Полупроводниковый ограничительный диод

ИЗОБРЕТЕНИЯ Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знаКам(71) Московский энергетический институт(73) Московский энергетический институт(57) Изобретение относится к твердотельным приборам СВЧ и КВЧ диапазонов, предназначеннымдпя защиты входных цепей чувствительных радиоэлектронных приемных устройств. Сущность изобретения: диод имеет структуру, содержащую сла У (ц ЩОЗ 70Ц 5 НО 11,29 Об 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 базе, а в слое, примыкающем к базе, превышает концентрацию в базе. Толщина первого слоя, примыкающего к сильнолегированной области, меньше толщины базь, а толщина второго введенного слоя меньше толщины первого слоя. 3 ил.Изобретение относится к твердотельным приборам СВЧ и КВЧ диапазонов и, вчастности к разработке приборов, предназначенных для защиты входных цепей чувствительных радиоэлектронных приемных 5устройств, например РЛС,Из уровня техники известны полупроводниковые варакторные диоды, выполняющие функции ограничения мощности за счетнелинейности их характеристик, Недостаток варакторных диодов - малая величинамощности, поступающей на вход защитногоустройства, при которой варакторный диодне подвергается опасности разрушения.Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ограничительный рп-диод,содержащий полупроводниковую базу ссобственной проводимостью (1-слой), С противоположных краев базы расположены дее 20сильнолегированные области с проводимостями р и и типов. Диод включается параллельно в линию передачи междуисточником СВЧ излучения и защищаемымприемником. При большой амплитуде СВЧнапряжения и малой толщине базы диодобладает свойством самоуправления, т.е,уменьшения импеданса полупроводниковой структуры е отсутствие стороннего токапрямого смещения, Благодаря этому дости Огается эффект пассивного ограничениямощности за счет отражения СВЧ сигнала ичастичного поглощения в полупроводниковой структуре диода,Существенным недостатком ограничительного р и-диода является трудность получения эффекта самоуправления и высокогоослабления мощного СВЧ-сигнала на частотах выше 15-20 ГГц, Это обьясняется тем,что толщина 1-слоя ЧЧ, необходимая для самоупраеления. связана с рабочей частотойусловиемРУ1 (.1) где К 1 - константа, которая для кремниевых диодов составляет около 40 при толщине Я, выраженной в микрометрах, и частоте 1, выраженной в гигагерцах. Невыполнение условия (1) приводит к уменьшению развязки. создаваемой ограничительным диодом, и к 50 росту просачивающейся мощности.При малой толщине 1-области площадь перехода 3 также должна быть очень невелика для обеспечения малой емкости р 1 пструктуры Срь 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 ри-диода при нулевом смещении и характеристического сопротивления линии передачи, е которую включен диод, Величина Ср должна с этой точки зрения удовлетворять соотношениюСрглКг(2) где Кг - константа, которая при реально используемых значениях характеристического сопротивления лежит в пределах Кг =1-3, Частота 1 в (2) выражена в гигагерцах, емкость Срп - в пикофарадах,Из соотношений (1), (2) следует, что с повышением частоты площадь Я структуры ограничительного р и-диода необходимо изменять обратно пропорционально квадрату частоты( (3 где Кз - константа, которая в случае кремния может лежать в пределах Кз =0,4 - 1,2 при 5, 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 10 дБ) константа К 1 в уравнении(1) должна быть уменьшена до 1020, 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 рп-диодов с внешним управлением, синхронизированным с работой передатчика РЛС, или по квазиактивному принципу с использованием "подпиточных" 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 сильнолеиронаннце области с проводимостями р и и типов. введены два последовательнорасположенных 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 иэ укаэанных слоев, примыкающем к сильнолегированной области с противоположным типом проводимости, 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 ЧЧ задается из условия ЧЧ =10/1, где 1 - рабочая частота в гигагерцах, ЧЧ - 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 (и) 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 -и-п -ип: базу 1 (1-слой) толщиной ЧЧ 1; сильнолегированные области 2 и 3 с толщинами В/2 и В/з: слои 4 и 5, имеющие толщину соответственно ЧЧ 4 и ЧЧ 5, Сильнолегированные области имеют невыпрямляющие контакты б, 7 с металлическими выводами,Легирование базы 1 (см, фиг,2) находится на уровне Й=(1 - 3) х 101 з смз, что соответствует типичным значениям концентрации примеси в 1-слое переключательных реп-диодов (удельное сопротивление 9 порядка 200 - 1000 Ом см). Области 2 и 3 имеют конентрацию легирующих примесей й 2,э=10 -10 см , что также соот 2 о, -зветствует типичным значениям легирования в современных ра-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 эффективного детектирования необходимо, чтобы время пролета т носителей заряда через обедненную область было мало посравнению с периодом Т СВЧ колебаний: т =О,1; Т = 1/Т. С учетом дрейфового характера движения носителей при высоком уровне мощности можно записать в случае 5 В/5В/4: т = ЧЧ 4/Чз, где Ч - дрейфоваяскорость. При использовании кремния име- ем 10В/4() = (4) Толщина базы В/ предложенного диодавыбирается иэ соображений малых вносимых потерь в режиме низкого уровня мощ ности и большой рабочей мощности врежиме ограничения, но не оказывает влияния на величину постоянного токаспоэтому целесообразно наложение условия 40 В/1 ) (5 - 10) В/4. (б) Увеличение толщины В/1 сверх указанного предела влечет эа собой рост времени восстановления, а также (при неизменной толщине В/4) приводит к повышению поро- ГОВОЙ ВХОДНОЙ МОЩНОСТИ.Площадь структурыс учетом (6) можетбыть значительно повышена по сравнению с прототипом, что позволяет не допускать 50 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 В/4 по сравнениес величиной, определяемой уравнением (4), сопровождается уменьшением тока 1 О, инжектируемого в базу, и снижением развязки, обеспечиваемой диодом в режиме высокого уровня мощности, Уменьшение же толщины В/4 приводит к повышению емкости детектирующей области, образованной слоями 3, 4, 5, и при фиксированной толщи не В/1 имеет следствием рост пороговойвходной мощности.Выполнение условия В/5ЧЧ 4 необходимо для того, чтобы не происходила значительная рекомбинация носителей заряда, инжектируемых в базу, при прохождении через слой 5 с высокой концентрацией примеси, имеющий толщину В/5, С учетом условия (4) следует положить30 4 мкц 3 /уГц (5)40 диодной структуре единственного детектирующего перехода, требующегося для создания постоянного тока 1 О, 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 й 4 в слое 4 и близости ее к концентрации в базе й 1 обусловлена требованиями малых вносимых потерь в режиме низкого уровня мощности. С учетом свойств современных полупроводниковых материалов (на примере кремния) следует положить й =И =1010 см(7)Концентрация примеси в слое 5 определяется из условия обеднения этого слоя при нулевом смещении с запасом, не допускающим проникновения границы обедненной зоны 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 1 о. 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 щ - /22,"%)Зк,ей 5где 0 - контактная разность потенциалов, Полагая Ок - 0,9 В и е = 12, получаем с учетом (5): 1 2; 10 з 5. Р (1 тц) см.з (8) 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. 5 10 15 20 25 Работа диода поясняется с помощью эквивалентной схемы (см, фиг,3), где С - шунтирующая емкость базы 1; С 1 шунтирующая емкость детектирующего барьера, образованного 3, 4 и 5 слоями; В - сопротивление базы, зависящее преимущественно от постоянной составляющей тока 1; В 1 - сопротивление детектирующего барьера, зависящего от амплитуды приложенного СВЧ напряжения О и от тока 1; Вз - последовательное сопротивление пассивных областей диодной структуры и контактов, не изменяющееся при работе диода; М- последовательная индуктивность выводов; С - конструктивная емкость.При низком уровне СВЧ мощности диод находится в высокоимпедансном состоянии (В, и В; велики). Цепочка емкостей Сь С 1 и сопротивлений Вь В 1 образует делитель СВЧ напряжения О, приложенного к активной части полупроводниковой структуры в сечении аб. С ростом входной мощности первоначально происходит повышение напряжений на обеих емкостях С и С 1; импеданс всего делителя в сечении аб сохраняется весьма высоким (линейный режим). При достижении напряжением 1 О 1 1 порогового значения (порядка 0,6-0,8 В) начинается процесс детектирования участком, содержащим слои 3, 4 и 5 (см, фиг,1). Протекание постоянного тока 1 О через базу (1- слой) приводит к заполнению ее электронно-дырочной плазмой и к снижению сопротивления Вь в результате чего начинается нарастающее перераспределение СВЧ напряжений и возрастание доли напряжения 1 О 1 1, приходящейся на слои 4, 5. Прохождение тока 1 О через сопротивление В 1 приводит также к снижению этого сопротивления, и общий импеданс диода Еб (с учетом неизменных Вэ, Ы и Ск) резко снижается. Протекающий через диод СВЧ ток 1 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 другье его параметров.. Предложенный ограничительный диод может быть реализован также на основе поР + лупроводниковой структуры типа и - р - р -Фр -р, являющейся инверсной по отношению к описанной в качестве примера структуре типа р-.и-и-и -и,Соотношения (4). (5), (б), (7) и (8) в сочетании с условием (2) обеспечивают реали 2003208 10зацию ограничительных диодов во всем КВЧ диапазоне, где до сих пор отсутствуют самоуправляемые (пассивные) полупроводниковые защитные ограничители.П р и м е р реализации кремниевого ограничительного диода в 8-мм диапазоне длин волн в соответствии с настоящим изобретением: ЧЧ 1 = 3 мкм; В/40,3 мкм 95 0,03 мкм; Й 1 =- 1 х 10 см; М 4 = 2 х 10.з -з,см; йз - 1.5 х 10 см; Срп =0,04 пФ; Я =1,2 х 10 мм; параметры сильнолегированных слоев - без изменений по сравнению с существующими р 1 п-диодами. Формула изобретенияПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ 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 сильнолегированных областей с типом проводимости, противоположной типу проводимости базы, причем концентрация леПредложенный ограничительный диодможет 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 ихприменение/Иод ред. Г.уотсона/Пер, с10 англ. под ред. В,С.Эткина. - М: Мир, 1972,Непгу ВСцптг б, 1 1 гпИабоп раззЬе рагЮобез аи з сгогл розг тгез 1 опез ро 1 ззапсезсгеез//Соос 1. 1 п 1, Радаг. Раг 1 з 1978. -Р.411-414.15гирующей примеси в слое, примыкающем к сильнолегированной области, одного порядка с концентрацией примеси в 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 ЧЧ. мкм, первого слоя, примыкающего к сильнолегированной области, меньше толщины базы и определяется из условия ЧЧ = 10 / 1, а толщина второго введенного слоя меньше толщины первого слоя, где 1 - рабочая частота, ГГц.302003208 Составитель ИЯебеде Техред М.Маргентал Тираж НПО "Поиск" Р 113035, Москва, Ж, Р