МДП-ВАРИКАП
MDS-VARICAP

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при разработке МДП-варикапов, предназначенных для использования в устройствах ВЧ и СВЧ диапазона для управления частотой и фазой переменного сигнала.
Известен МДП-варикап, предназначенный для использования в качестве переключательного емкостного элемента с низким уровнем мощности управления в фазовращателях СВЧ диапазона. Он содержит полупроводник, рабочий диэлектрик, управляющий электрод и контакт к полупроводнику. (Bernie Siegal «The binary varactor - a new microwave device», Electronic Eguipment News, 1971, v. 12, №10, p.43-47).
Недостаток известной конструкции МДП-варикапа состоит в низкой стабильности состояния с минимальным значением емкости, обусловленной ограничением ширины области пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводнике зарядом неосновных носителей, термогенерированных на границе раздела диэлектрик-полупроводник, в ОПЗ полупроводника и в квазинейтральной области полупроводника.
Наиболее близким к предлагаемой конструкции является МДП-варикап, содержащий полупроводник, диэлектрик, управляющий электрод, узел стока неосновных носителей и контакт к полупроводнику (Lloyd W Hackley, Seminole, Fla, "Varactor tuning diode with inversion layer, Put. 4.903.086, Feb.20, 1990, US).
Недостаток данной конструкции МДП-варикапа состоит в зависимости минимального значения емкости прибора от температуры, так как это состояние импеданса прибора определяется лавинным пробоем обратно смещенного p-n-перехода узла стока, и в ограничении величины предельного допустимого управляющего напряжения токами обратно смещенного p-n-перехода узла стока.
Предлагаемая конструкция МДП-варикапа направлена на увеличение предельного допустимого управляющего напряжения и на повышение стабильности минимального значения емкости прибора.
В предлагаемой конструкции это достигается тем, что в МДП-варикапе, содержащем полупроводник, диэлектрик, управляющий электрод, узел стока неосновных носителей с p-n-переходом и контакт к полупроводнику, полупроводник имеет толщину меньше ширины области пространственного заряда, а под контактом к полупроводнику в области локализации элементов узла стока сформирован слой вспомогательного диэлектрика.
При выборе толщины полупроводника меньше ширины ОПЗ обеспечивается режим полного обеднения полупроводника неосновными носителями при отрицательном напряжении смещения.
SC
S
На фиг.1 представлен вариант конструкции предлагаемого прибора, на фиг.2 - эквивалентная схема МДП-варикапа при отрицательном напряжении смещения без учета вклада элементов узла стока неосновных носителей, где C - емкость полупроводника, R - последовательное эквивалентное сопротивление потерь.
Прибор (фиг.1) содержит полупроводник 1, диэлектрик 2, управляющий электрод 3, контакт 4 к полупроводнику, вспомогательный диэлектрик 5. Узел стока неосновных носителей содержит p-n-переход 6 и резистивный элемент 7, соединяющий p-n-переход 6 с управляющим электродом 3.
H
0
0
Принцип действия предлагаемого прибора рассмотрим для полупроводника электронной проводимости. При подаче на управляющий электрод 3 положительного напряжения смещения реализуется состояние емкости прибора, соответствующее его номинальному значению C=C·S, где C - удельная емкость диэлектрика 2, S - площадь управляющего электрода 3. При этом необходимо выполнение условий:
C
где R - сопротивление резистивного элемента 7 узла стока, задаваемое конструктивно проводимостью материала резистивного элемента, его поперечным сечением, длиной и проводимостью σ;
ε - абсолютная диэлектрическая постоянная материала резистивного элемента,
p
f - рабочая частота.
Выполнение условий (1) и (2) обеспечивает возможность не учитывать вклад узла стока неосновных носителей в эквивалентную схему прибора.
Н
мин
мин
При подаче на управляющий электрод прибора отрицательного смещения реализуется режим обеднения ОПЗ основными носителями и емкость прибора изменяется от С до С, где С - минимальное значение емкости.
P
C
P
C
В этом режиме работы предлагаемого прибора необходимо обеспечить условие для формирования канала стока под резистивным элементом узла стока для неосновных носителей. Это условие выполняется, если обратное сопротивление R p-n-перехода во всем диапазоне управляющего напряжения на несколько порядков выше сопротивления резистивного элемента R. При выполнении соотношения R>>R узел стока неосновных носителей не вносит вклада в эквивалентную схему прибора, представленную на фиг.2. при отрицательном управляющем напряжении.
P
Высокое значение R в приборе предлагаемой конструкции достигается тем, что в конструкцию прибора введен слой вспомогательного диэлектрика 5, расположенного под контактом 4 в области локализации элементов узла стока. Введение в конструкцию этого элемента позволяет уменьшить напряженность электрического поля в области локализации р-n-перехода, что обеспечивает увеличение предельно допустимого управляющего напряжения и повышает стабильность минимального значения емкости. Увеличение предельно допустимого напряжения, прикладываемого к управляющему электроду прибора, позволяет повысить его надежность и расширить функциональные возможности за счет расширения диапазона рабочего управляющего напряжения.
В качестве материала для резистивного элемента 7 узла может быть использован поликристаллический кремний, аморфный кремний или тонкий высокоомный слой металла.
Эффективность предложения обеспечивается тем, что МДП-варикап предлагаемой конструкции может быть использован в качестве как настроечного, так и в качестве переключательного элемента в широком классе устройств ВЧ и СВЧ диапазона.