Полупроводниковый ограничительный диод

 

Изобретение относится к твердотельным приборам СВЧ и КВЧ диапазонов, предназначенным для защиты входных цепей чувствительных радиоэлектронных приемных устройств. Сущность изобретения: диод имеет структуру, содержащую слабопегированную базу, сильнолегированные области р+ип+ проводимости, а также два слоя с типом проводимости базы, расположенных между базой и сильнолегированным слоем противоположного типа проводимости. Концентрация легирующей примеси в слое, примыкающем к сильнолегированной области , одного порядка с концентрацией примеси в базе , а в слое, примыкающем к базе, превышает концентрацию в базе Толщина первого слоя, примыкающего к сильнолегированной области, меньше толщины базы, э толщина второго введенного слоя меньше толщины первого слоя 3 ил

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знаКам (21) 5031264/25 (22) 09.03.92 (46) 1511.93 Бюл. Йя 41 — 42 (71) Московский энергетический институт (72) Лебедев И.8„Шнитников АС. (73) Московский энергетический институт (54) ПОЛУЙРОВОДНИКОВЫЙ ОГРАИИЧИтВъиый ДИОД (57) Изобретение относится к твердотельным приборам СВЧ и КВЧ диапазонов, предназначенным для защиты входных цепей чувствительных радиоэлектронных приемных устройств. Сущность изобретения: диод имеет структуру, содержащую сла(39) RU (И} 2003208 С1 (51) 5 НО1 L29 06 бопегированную базу, сильнолегированные области

+ + р ип проводимости, а также два слоя с типом проводимости базы, расположенных между базой и сильнолегированным слоем противоположного типа проводимости. Концентрация легирующей примеси в слое, примыкающем к сильнопегированной области, одного порядка с концентрацией примеси в ба3е, а в слое, примыкающем к базе, превышает концентрацию в базе. Толщина первого слоя, примыкающего к сильнолегированной области, меньше толщины базь„э толщина второго введенного слоя меньше толщины первого слоя. 3 ил.

2003208

Изобретение относится к твердотельным приборам СВЧ и КВЧ диапазонов и, в частности к разработке приборов, предназначенных для защиты входных цепей чувствительных радиоэлектронных приемных устройств, например РЛС, Из уровня техники известны полупроводниковые варакторные диоды, выполняющие функции ограничения мощности за счет нелинейности их характеристик. Недоста- 10 ток варакторных диодов — малая величина мощности, поступающей на вход защитного устройства, при которой варакторный диод не подвергается опасности разрушения.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ограничительный pin-диод, содержащий полупроводниковую базу с собственной проводимостью (i-слой), C противоположных краев базы расположены две 20 сильнолегированные области с проводимостями р и и типов. Диод включается параллельно в линию передачи между источником СВЧ излучения и защищаемым приемником. При большой амплитуде СВЧ напряжения и малой толщине базы диод обладает свойством самоуправления, т.е, уменьшения импеданса полупроводниковой структуры в отсутствие стороннего тока прямого смещения. Благодаря этому дости- 30 гается эффект пассивного ограничения мощности за счет отражения СВЧ сигнала и частичного поглощения в полупроводниковой структуре диода.

Существенным недостатком ограничи- 35 тельного pin-диода является трудность получения эффекта самоуправления и высокого ослабления мощного СВЧ-сигнала на частотах выше 15-20 ГГц, Это обьясняется тем, что толщина i-слоя W, необходимая для са- 40 моуправления. связана с рабочей частотой условием

W « —, (1) где K> — константа, которая для кремниевых диодов составляет около 40 при толщине NI, выраженной в микрометрах, и частоте f, выраженной в гигагерцах. Невыполнение условия (1) приводит к уменьшению развязки. создаваемой ограничительным диодом, и к 50 росту просачивающейся мощности.

При малой толщине i-области площадь перехода S также должна быть очень невелика для обеспечения малой емкости pinструктуры Cpln во избежание роста вносимых потерь в режиме низкого уровня

СВЧ мощности, С повышением частоты эту емкость необходимо уменьшать. чтобы сохранить неизменным и достаточно высоким отношение импеданса pin-диода при нулеВоМ смещении и характеристического сопротивления линии передачи, в которую включен диод. Величина Cp)p должна с этой точки зрения удовлетворять соотношению

Cpin

Кг

f (2) где K2 — константа, которая при реально используемых значениях характеристического сопротивления лежит в пределах

Кг =1-3, Частота f в (2) выражена в гигагерцах, емкость Ср л — в пикофарадах.

Из соотношений (1), (23 следует, что с повышением частоты площадь S структуры ограничительного pin-диода необходимо изменять обратно пропорционально квадрату частоты ((3)

f где Кз — константа, которая в случае кремния может лежать в пределах Кз =0,4 — 1,2 при S, выраженной в квадратных миллиметрах, и частоте в гигагерцах. Уменьшение площади перехода приводит к снижению допустимой рассеиваемой мощности и предельной мощности падающего СВЧ-сигнала.

Опыт показывает, что для получения достаточно высокой развязки в режиме самоуправления при высоком уровне СВЧ мощности (более i0 дБ) константа K> e уравнении (1) должна быть уменьшена до 10...20, Это приводит к снижению константы Кз в уравнении (3) до Кз =0,1-0,3.

Указанные условия не позволяют достичь приемлемого сочетания параметров ограничительных диодов и защитных устройств на их основе, в первую очередь большой входной мощности и малой просачивающейся мощности, а также малых вносимых потерь в режиме низкого уровня мощности, начиная с коротковолнового участка сантиметрового диапазона длин волн.

Существует своеобразный "частотный барьер"; на частотах, превышающих этот барьер, защитные ограничители приходится строить на основе перекл ючательных р п-диодов с внешним управлением, синхронизированным с работой передатчика РЛС, или по квазиактивному принципу с использованием "подпиточнык" схем.

Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в повышении рабочей частоты ограничительного диода при сохранении других его параметров и характеристик. Эта задача решается тем, что в структуру ограничительного диода, содержащую слаболегированную базу и две сильноле ированнь е области с проводимостями

Ф р и л типов. введены два последовательно

2003208 расположенных слоя полупроводника с типом проводимости, совпадающим с типом проводимости базы, размещенные между базой и одной из сил ьналегированных областей, имеющей тип проводимости, противоположный типу проводимости базы.

Концентрация легирующей примеси в первом из указанных слоев, примыкающем к сильнолегированной области с противоположным типом провбдимости, взята одного порядка с концентрацией примеси, имеющейся в базе. Концентрация примеси во втором из указанных слоев, примыкающем к базе, превышает концентрацию примеси в базе и увеличивается пропорционально квадрату рабочей частоты. Толщина первого введенного слоя W задается из условия

И/ =10/f, где f — рабочая частота в гигагерцах, W — в микрометрах; толщина второго введенного слоя меньше толщины первого слоя.

На фиг.1 представлен пример технической реализации предложенного ограничительного диода для случая вертикальной структуры при донорном (n) типе проводимости базы; на фиг.2 — пример профиля легирующих примесей вдоль оси х для случая кремниевой структуры, соответствующей фиг.1; на фиг;3 — эквивалентная схема предложенного ограничительного диода с указанием токов и напряжений, служащая для пояснения его свойств.

Структура ограничительного диода содержит пять полупроводниковых слоев, расположенных для рассматриваемого примера в последовательности р -n-п -nn: базу 1 (l-слой) толщиной W t; сильнолегированные области 2 и 3 с толщинами Wz u

В/з: слои 4 и 5, имеющие толщину соответственно W4 и Ws, Сильнолегированные области имеют невыпрямляющие контакты 6, 7 с металлическими выводами.

Легирование базы 1 (см. фиг.2) находится на уровне N =(1-3) х10 см . что соответствует типичным значениям концентрации примеси в i-слое переключательных pin-диодов (удельное сопротивление Si порядка 200 — 1000 Ом см). Области 2 и 3 имеют концентрацию легирующих примесей N2,ç=10 - l0 см, что также соот2О, -З ветствует типичным значениям легирования в современных pin-диодах.

Слои 3, 4 и 5 обеспечивают эффективное детектирование СВЧ напряжения и инжекцию носителей заряда (дырок в случае. изображенном на фиг.1. 2) в базу 1. Для аффективного детектирования необходимо, чтобы время пролета т носителей заряда через обедненную область было мало по сравнению с периодом Т СВЧ колебаний: т =О,1; Т = 1/f. С учетом дрейфового характера движения носителей при высоком уровне мощности можно записать в случае

Wg < W4: z = W4/Чз, где Чз — дрейфовая скорость. При использовании кремния имеем

10 и/™м) =ЛгЧ (4) Толщина базы W> предложенного диода выбирается из соображений малых вносимых потерь в режиме низкого уровня мощности и большой рабочей мощности в режиме ограничения, но не оказывает влияния на величину постоянного тока lc„поэтому целесообразно наложение условия

40 Wi > (5 — 10} 0/л. (6) Увеличение толщины W> сверх указанного предела влечет за собой рост времени восстановления, а также (при неизменной толщине W4) приводит к повышению пороГОВОЙ ВХОДНОЙ МОЩНОСТИ.

Площадь структуры 5 с учетом (6) может быть значительно повышена по сравнению с прототипом. что позволяет не допускать снижения рабочей мощности при повышении частоты и одновременно избежать повышения емкости и роста вносимых потерь.

Выбор одинакового типа проводимости слоев 4 и 5. совпадающего с типом проводимости базы 1, при противоположном типе проводимости сильнолегированной области

3, к которой примыкает первый из указанных слоев, обеспечивает существование в

Увеличение толщины W4 по сравнению с величиной. определяемой уравнением (4), сопровождается уменьшением тока 4, инжектируемого в базу, и снижением развязки, обеспечиваемой диодом в режиме высокого уровня мощности, Уменьшение же толщины W4 приводит к повышению емкости детектирующей области, образованной слоями 3, 4, 5, и при фиксированной толщине W> имеет следствием рост пороговой входной мощности.

Выполнение условия Ws < W4 необходимо для того, чтобы не происходила значительная рекомбинация носителей заряда, инжектируемых в базу, при прохождении через слой 5 с высокой концентрацией примеси, имеющий толщину 0/ь. С учетом условия (4) следует положить

30 тугц (5) 2003208

40 ф5 ° f2(Пц), смэ диодной структуре единственного детектирующего перехода, требующегося для создания постоянного тока 4, поступающего в базу в режиме высокого уровня мощности, Прохождение постоянного тока носителей через границу базы 1 и слоя 5 сопровождается встречной инжекцией в базу носителей противоположного знака со стороны второй сильнолегированной области

2. Выбор одинакового типа проводимости базы и слоев 4, 5 обеспечивает также наименьший порог детектирования и наименьшее падение СВЧ напряжения на всей структуре диода и, как следствие, малую просачивающуюся мощность.

Необходимость малой концентрации примеси Np в слое 4 и близости ее к концентрации в базе N> обусловлена требованиями малых вносимых потерь в режиме низкого уровня мощности. С учетом свойств современных полупроводниковых материалов (на примере кремния) следует положить йд =И =101э...1014 см э (7)

Концентрация примеси в слое 5 определяется из условия обеднения этого слоя при нулевом смещении с запасом, не допускающим проникновения границы обедненной эоны внутрь базы, Тем самым предотвращается возрастание суммарной протяженности детектирующей области (слоев 4, 5 и обедненной части базы), что привело бы к увеличению времени пролета, снижению детектирующей способности слоев 4, 5 на рабочей частоте и к уменьшению постоянного тока Io. Используя известное соотношение между толщиной обедненного слоя и. концентрацией примеси в асимметричном р-и переходе и пренебрегая в качестве запаса влиянием обеднения слоя 4, имеем

Щэ — /22"%Лак еМ где U» — контактная разность потенциалов.

Полагая Ок - 0,9 В и е = 12, получаем с учетом (5):

Таким образом, в соответствии с (4), (5) и (8) толщина введенных слоев должна уменьшаться пропорционально первой степени частоты, в концентрация примеси в слое 5 Должна повышаться пропорционально квадрату рабочей частоты при неизменной (низкой) концентрации в слое 4 и в базе 1.

Работа диода поясняется с помощью эквивалентной схемы (см. фиг,3), где С вЂ” шунтирующая емкость базы 1; С шунтирующая емкость детектирующего барьера, образованного 3, 4 и 5 слоями; R — сопротивление базы, зависящее преимущественно оТ постоянной составляющей тока

1; RI — сопротивление детектирующего барьера, зависящего от амплитуды приложенного СВЧ напряжения О и от тока I; Иэ— последовательное сопротивление пассивных областей диодной структуры и контактов, не изменяющееся при работе диода; Э- последовательная индуктивность выводов; С» — конструктивная емкость.

При низком уровне СВЧ мощности диод находится в высокоимпедансном состоянии (В, и Rj велики). Цепочка емкостей Сь CI u сопротивлений R, RI образует делитель СВЧ напряжения U, приложенного к активной части полупроводниковой структуры в сечении аб. С ростом входной мощности первоначально происходит повышение напряжений на обеих емкостях С и С); импеданс всего делителя в сечении аб сохраняется весьма высоким (линейный режим).

При достижении напряжением 1Ц I порогоcoro значения (порядка 0,6-0,8 В) начинается процесс детектирования участком, содержащим слои 3, 4 и 5 (см, фиг,1). Протекание постоянного тока 4 через базу (1слой) приводит к заполнению ее электронно-дырочной плазмой и к снижению сопротивления R, в результате чего начинается нарастающее перераспределение

СВЧ напряжений и возрастание доли напряжения I UI I, приходящейся на слои 4, 5.

Прохождение тока 4 через сопротивление

RI приводит также к снижению этого сопротивления, и общий импеданс диода Zd (с учетом неизменных Rs, Ls и Ск) резко снижается. Протекающий через диод СВЧ ток

I возрастает и в пределе стремится к удвоенному значению тока падающей волны в линии передачи, где включен ограничительный диод. Тем самым достигается полезный эффект — повышение рабочей. частоты ограничительного диода с сохранением других его параметров. . Предложенный ограничительный диод может быть реализован также на основе по+ + лупроводниковой структуры типа n — р — р—

Ф р -р, являющейся инверсной по отношению к описанной в качестве примера структуре типа p --и-и -и -n

Соотношения (4). (5). (6). (7) и (8) в сочетании с условием (2) обеспечивают реали2003208

10 зацию ограничительных диодов во всем

КВЧ диапазоне, где до сих пор отсутствуют самоуправляемые (пассивные) полупроводниковые защитные ограничители.

Пример реализации кремниевого ограничительного диода в 8-мм диапазоне длин волн в соответствии с настоящим изобретением: Wt = 3 мкм; W4 — — 0,3 мкм

М/5 0,03 мкм; Nt =- 1х10 см; N4 = 2x10

1З -З, см йв - 1.5х10 см; Cpin =0,04 пФ;

S =t,2х10 мм; параметры сильнолегированных слоев — без изменений по сравнению с существующими pin-диодами.

Формула изобретения

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЙ ДИОД, содержащий слаболегированную базу и сильнолегированные об+ + ласти с проводимостями р - и п -типов, отличающийся тем. что в него введены два последовательно расположенных слоя полупроводника с типом проводимости, совпадающим с типом проводимости базы, размещенных между базой и одной из сильнолегироеанных областей с типом проводимости, противоположной типу проводимости базы, причем концентрация леПредложенный ограничительный диод может быть осуществлен также на частотах ниже 30 ГГц с выигрышем по величине допустимой входной мощности в сравнении с

5 существующими ограничительными диодами. (56) СВЧ полупроводниковые приборы и их применение/Иод ред. Г.уотсона/Пер, с

10 англ. под ред. В.С.Эткина. — M: Мир, 1972, Henry R., Cuntz 6, Limitation passive par

diodes au silicium pour tres fortes pulssances

cretes//Colloq. Int, Radar. Paris. -- 1978.—

Р.41 l --414.

15 гирующей примеси в слое. примыкающем к сильнолегированной области, одного порядка с концентрацией примеси е базе, а концентрация легирующей примеси в слое, примыкающем к базе, превышает концентрацию примеси в базе и пропорциональна величине рабочей частоты в квадрате, при этом толщина W. мкм, первого слоя, примыкающего к сильнолегированной области, меньше толщины базы и определяется из условия W = 10 / f, а толщина второго введенного слоя меньше толщины первого слоя, где f - рабочая частота, ГГц.

2003208

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Редактор Н;Семенова

Заказ 3236

Составитель И.Лебедев

Техред М.Маргентал Корректор О.Кравцова

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Рауаская нэб., 4/5