гетероструктуры в составе трех чередующихся областей: потенциальных барьеров, выполненных из Al_yGa_1-yAs, где y - молярная доля Аl, толщиной от 1,70 до 8,48 нм с молярной долей Аl от 0,4 до 1 и расположенной между ними потенциальной ямы толщиной 7,91…12,44 нм, выполненной из GaAs, отношение молярных долей Аl слоев потенциальных барьеров лежит в пределах 1,6…2,5. Изобретение позволяет обеспечить создание выпрямительного диода с формой ВАХ, позволяющей увеличить выходное напряжение выпрямителя в 5…10 раз при амплитуде входного переменного напряжения U_ВХ≈0,2 В. 3 ил.

Наноэлектронный полупроводниковый диод, состоящий из двух контактных областей, выполненных из легированного GaAs с концентрацией Si 1·10¹⁸…1·10¹⁹ 1/см³, спейсеров, выполненных из GaAs, и гетероструктуры в составе трех чередующихся областей: потенциальных барьеров, выполненных из Al_yGa_1-yAs, где y - молярная доля Аl, толщиной от 1,70 до 8,48 нм с молярной долей Аl от 0,4 до 1 и расположенной между ними потенциальной ямы толщиной 7,91…12,44 нм, выполненной из GaAs, отличающийся тем, что отношение молярных долей Аl слоев потенциальных барьеров лежит в пределах 1,6…2,5.