Полупроводниковый переключательный диод

 

Использование: полупроводниковая техника, для снижения предельной рабочей частоты переключательного диода для состояния "Выключено" и уменьшения требуемого обратного смещения при сохранении малых нелинейных искажений и высокой коммутируемой рабочей мощности, а также малой амплитуды управляющего напряжения. Сущность изобретения: полупроводниковая структура содержит четыре области. Области 1 и 2 являются сильнолегированными приконтактными слоями. Слой 3, имеющий наименьшую концентрацию примеси, является базовой областью диода, определяющей (в основном) его радиочастотный импеданс. Область 4 имеет тип проводимости, совпадающий с типом проводимости базы, меньшую толщину и более высокий уровень легирования, чем область базы. В режиме "Включено" происходит двухсторонняя инжекция носителей заряда в базу. Наличие тонкого слоя 4 не препятствует снижению импеданса базы в результате заполнения ее квазинейтральной плазмой. В режиме "Выключено" при отсутствии стороннего обратного смещения база 3 и обеденная область 4, образуют импедансный делитель напряжения, свойства которого зависят от частоты, от параметров слоев и от величины напряжения смещения. 4 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к разработке приборов, предназначенных для управления мощностью или фазой сигналов в радиочастотных устройствах.

Из уровня техники известны полупроводниковые переключательные диоды с p-n-переходом [1] Недостаток этих приборов невысокий уровень рабочей мощности, при которой нелинейные искажения не превышают допустимого предела.

Наиболее близким к изобретению является pin-диод с толстой базой [2] имеющий структуру типа p⁺-n-n⁺ или p⁺-p-n⁺ и содержит слаболегированную базу (i-слой) и два сильнолегированных слоя полупроводника, расположенных по обе стороны базы. Диод имеет два металлических вывода, соединенных с p⁺ и n⁺ слоями. Радиочастотный импеданс pin-диода резко снижается при подаче тока прямого смещения, что соответствует режиму "Включено". Режим "Выключено" обеспечивается подачей на диод постоянного обратного смещения.

Недостаток pin-диода существование предела понижения рабочей частоты, на которой диод сохраняет работоспособность в режиме "Выключено" при высоком уровне мощности и малом уровне нелинейных искажений.

С целью снижения мощности потерь и уровня нелинейных искажений в этом режиме при уменьшении частоты ниже 10⁷-10⁸ Гц оказывается необходимым увеличивать постоянное напряжение смещения U₀, доводя его до амплитудного значения ВЧ-напряжения. Тем самым амплитуда ВЧ напряжения ограничена приблизительно половиной пробивного напряжения диода. Кроме того, требуется соответствующее повышение амплитуды управляющего напряжения.

Задача изобретения снижение предельной рабочей частоты переключательного диода для состояния "Выключено" и в уменьшении требуемого обратного смещения при сохранении малых нелинейных искажений и высокой коммутируемой рабочей мощности, а также малой амплитуды управляющего напряжения.

Задача решается тем, что в полупроводниковый переключательный диод, содержащий слаболегированную базу и сильнолегированные области с проводимостями p⁺ и n⁺ типов, введится дополнительная область с типом проводимости, совпадающим с типом проводимости базы, расположенная между слаболегированной базой и одной из сильнолегированных областей, имеющей противоположный тип проводимости, причем толщина дополнительной области в 50-500 раз меньше толщины базы, а концентрация легирующей примеси в дополнительной области в 10² 10⁴ раз превышает уровень примеси в базе.

На фиг. 1 схематически изображена предлагаемая полупроводниковая структура переключательного диода; на фиг. 2 профиль легирования диодной структуры при n-типе проводимости базы; на фиг. 3 эквивалентная электрическая схема структуры с учетом конструктивной емкости C_k, последовательного сопротивления потерь R_s и последовательной индуктивности выводов L_s, а также активных элементов структуры - сопротивлений R_i, R_j и емкостей C_i, C_j, отображающих параметры рабочих областей структуры; на фиг. 4 приведены типичные частотные характеристики, показывающие зависимость отношения напряжения смещения U₀, требуемого для подавления процесса детектирования, к ВЧ -напряжению U, приложенному к трехслойной pin-диодной структуре (кривая 1), и того же отношения напряжений в предлагаемом диоде (кривая 2).

Полупроводниковая структура предлагаемого диода содержит четыре области, расположенных для примера ( фиг. 1) в последовательности p⁺-n-n^--n⁺; возможна также последовательность слоев p⁺-p^--p-n⁺. Области 1 и 2 являются сильнолегированными приконтактными слоями. Слой 3, имеющий наименьшую концентрацию примеси, является базовой областью диода, определяющей в основном его радиочастотный импеданс. Область 4 имеет тип проводимости, совпадающим с типом проводимости базы, меньшую толщину и более высокий уровень легирования, чем область базы. Толщины областей 1 4 обозначены соответственно W₁ W₄, а концентрации примеси в них N₁ N₄.

Диод, как ключевой элемент управляющего ВЧ- устройства, работает следующим образом.

В режиме "Включено" (при подаче, кроме ВЧ-сигнала, напряжения и тока прямого смещения) происходит двухсторонняя инжекция носителей заряда в базу. Наличие тонкого дополнительного слоя 4, играющего совместно с сильнолегированным слоем 1 роль инжектора дырок по отношению к базе 3, не препятствует снижению импеданса базы в результате заполнения ее квазинейтральной плазмой. Наличие области 4 практически не влияет на статическую вольт-амперную характеристику, ВЧ-импеданс и частотные свойства диода в режиме "Включено".

В режиме "Выключено" при отсутствии стороннего обратного смещения или при постоянном обратном смещении слаболегированная база 3 и обедненная области введенного слоя 4, имеющая толщину W_j, образуют импедансный делитель напряжения (фиг. 3), свойства которого зависят от частоты, от параметров слоев их толщины и концентрации легирующей примеси, а также от величины напряжения смещения. При W_j < W₃ с учетом образования обедненной области в слое 4 имеем: C_j > C_i, где C_j емкость обедненной части области 4, а C_i емкость остальной (необедненной) части активной области структуры. С другой стороны, активное сопротивление обедненной области 4 значительно выше, чем сопротивление необедненного участка, т. е. R_j > R_i, поэтому на постоянном токе и на низких частотах отношение падения напряжения на обеденной области U_j к общему напряжению U на активной области структуры определяется отношением активных сопротивлений и близко к 1. При увеличении частоты сильнее сказывается соотношение емкостей, и отношение U_j/U соответственно снижается. Одновременно изменяется и отношение напряжения обратного смещения U₀, требуемого для запирания диода с заданным малым уровнем нелинейных искажений, к общему напряжению U.

Область частот, в пределах которой происходит резкий спад отношения U₀/U, для предлагаемого диода (кривая 2 на фиг. 4) сдвинута в сторону низких частот по сравнению с трехслойным pin-диодом, имеющим такую же толщину базы 3 и ту же концентрацию легирующей примеси (кривая 1). Это происходит благодаря тому, что при неизменном полном напряжении U напряжение U_j достигает порогового значения, соответствующего началу открывания диода, при частоте, сниженной в несколько раз по сравнению с трехслойным pin-диодом.

Выбор параметров слоев 1 3 производится из тех же соображения, что и для мощных переключательных pin-диодов. Уровни легирования N₁ и N₂ задаются обычно максимальными порядка 10¹⁹-10²⁰ см^-3. Толщины сильнолегированных слоев W₁ и W₂ не сказываются существенно на характеристиках диода и составляют обычно несколько микрометров. Толщина базы W₃ определяет емкость диодной структуры в режиме "Выключено" и выбирается из требования заданной емкости на верхнем краю рабочего диапазона частот. Уровень ее легирования N₃ задается минимальным (на уровне 10¹² 10¹³ см^-3) для получения наименьших диссипативных потерь в режиме "Выключено".

Четвертая область, расположенная между слоями 1 и 3, имеет толщину W₄, выбираемую из условия высокого отношения емкостей C_j/C_i для уменьшения падения напряжения из области 4, определяющего порог детектирования диода. Это отношение емкостей зависит от отношения толщин W₃/W₄ и ограничено: с одной стороны диффузионной длиной используемого полупроводникового материала в слое 3 (около 0,5 мм для чистого Si), а с другой технологическим пределом уменьшения толщины W₄ при обеспечении резких перепадов профиля легирования (порядка 1 мкм). Уровень легирования N₄ слоя 4 выбирается таким образом, чтобы обеспечить с минимальным запасом отсутствие прокола области 4 и предотвратить расширение обедненной области при максимальном падении напряжения U₄, соответствующем выбранному обратному смещению и наибольшей рабочей мощности управляющего устройства. Это условие выполняется при концентрации примеси в слое 4 на уровне 10¹⁵ 10¹⁵ см^-3, при этом достигается существенное снижение необходимого напряжения обратного смещения и предельно низкой рабочей частоты (приблизительно на порядок). Дальнейшее повышение N₄ приводит к неоправданному снижению пробивного напряжения диода. С учетом указанных обстоятельств в случае Si целесообразен выбор W₃ 400 500 мкм, W₄ 1 -10 мкм; N₃ 10¹² 10¹³ см^-3; N₄ 10¹⁵ 10¹⁶ см^-3.

Таким образом, толщина дополнительной области должна быть в 40 500 раз меньше толщины базы, а концентрация легирующей примеси в дополнительной области должна в 10² 10⁴ раз превышать уровень примеси в базе.

Параметры, соответствующие рассматриваемому примеру реализации предлагаемого диода (фиг. 4), следующие.

Используемый материал Si; диаметр структуры 950 мкм; концентрация примеси в базе 1 · 10¹³ см^-3; толщина базы 450 мкм; амплитуда напряжения на активной области структуры U=20B.

Параметры предлагаемого диода: W₄ 6 мкм; N₄ 1·10¹⁵ см^-3; C_j 217 пФ; C_i 0,17 пФ; R_i 2740 Ом; R_j 10⁵ Ом.

Параметры трехслойного pin-диода, используемые в расчете: W_j10, 9 мкм; C_j 6,9 пФ; C_i 0,17 пФ; R_i 2670 Ом; R_j 10⁶ Ом.

Из проведенного расчета следует, что для предлагаемого переключательного диода достигается снижение предельно низкой рабочей частоты и уменьшение требуемого напряжения обратного смещения приблизительно на порядок.

Формула изобретения

Полупроводниковый переключательный диод, содержащий слаболегированную базу и сильнолегированные области с проводимостями р⁺- и n⁺-типов, отличающийся тем, что в него введена дополнительная область с типом проводимости, совпадающим с типом проводимости базы, расположенная между слаболегированной базой и одной из сильнолегированных областей, имеющей противоположный тип проводимости, причем толщина дополнительной области в 40 - 500 раз меньше толщины базы, а концентрация легирующей примеси в дополнительной области в 10² 10⁴ раз превышает уровень примеси в базе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4