МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ МДП ВАРИКАП Российский патент 2015 года по МПК H01L29/92 

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при разработке варикапов на основе системы металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), предназначенных для управления частотой и фазой переменного сигнала в радиотехнических устройствах ВЧ и СВЧ диапазона.

Известен МДП-варикап, содержащий полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод, узел стока неосновных носителей с p-n-переходом [Lloyd W Hackley, Seminole, Fla, "Varactor tuning diode with inversion layer, Put. 4.903.086, Feb. 20, 1990, US]. Недостаток данной конструкции прибора состоит в наличии тока проводимости р-n-перехода, включенного в прямом направлении, при состоянии емкости прибора, соответствующей номинальному значению, что ограничивает возможность его использования в качестве емкостного ключа.

Наиболее близким к предлагаемой конструкции является МДП-варикап на основе системы металл-диэлектрик-полупроводник [Патент РФ №2486633, МПК H01L 29/92, опубл. 27.06.2013 г.]. Данный прибор содержит полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод и узел стока неосновных носителей с р-n-переходом. Область дырочной проводимости р-n-перехода узла стока неосновных носителей имеет глубину, равную толщине полупроводника, и выполнена в виде цилиндрического слоя, внутри которого расположена часть исходного полупроводника электронной проводимости, соединенная с управляющим электродом.

Недостаток известной конструкции прибора состоит в высоком значении собственной емкости элементов узла стока неосновных носителей, ограничивающей величину перекрытия по емкости.

Задачей предлагаемого технического решения является снижение собственной емкости элементов узла стока неосновных носителей заряда, что позволит увеличить отношение максимального значения емкости МДП-варикапа к его минимальному значению.

Поставленная задача достигается тем, что МДП-варикап содержит полупроводник электронного типа проводимости, диэлектрик, управляющий электрод и узел стока неосновных носителей с p-n-переходом, глубина залегания которого равна толщине полупроводника, линейные размеры р-n-перехода вдоль поверхности равны линейному размеру полупроводника. Узел стока неосновных носителей выполнен многоэлементным в виде набора чередующихся изолированных областей дырочных и электронных типов проводимости с глубиной залегания, равной толщине полупроводника, при этом одна из областей электронного типа проводимости соединена с управляющим электродом.

На Фиг. 1 и 2 представлена конструкция предлагаемого многоэлементного варикапа (в разрезе и вид сверху), на Фиг. 3 - его эквивалентная схема.

Прибор содержит полупроводник электронной проводимости 1, диэлектрик 2, управляющий электрод 3, контакт к полупроводнику 4. Узел стока неосновных носителей содержит области электронной проводимости 5 (5а, 5в, 5с) и области дырочной проводимости 6 (6а, 6в, 6с), глубина залегания которых равна толщине полупроводника, а также вспомогательный диэлектрик 7. Один из элементов узла стока - 5в соединен с управляющим электродом 3 (Фиг. 1). Линейные размеры элементов узла стока вдоль поверхности равны линейному размеру полупроводника (Фиг. 2).

На эквивалентной схеме: С₀ - удельная емкость диэлектрика, C_sc- емкость области пространственного заряда полупроводника, Rs-эквивалентное последовательное сопротивление прибора. Символом D₁ обозначен эквивалентный n-р-переход в цепи между электродами 3 и 4, представляющий собой систему из последовательно соединенных n-р-переходов. При этом одна из n областей этой цепочки контактирует с управляющим электродом 3. Соответственно D₂ - р-n-переход, эквивалентный системе последовательно соединенных р-n областей между электродами 3 и 4, n областью крайнего в этой цепочке диода является объем полупроводника 1. Элемент С₁ на схеме - это эквивалентная параллельная емкость диода D₁, символом С₂ обозначена эквивалентная параллельная емкость диода D₂.

Принцип действия предлагаемого прибора состоит в следующем.

При подаче на управляющий электрод 3 положительного напряжения в приповерхностной области полупроводника 1 реализуется режим обогащения основными носителями заряда и емкость прибора

C_H=C₀S,

где C_H - номинальное значение емкости прибора;

С₀ - удельная емкость диэлектрика 2;

S - площадь управляющего электрода 3.

В этом случае p-n-переход D₁ включен в обратном направлении, а р-n-переход D₂ - в прямом, и ток проводимости через прибор определяется обратным током диода D₁, что обеспечивает возможность использования прибора в качестве одного из состояний емкостного ключа за счет увеличения перекрытия по емкости.

При подаче на управляющий электрод отрицательного напряжения смещения диод D₁ включен в прямом направлении, а диод D₂ - в обратном. В этом случае неосновные носители заряда через узел стока удаляются из области пространственного заряда полупроводника. При полном обеднении полупроводника неосновными носителями реализуется второе стабильное состояние прибора, позволяющее использовать его в качестве емкостного ключа. Наличие в конструкции двух встречных p-n-переходов обеспечивает отсутствие шунтирующих токов проводимости во всех режимах работы варикапа.

Каждая из эквивалентных емкостей С₁ и С₂, параллельных диодам D₁ и D_2, представляет собой последовательную цепочку из емкостей отдельных диодов. Такая конструкция обеспечивает снижение собственной емкости узла стока обратно пропорционально числу областей дырочной проводимости элементов узла стока. В результате увеличивается перекрытие по емкости.

Вспомогательный диэлектрик 7 конструктивно расположен в области локализации узла стока неосновных носителей, обеспечивает изоляцию и устраняет влияния поверхностных токов утечки вдоль обратной поверхности полупроводника на параметры прибора.

Конструкция предлагаемого МДП-варикапа обеспечивает достижение более высоких значений основных технических характеристик прибора: предельной частоты и перекрытия по емкости, позволит снизить собственную емкость элементов узла стока неосновных носителей заряда и использовать его для управления частотой и фазой переменного сигнала в радиотехнических устройствах ВЧ и СВЧ диапазона.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при разработке варикапов, предназначенных для управления частотой и фазой переменного сигнала в радиотехнических устройствах ВЧ и СВЧ диапазона. МДП-варикап содержит полупроводник электронного типа проводимости, диэлектрик, управляющий электрод и узел стока неосновных носителей с р-n областью, имеющей глубину, равную толщине полупроводника. Узел стока выполнен многоэлементным в виде набора чередующихся областей электронной и дырочной проводимости, причем одна из областей узла стока соединена с управляющим электродом, а линейный размер элементов узла стока равен линейному размеру полупроводника. Предлагаемая конструкция обеспечивает снижение собственной емкости узла стока обратно пропорционально числу областей дырочной проводимости элементов узла стока, что приводит к увеличению перекрытия по емкости. 3 ил.

Многоэлементный МДП-варикап, содержащий полупроводник, диэлектрик, управляющий электрод и узел стока неосновных носителей с р-n областью, имеющей глубину, равную толщине полупроводника, отличающийся тем, что узел стока выполнен в виде набора чередующихся областей электронной и дырочной проводимости, причем одна из областей электронного типа проводимости узла стока соединена с управляющим электродом, а линейный размер элементов узла стока вдоль поверхности равен линейному размеру полупроводника.