МДП-ВАРИКАП Российский патент 2012 года по МПК H01L29/92 

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при разработке МДП-варикапов, предназначенных для использования в устройствах ВЧ и СВЧ диапазона для управления частотой и фазой переменного сигнала.

Известен МДП-варикап, предназначенный для использования в качестве переключательного емкостного элемента с низким уровнем мощности управления в фазовращателях СВЧ диапазона. Он содержит полупроводник, рабочий диэлектрик, управляющий электрод и контакт к полупроводнику. (Bernie Siegal «The binary varactor - a new microwave device», Electronic Eguipment News, 1971, v. 12, №10, p.43-47).

Недостаток известной конструкции МДП-варикапа состоит в низкой стабильности состояния с минимальным значением емкости, обусловленной ограничением ширины области пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводнике зарядом неосновных носителей, термогенерированных на границе раздела диэлектрик-полупроводник, в ОПЗ полупроводника и в квазинейтральной области полупроводника.

Наиболее близким к предлагаемой конструкции является МДП-варикап, содержащий полупроводник, диэлектрик, управляющий электрод, узел стока неосновных носителей и контакт к полупроводнику (Lloyd W Hackley, Seminole, Fla, "Varactor tuning diode with inversion layer, Put. 4.903.086, Feb.20, 1990, US).

Недостаток данной конструкции МДП-варикапа состоит в зависимости минимального значения емкости прибора от температуры, так как это состояние импеданса прибора определяется лавинным пробоем обратно смещенного p-n-перехода узла стока, и в ограничении величины предельного допустимого управляющего напряжения токами обратно смещенного p-n-перехода узла стока.

Предлагаемая конструкция МДП-варикапа направлена на увеличение предельного допустимого управляющего напряжения и на повышение стабильности минимального значения емкости прибора.

В предлагаемой конструкции это достигается тем, что в МДП-варикапе, содержащем полупроводник, диэлектрик, управляющий электрод, узел стока неосновных носителей с p-n-переходом и контакт к полупроводнику, полупроводник имеет толщину меньше ширины области пространственного заряда, а под контактом к полупроводнику в области локализации элементов узла стока сформирован слой вспомогательного диэлектрика.

При выборе толщины полупроводника меньше ширины ОПЗ обеспечивается режим полного обеднения полупроводника неосновными носителями при отрицательном напряжении смещения.

На фиг.1 представлен вариант конструкции предлагаемого прибора, на фиг.2 - эквивалентная схема МДП-варикапа при отрицательном напряжении смещения без учета вклада элементов узла стока неосновных носителей, где C_SC - емкость полупроводника, R_S - последовательное эквивалентное сопротивление потерь.

Прибор (фиг.1) содержит полупроводник 1, диэлектрик 2, управляющий электрод 3, контакт 4 к полупроводнику, вспомогательный диэлектрик 5. Узел стока неосновных носителей содержит p-n-переход 6 и резистивный элемент 7, соединяющий p-n-переход 6 с управляющим электродом 3.

Принцип действия предлагаемого прибора рассмотрим для полупроводника электронной проводимости. При подаче на управляющий электрод 3 положительного напряжения смещения реализуется состояние емкости прибора, соответствующее его номинальному значению C_H=C₀·S, где C₀ - удельная емкость диэлектрика 2, S - площадь управляющего электрода 3. При этом необходимо выполнение условий:

где R_C - сопротивление резистивного элемента 7 узла стока, задаваемое конструктивно проводимостью материала резистивного элемента, его поперечным сечением, длиной и проводимостью σ;

ε - абсолютная диэлектрическая постоянная материала резистивного элемента,

f_p - рабочая частота.

Выполнение условий (1) и (2) обеспечивает возможность не учитывать вклад узла стока неосновных носителей в эквивалентную схему прибора.

При подаче на управляющий электрод прибора отрицательного смещения реализуется режим обеднения ОПЗ основными носителями и емкость прибора изменяется от С_Н до С_мин, где С_мин - минимальное значение емкости.

В этом режиме работы предлагаемого прибора необходимо обеспечить условие для формирования канала стока под резистивным элементом узла стока для неосновных носителей. Это условие выполняется, если обратное сопротивление R_P p-n-перехода во всем диапазоне управляющего напряжения на несколько порядков выше сопротивления резистивного элемента R_C. При выполнении соотношения R_P>>R_C узел стока неосновных носителей не вносит вклада в эквивалентную схему прибора, представленную на фиг.2. при отрицательном управляющем напряжении.

Высокое значение R_P в приборе предлагаемой конструкции достигается тем, что в конструкцию прибора введен слой вспомогательного диэлектрика 5, расположенного под контактом 4 в области локализации элементов узла стока. Введение в конструкцию этого элемента позволяет уменьшить напряженность электрического поля в области локализации р-n-перехода, что обеспечивает увеличение предельно допустимого управляющего напряжения и повышает стабильность минимального значения емкости. Увеличение предельно допустимого напряжения, прикладываемого к управляющему электроду прибора, позволяет повысить его надежность и расширить функциональные возможности за счет расширения диапазона рабочего управляющего напряжения.

В качестве материала для резистивного элемента 7 узла может быть использован поликристаллический кремний, аморфный кремний или тонкий высокоомный слой металла.

Эффективность предложения обеспечивается тем, что МДП-варикап предлагаемой конструкции может быть использован в качестве как настроечного, так и в качестве переключательного элемента в широком классе устройств ВЧ и СВЧ диапазона.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при разработке МДП-варикапов, предназначенных для устройств ВЧ и СВЧ диапазона для управления частотой и фазой переменного сигнала; направлено на увеличение предельного допустимого управляющего напряжения и на повышение стабильности минимального значения емкости прибора. Сущность изобретения: МДП-варикап содержит полупроводник, имеющий толщину меньше ширины области пространственного заряда, диэлектрик, управляющий электрод, узел стока неосновных носителей с p-n-переходом и контакт к полупроводнику. Под контактом к полупроводнику в области локализации элементов узла стока сформирован слой вспомогательного диэлектрика. Эффективность предложения обеспечивается тем, что МДП-варикап предлагаемой конструкции может быть использован в качестве как настроечного, так и в качестве переключательного элемента в широком классе устройств ВЧ и СВЧ диапазона. 2 ил.

МДП-варикап, содержащий полупроводник, диэлектрик, управляющий электрод, узел стока неосновных носителей с p-n-переходом и контакт к полупроводнику, отличающийся тем, что полупроводник имеет толщину меньше ширины области пространственного заряда, а под контактом к полупроводнику в области локализации элементов узла стока сформирован слой вспомогательного диэлектрика.