P-i-n-ДИОД Советский патент 1996 года по МПК H01L29/08 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к переключающим приборам на твердом теле, и может быть использовано в измерительной, вычислительной технике и автоматике.

Известен р-i-n-диод, состоящий из сильно легированных р-области и n-области, разделенных слоем сравнительно чистого высокоомного материала. Электрический контакт подводится к двум сильно легированным областям. Для освобождения i-слоя от подвижных носителей к р-i-n-диоду прикладывается напряжение смещения, расширяющее обедненную область. При нулевом или обратном напряжении смещения такой диод обладает очень высоким импедансом на СВЧ, в то время как при небольших прямых токах импеданс очень низкий. Недостатком р-i-n-диода является сравнительно большая величина смещения, а также двухэлектродная структура, что ограничивает его функциональные возможности.

Из известных наиболее близким по технической сущности является р-i-n-диод, содержащий сильнолегированные р ⁺ и n⁺-области и омические контакты к ним, сформированные в приповерхностной области с одной стороны высокоомного кристалла полупроводника.

Недостатком такого р-i-n-диода также является сравнительно высокое напряжение смещения и его двухэлектродная структура, что ограничивает функциональные возможности прибора.

Целью настоящего изобретения является снижение величины напряжения смещения и расширения функциональных возможностей р-i-n-диода.

Поставленная цель достигается тем, что в р-i-n-диоде, содержащем сильнолегированные р⁺ и n⁺-области и омические контакты к ним, сформированные в приповерхностной области с одной стороны высокоомного кристалла полупроводника, дополнительно сформированы два изолированных полевых электрода, один из которых расположен между высоколегированными областями, а другой на противоположной стороне кристалла.

На чертеже изображен р-i-n-диод.

В кристалле полупроводника 1 с относительно высоким удельным сопротивлением созданы две сильнолегированные области 2и 3 р⁺-типа и n⁺-типа. На эти области нанесены металлические контакты 4. Поверхность кристалла кремния покрыта тонким слоем диэлектрика 5. Изолированные полевые электроды 6 и 7 выполнены в качестве металлических пленок SiO₂, нанесенных на слой диэлектрика 5.

Р-i-n-диод работает следующим образом.

В первый момент диод находится в состоянии "выключено". К нему приложено обратное напряжение смещения. Приповерхностный слой полупроводника полностью свободен от подвижных носителей заряда. При приложении прямого напряжения возникает инжекция носителей до момента достижения равновесной концентрации носителей в приповерхностном слое полупроводника. Таким образом, происходит переключение р-i-n-диода в состояние "включено". При приложении к полевым электродам диода, находящегося в состоянии "включено", напряжения соответствующей полярности (к верхнему полевому электроду 6 прикладывается "+", если в качестве кристалла полупроводника использован высокоомный кристалл полупроводника Si р-типа и "-", если использован кристалл полупроводника Si n-типа) то в результате эффекта сильного поля в приповерхностной области высокоомного кристалла полупроводника происходит перераспределение свободных носителей заряда к полевому электроду 7 и расширение обедненной области при отсутствии напряжения обратного смещения на р⁺ и n⁺-областях. Преимущество данного способа расширения обедненной области заключается в том, что обеспечивается высокое входное сопротивление в цепи полевых электродов и гальваническая развязка в ней. Уменьшение величины обратного напряжения смещения зависит от величины напряжения, прикладываемого к полевым электродам 6, 7 и материала кристалла полупроводника р-i-n-диода.

В сравнении с известным р-i-n-диодом в предлагаемом при приложении к полевым электродам напряжения с амплитудой от 0 до 100 В величина напряжения смещения уменьшается в 1,2-2 раза. Изменение отрицательного напряжения смещения, приложенного к полевым электродам 6 и 7, будет определяться также площадью электрода и толщиной диэлектрика. Чем больше площадь полевых электродов и меньше толщина диэлектрика при равных условиях, тем больше изменится величина обратного напряжения. Максимальная площадь полевых электродов ограничивается взаимным расположением р⁺ и n⁺-областей и омических контактов и равна l x d, где l расстояние между n⁺- и р⁺-областями;
d ширина области между р⁺ и n⁺-областями.

Минимальная толщина диэлектрика ограничивается условием электрического пробоя и для диодов рассматриваемого типа составляет 0,1 мкм. Полевые электроды отделены от кристалла полупроводника тонким слоем диэлектрика с целью обеспечения высокого сопротивления входа по полевым электродам и гальванической разрядки между полевыми электродами и кристаллом полупроводника. Если вместо описанных электродов использовать электроды в виде металлических пленок, нанесенных на свободную поверхность кристалла полупроводника и составляющие с ним барьер Шоттки, то уменьшится величина пробивного напряжения, прикладываемого к полевым электродам, т. е. уменьшатся пределы изменения отрицательного напряжения смещения и появится опасность гальванической связи между полевыми электродами и кристаллом полупроводника, что ухудшает эксплуатационные качества р-i-n-диода. Функциональные возможности прибора такой конструкции расширяются, так как из двухполюсника прибор преобразовался в четырехполюсник. Применение молибденовых полевых электродов в р-i-n-диоде дает возможность получить следующие преимущества по сравнению с известным:
высокое быстродействие;
снижение величины напряжения смещения, что позволяет снизить напряжение питания, потребляемую мощность;
малые размеры, что повышает плотность компоновки и выход годных приборов в процессе производства.

P-i-n-ДИОД, содержащий сильнолегированные p⁺ и n⁺-области и омические контакты к ним, сформированные в приповерхностной области с одной стороны высокоомного кристалла полупроводника, отличающийся тем, что, с целью снижения величины напряжения смещения и расширения функциональных возможностей, дополнительно сформированы два изолированных полевых электрода, один из которых расположен между высоколегированными областями, а другой на противоположной стороне кристалла.

P-i-n-ДИОД, содержащий сильнолегированные p⁺ и n⁺-области и омические контакты к ним, сформированные в приповерхностной области с одной стороны высокоомного кристалла полупроводника, отличающийся тем, что, с целью снижения величины напряжения смещения и расширения функциональных возможностей, дополнительно сформированы два изолированных полевых электрода, один из которых расположен между высоколегированными областями, а другой на противоположной стороне кристалла.