СВЧ МДП-варикап

Полезная модель относится к области полупроводниковой электроники и может быть использована при разработке варикапов на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), предназначенных для применения в устройствах ВЧ и СВЧ диапазона.
Известен СВЧ МДП-варикап с переносом заряда [1]. Данный прибор содержит 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.
Недостаток данной конструкции состоит в том, что максимальное значение рабочей температуры прибора ограничивается величиной тока обратно смещенного p-n-перехода узла стока.
Наиболее близким к предлагаемой конструкции прибора является варикап [2]. Данный прибор содержит полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод, область дырочной проводимости и область электронной проводимости, образующие узел стока неосновных носителей с p-n-переходом, и контактирующий с полупроводником электрод. Область электронной проводимости узла стока расположена в пределах локализации области дырочной проводимости и соединена с управляющим электродом, область дырочной проводимости сформирована в полупроводниковой подложке n-типа и изолирована от электродов.
Недостаток данной конструкции прибора состоит в том, что максимальное значение предельной частоты, ограничено толщиной полупроводника, которая не может быть меньше, чем глубина области дырочной проводимости, с учетом ширины области пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводнике электронной проводимости. При этом глубина области дырочной проводимости должна быть достаточной для формирования локальной области электронной проводимости, минимальная толщина которой ограничена шириной ОПЗ в данной области.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение предельной частоты СВЧ МДП-варикапа.
В предлагаемом техническом решении эта задача достигается тем, что в СВЧ МДП-варикапе, содержащем полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод, область дырочной проводимости и область электронной проводимости, образующие узел стока неосновных носителей с р-n-переходом, и контактирующий с полупроводником электрод, область электронной проводимости, контактирующая с управляющим электродом, расположена на поверхности области дырочной проводимости и выполнена из поликристаллического материала.
На фиг. 1 приведена конструкция предлагаемого СВЧ МДП-варикапа, где 1 - полупроводник электронной проводимости, 2 - диэлектрик, 3 - управляющий электрод, 4 - контактирующий с полупроводником электрод, 5 - область дырочной проводимости, 6 - область электронной проводимости. На фиг. 2 эквивалентная схема, где (а) - при подаче на управляющий электрод положительного напряжения смещения, (б) - при подаче на управляющий электрод отрицательного напряжения смещения.
Область электронной проводимости 6 (легированного донорной примесью поликристаллического кремния) создают на этапе формирования затворов МДП структур, что обеспечивает высокое качество границы раздела кремний-диэлектрик. Низкая плотность поверхностных состояний исключает потери мощности СВЧ сигнала на границе раздела.
СВЧ МДП-варикап содержит полупроводник электронной проводимости 1, диэлектрик 2, управляющий электрод 3, контактирующий с полупроводником электрод 4. Узел стока неосновных носителей содержит область дырочной проводимости 5, с которой контактирует область электронной проводимости 6 через вскрытое в диэлектрике контактное окно. Управляющий электрод 3 сформирован на поверхности области электронной проводимости 6 и диэлектрика 2.
Принцип действия предлагаемого прибора состоит в следующем. При подаче на управляющий электрод 3 положительного напряжения смещения (фиг. 2а) реализуется состояние емкости прибора, соответствующее его номинальному значению:
н
0
C=C⋅S,
0
где С - удельная емкость диэлектрика 2;
S - площадь управляющего электрода 3.
S1
P1
Р1
P1
Р1
+
Потери мощности переменного сигнала в цепи МДП 3-2-1-4 учитываются при помощи резистора R. В этом режиме работы ток проводимости узла стока неосновных носителей определяется обратным током n-p-перехода, образованного областью электронной проводимости 6 и областью 5 дырочной проводимости. Вклад узла стока в эквивалентную схему определяется величинами R и С, где R - эквивалентное сопротивление, С - эквивалентная емкость обратно-смещенного n-р-перехода.
При положительном напряжении на управляющем электроде область дырочной проводимости соединена с электродом через большое сопротивление n-р-перехода 6-5, которое ограничивает ток р-n перехода 5-1, смещенного в прямом направлении.
При подаче на управляющий электрод прибора отрицательного смещения на управляющем электроде n-р-переход 6-5 смещен в прямом направлении и потенциал области дырочной проводимости 5 близок к потенциалу на полевом электроде 3. В этом режиме р-n-переход 5-1 смещен в обратном направлении и обеспечивает удаление неосновных носителей из приповерхностной области полупроводника под полевым электродом 3.
SC
P2
Р2
Эквивалентная схема прибора в этом режиме представлена в общем виде на фиг. 26, где C - емкость ОПЗ, R - эквивалентное сопротивление и С - емкость узла стока при отрицательном напряжении на полевом электроде.
S
п
В отличие от прототипа, отсутствие области электронной проводимости в пределах локализации области дырочной проводимости 5 позволяет уменьшить толщину полупроводника электронной проводимости 1 при том же уровне технологии (0,9 мкм по сравнению с 1,5 мкм). Соответственно, по сравнению с известными решениями, прибор имеет меньшее значение последовательного сопротивления потерь R, и более высокое значение предельной частоты ƒ:
-5
2
-8
2
-5
2
ох
Пример. При уменьшении толщины полупроводника электронной проводимости до 0,9 мкм величина последовательного сопротивления потерь, приведенная к единице площади, составляет 4,5⋅10 Ом⋅см при удельной емкости СВЧ МДП-варикапа С=2,4⋅10 Ф/см. При этом значение предельной частоты СВЧ МДП-варикапа вырастает в 1,7 раз по сравнению с варикапом, у которого толщина полупроводника электронной проводимости составляет 1,5 мкм, а последовательное сопротивление потерь, приведенное к единице площади, равно 7,5⋅10 Ом⋅см.
Эффективность предложения обеспечивается тем, что нестационарный МДП-варикап СВЧ диапазона предлагаемой конструкции может быть использован при разработке МДП-варикапов, предназначенных для применения в устройствах ВЧ и СВЧ диапазона, благодаря повышению значения предельной частоты прибора.
Источники информации:
1. Патент на полезную модель РФ №167582.
2. Патент на полезную модель РФ №114807 - прототип.