СВЧ МДП-ВАРИКАП С ПЕРЕНОСОМ ЗАРЯДА

Полезная модель относится к области полупроводниковой электроники и может быть использована при разработке МДП-варикапов, предназначенных для применения в устройствах ВЧ и СВЧ диапазона.
Известен МДП-варикап, содержащий полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод, узел стока неосновных носителей с p-n-переходом [Lloyd W Hackley, Seminole, Fla, "Varactor tuning diode with inversion layer, Put. 4.903.086, Feb. 20, 1990, US]. Недостаток данной конструкции прибора состоит в наличии тока проводимости p-n-перехода, включенного в прямом направлении, при состоянии емкости прибора, соответствующей номинальному значению, что ограничивает возможность его использования в качестве емкостного ключа.
+
Наиболее близким к предлагаемой конструкции является МДП-варикап с переносом заряда [Патент на полезную модель РФ №100333, МПК H01L 29/00, опубл. 10.12.2010 г.]. Данный прибор содержит полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод и узел стока неосновных носителей, содержащий p-n-переход. Диффузионная p-область сформирована в полупроводнике электронной проводимости, расположена вне области локализации управляющего электрода и соединена с управляющим электродом через резистор, расположенный на диэлектрике.
Недостаток данной конструкции прибора состоит в ограничении максимального значения предельной частоты, обусловленном минимальной толщиной полупроводника, которая не может быть меньше, чем глубина p-n-перехода с учетом ширины области пространственного заряда (ОПЗ).
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка конструкции, обеспечивающей возможность повышения значения предельной частоты.
В предлагаемом техническом решении эта задача достигается тем, что в СВЧ МДП-варикапе с переносом заряда, содержащем полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод и расположенный вне области локализации управляющего электрода узел стока неосновных носителей на основе резистора и p-n-перехода, узел стока неосновных носителей выполнен в слое поликристаллического кремния, расположенном на диэлектрике, и содержит две легированные области, разделенные резистивной областью нелегированного поликристаллического кремния, причем первая область, легированная акцепторной примесью, имеет общую границу раздела с поверхностью полупроводника, а вторая легированная область соединена с управляющим электродом.
С целью повышения верхнего температурного диапазона работы прибора в конструкцию может быть введен дополнительный электрод, соединенный с областью дырочной проводимости.
На фиг. 1 и 2 приведены варианты конструкции предлагаемого прибора, на фиг. 3 эквивалентные схемы.
+
Прибор содержит полупроводник n-типа 1, диэлектрик 2, управляющий электрод 3, проводящий контакт 4 к полупроводнику, узел стока из поликристаллического кремния, в конструкцию которого входит p-область 5, имеющая общую границу раздела с поверхностью полупроводника, резистивная область 6 и часть легированной области 7 вне управляющего электрода. Другая часть легированной области 7, контактирующая с управляющим электродом, является элементом конструкции этого электрода. Управляющий электрод контактирует с поверхностью поликристаллического кремния через вскрытое в защитном диэлектрике 8 контактное окно. Область 7 может быть легирована как акцепторной, так и донорной примесью. Кроме того, в конструкцию прибора может быть введен дополнительный электрод 9, соединенный с областью дырочной проводимости (фиг. 2).
н
0
Принцип действия предлагаемого прибора состоит в следующем. При подаче на управляющий электрод 3 положительного напряжения смещения реализуется состояние емкости прибора, соответствующее его номинальному значению C=C⋅S,
0
где С - удельная емкость диэлектрика 2;
S - площадь управляющего электрода 3.
При этом должны выполняться условия:
C
где R - сопротивление резистивной области узла стока, задаваемое конструктивно проводимостью материала резистивной области, ее поперечным сечением, длиной и удельной проводимостью σ;
- рабочая частота;
ε - абсолютная диэлектрическая постоянная материала резистивной области.
S
При выполнении условий (1) и (2) вклад элементов узла стока неосновных носителей в эквивалентную схему прибора можно не учитывать, и схема принимает вид, представленный на фиг. 3а. Символом R на схеме обозначено последовательное эквивалентное сопротивление потерь.
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.
SC
P
P
+
Эквивалентная схема прибора в этом режиме представлена в общем виде на фиг. 3б, где C - емкость ОПЗ, R - параллельное сопротивление и C - параллельная эквивалентная емкость перехода p-область поликристаллического кремния - n-полупроводник при отрицательном напряжении смещения.
P
C
+
В данном режиме работы необходимо обеспечить условие для формирования канала стока неосновных носителей под резистивной областью узла стока. Это условие выполняется, если обратное сопротивление R перехода p-область поликристаллического кремния - n-область полупроводника на несколько порядков выше сопротивления резистивной области R. При выполнении соотношений (1) и (2) для минимального значения емкости узел стока неосновных носителей не вносит вклада в эквивалентную схему прибора и при отрицательном смещении и схема сводится к виду, представленному на фиг. 3в.
+
S
P-область поликристаллического кремния 5 сформирована вне области полупроводника электронной проводимости 1, благодаря чему минимальное значение толщины полупроводника ограничено только шириной ОПЗ. В связи с этим прибор имеет меньшее значение последовательного сопротивления потерь R, которое связано со значением предельной частоты  соотношением:
Следовательно, значение предельной частоты  принимает более высокое значение по сравнению с известными решениями.
Наличие слоя из легированного поликристаллического кремния 7 под управляющим электродом 3 обеспечивает низкую плотность поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик и высокую стабильность электрофизических характеристик по отношению к термополевым воздействиям.
+
Принцип действия прибора при наличии дополнительного электрода, соединенного с областью дырочной проводимости состоит в следующем. К контакту 9 узла стока прикладывается постоянное отрицательное напряжение, создающее потенциальную яму в ОПЗ полупроводника под областью дырочной проводимости 5 узла стока. При этом формируется постоянный канал переноса неосновных носителей из ОПЗ полупроводника под управляющим электродом в область дырочной проводимости 5 узла стока, не зависящий от величины обратного тока перехода p-область поликристаллического кремния - n-область полупроводника, в широком диапазоне температур. Эквивалентные схемы соответствует эквивалентным схемам, представленным на фиг. 3а, 3б, 3в.
В качестве материала для области 5 использован поликристаллический кремний, локально легированный бором. Для области 7 использован поликристаллический кремний, легированный бором или фосфором. В качестве разделяющего их резистивной области использована нелегированная область поликристаллического кремния.
Так как узел стока в предлагаемой конструкции сформирован вне области полупроводника, то отсутствует ограничение на толщину полупроводника, связанное с глубиной p-n-перехода. Таким образом, обеспечивается уменьшение величины последовательного сопротивления потерь и увеличение предельной частоты.
Эффективность предложения обеспечивается тем, что СВЧ МДП-варикапы с переносом заряда предлагаемых конструкций могут быть использованы при разработке МДП-варикапов, предназначенных для применения в устройствах ВЧ и СВЧ диапазона благодаря повышению значения предельной частоты прибора, а также увеличению верхнего предела рабочей температуры.