варактор
Классы МПК: | H01L29/93 диоды с регулируемой емкостью, например варакторы |
Автор(ы): | Иоффе В.М., Чикичев С.И. |
Патентообладатель(и): | Институт физики полупроводников СО РАН, Иоффе Валерий Моисеевич, Чикичев Сергей Ильич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-03-14 публикация патента:
27.06.1997 |
Изобретение относится к полупроводниковым приборам, реактивностью которых управляют с помощью напряжения. Сущность изобретения: варактор состоит из рабочей области из однородно легированного полупроводника с омическим контактом, на которой сформирован p-n переход с другим контактом. Рабочая область выполнена в форме усеченной треугольной призмы: стороны основания L1, L2 и D. На боковых гранях рабочей области с основаниями L1 и L2 сформированы p-n переходы и/или барьеры Шоттки с общим контактом, а на грани с основанием D изготовлен омический контакт. Емкость варактора C от обратного смещения U в диапазоне обратных смещений Umin
U
Umax удовлетворяет условию:
,
где S1 и S2 - геометрические площади граней с основаниями L1 и L2 соответственно; R(U) - толщина области пространственного заряда в полупроводнике при обратном смещении U;
o = 8,85
10-12 Ф/м;
- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника. Концентрацию примеси в рабочей области и ее геометрические параметры выбирают так, что при увеличении обратного смещения за счет перекрытия ОПЗ от противолежащих граней изменяются действующие площади обкладок S1(U) и S2(U); при этом необходимый закон изменения S(U) обеспечивают либо соответствующим выбором зависимости высоты грани f(H) от расстояния H, измеренного вдоль L1 и L2 от точки пересечения сторон L1 и L2 со стороной D, либо - при заданной f(H) - выбором зависимости расстояния между L1 и L2 от H, причем размер стороны D удовлетворяет условию: 2R(Uпр)
2R(O), где Uпр - напряжение пробоя. Рабочая область может быть легирована неоднородно. Одна из граней варактора с основанием L1 и L2 представляет собой границу раздела легированный полупроводник - изолирующая подложка. 2 з.п. ф-лы. 9 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029t.gif)
где S1 и S2 - геометрические площади граней с основаниями L1 и L2 соответственно; R(U) - толщина области пространственного заряда в полупроводнике при обратном смещении U;
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/949.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083004/183.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/949.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083015/8805.gif)
Формула изобретения
1. Варактор, состоящий из рабочей области из однородно легированного полупроводника с омическим контактом, на которой сформирован р n-переход и/или барьер Шоттки с другим контактом, отличающийся тем, что рабочая область выполнена в форме усеченной призмы, имеющей в основании треугольник, в том числе и криволинейный, две стороны которого L1 и L2 больше третьей D, или трапецию, две боковые стороны которой L1 и L2 больше большего из оснований D, на боковых гранях рабочей области с основаниями L1 и L2 сформированы р-n- переходы и/или барьеры Шоттки, имеющие общий контакт, а на боковой грани с основанием D изготовлен омический контакт к рабочей области, причем для получения любой наперед заданной и, в частности, линейной зависимости С (U) емкости варактора С от обратного смещения U в диапазоне обратных смещений Umin![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-20t.gif)
где S1 и S2 геометрические площади граней с основаниями L1 и L2 соответственно;
R (U) толщина области пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводнике при обратном смешении U;
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/949.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083004/183.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/949.gif)
концентрацию примеси в рабочей области и ее геометрические параметры выбирают так, что при увеличении обратного смещения за счет перекрытия ОПЗ от противолежащих граней изменяются действующие площади обкладок S1 (U) и S2 (U), при этом необходимый закон изменения S (U) обеспечивают либо соответствующим выбором зависимости высоты грани f (H) от расстояния Н, измеренного вдоль L1 и L2 от точки пересечения сторон L1 и L2 со стороной D, либо, при заданной f (H) выбором зависимости расстояния d между L1 и L2 от Н, при этом для обеспечения предельно высокого коэффициента перекрытия по емкости размер стороны D удовлетворяет условию
2R (Uпр)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083015/8805.gif)
где Uпр напряжение пробоя в данном полупроводнике при данной концентрации примеси. 2. Варактор по п.1, отличающийся тем, что одна из граней с основанием L1 или L2 представляет собой границу раздела легированный полупроводник изолирующая (высокоомная) подложка. 3. Варактор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочая область легирована неоднородно.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к варакторам (варикапам) полупроводниковым приборам, реактивностью которых можно управлять с помощью напряжения. Как известно [1] во всех трех базовых элементах полупроводниковой электроники (p-n переходе, барьере Шоттки и структуре металл-диэлектрик-полупроводник) при определенной полярности приложенного напряжения формируется слой полупроводника, обедненный основными носителями заряда, являющийся аналогом диэлектрической прослойки в обычном конденсаторе. Толщина обедненного слоя зависит от напряжения смещения, вследствие чего дифференциальная емкость C полупроводникового прибора может управляться электрическим напряжением U. Основными характеристиками варактора являются коэффициент перекрытия по емкости K Cmax/Cmin и вид зависимости C C(U). Типичная конструкция варактора представляет собой плоскопараллельный сильнолегированный слой полупроводника с одним типом проводимости, сформированный на слаболегированной рабочей области с другим типом проводимости. Обе области снабжены омическими контактами для подачи управляющего напряжения. Задавая соответствующий закон распределения примеси в рабочей области варактора, можно реализовать различные зависимости C C(U). Так, если концентрация примеси в рабочей области меняется по закону Ni(x) Bxm, то [1] C![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083025/8776.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/8594.gif)
Поставленная цель достигается тем, что в варакторе, состоящем из рабочей области из однородно легированного полупроводника с омическим контактом, на которой сформирован p-n переход и/или барьер Шоттки с другим контактом, эта рабочая область выполнена в форме усеченной призмы с треугольником (в том числе и криволинейным) или трапецией в основании. Две стороны треугольника L1 и L2 больше третьей D (две боковых стороны трапеции L1 и L2 больше большего из оснований D) и на боковых гранях рабочей области с основаниями L1 и L2 сформированы p-n переходы и/или барьеры Шоттки, имеющие общий контакт, а на боковой грани с основанием D изготовлен омический контакт к рабочей области, причем для получения в диапазоне обратных смещений Umin
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-3t.gif)
где S1 и S2 геометрические площади граней с основаниями L1 и L2 соответственно;
R(U) толщина области пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводнике при обратном смещении U;
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/949.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083004/183.gif)
где
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/949.gif)
концентрацию примеси в рабочей области и ее геометрические параметры выбирают так, что при увеличении обратного смещения за счет перекрытия ОПЗ от противолежащих граней изменяются действующие площади обкладок S1(U) и S2(U); при этом необходимый закон изменения S(U) обеспечивают либо соответствующим выбором зависимости высоты грани f(H) от расстояния H, измеренного вдоль L1 и L2 от точки пересечения сторон L1 и L2 со стороной D, либо при заданной f(H) выбором зависимости расстояния d между L1 и L2 от H. Для обеспечения предельно высокого коэффициента перекрытия по емкости размер стороны D должен удовлетворять условию:
2R(Uпр
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083015/8805.gif)
где
Uпр напряжение пробоя в данном полупроводнике при данной концентрации примеси. Кроме того, варактор может иметь неоднородно легированную рабочую область и она может быть выполнена в форме пирамиды или конуса. Кроме того, одна из граней рабочей области с основанием L1 или L2 может представлять собой границу раздела легированный полупроводник-изолирующая (полуизолирующая) подложка. Изобретение заключается в выборе подходящей геометрии рабочей области, а именно такой, чтобы при изменении обратного смещения менялось не только расстояние между обкладками конденсатора, но и площадь обкладок. На фиг.1 изображен варактор с рабочей областью в форме треугольной призмы ABCDEF для двух значений обратного смещения U1 и U2 > U1. При этом действующая площадь обкладок уменьшается с увеличением обратного смещения; на фиг. 2 варактор с рабочей областью в форме усеченной треугольной призмы, в котором зависимость действующей площади обкладок от величины обратного смещения используется для получения заданной вольт-фарадной характеристики; на фиг. 3 представлена конкретная реализация линейного варактора с использованием p-n переходов на кремнии; на фиг.4 изображены зависимости f(H), описывающие геометрию рабочей области линейных варакторов, показанных на фиг.3,6 и 8;
на фиг.5 вольт-фарадная характеристика варактора, показанного на фиг.3; на фиг.6 конкретная реализация линейного варактора с использованием барьера Шоттки на арсениде галлия; на фиг.7 вольт-фарадная характеристика варактора, показанного на фиг.6; на фиг.8 линейный варактор, созданный на диффузионном слое в кремнии с использованием барьера Шоттки; на фиг.9 вольт-фарадная характеристика варактора, показанного на фиг.8. Рассмотрим фиг. 1 на которой изображен варактор с рабочей областью 1 из однородно легированного полупроводника n- или p-типа в форме треугольной призмы ABCDEF с омическим контактом 2 на боковой грани ABFE. На двух других боковых гранях ABCD и EFCD сформирован p-n переход 3 с общим металлическим контактом 4. При использовании барьера Шоттки слой 3 отсутствует, и металл 4 наносится непосредственно на грани ABCD и EFCD рабочей области. На фиг.1 показаны также область пространственного заряда 5, нейтральная область 6 и клеммы 7 для подключения источника обратного смещения. При увеличении обратного смещения, приложенного одновременно к боковым граням ABCD и EFCD через общий для них контакт 4, области пространственного заряда 5 этих граней перекрываются, что и приводит к уменьшению действующей площади обкладок. Действительно, емкость варактора при обратном смещении U (фиг.1а) равна сумме емкостей двух плоских конденсаторов с обкладками A"B"C"D" и E"F"C"D", площади которых зависят от величины обратного смещения (фиг.1б). Назовем площадь фигуры A"B"C"D" действующей площадью обкладки. Дополнительная степень свободы S(U) в формуле для плоского конденсатора:
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-4t.gif)
где S(U) действующая площадь обкладок;
R(U) расстояние между ними;
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/949.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/949.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083004/183.gif)
и позволяет реализовать разнообразные функциональные зависимости C(U) и, в частности линейную. Для вывода необходимых количественных соотношений, обратимся к фиг.2, на которой указаны все необходимые параметры. На фиг. 2 изображен варактор с рабочей областью 1 в форме усеченной треугольной призмы A1A2A3A4A5A6, имеющей в основании равнобедренный треугольник A1A4A5 с длиной основания A1A5, равной D, и длиной боковой стороны A1A4, равной L. На боковой грани A1A2A6A5 изготовлен омический контакт 2 к рабочей области, а на боковых гранях A1A2A3A4 и A3A4A5A6 сформирован барьер Шоттки с общим контактом 4. При подаче обратного смещения между контактами 2 и 4 под гранями A1A2A3A4 и A3A4A5A6 происходит обеднение рабочей области основными носителями заряда на глубину:
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-5t.gif)
где R(U) толщина области пространственного заряда (ОПЗ) в однородно легированном полупроводнике с концентрацией примеси Ni при обратном смещении U;
Uk контактный потенциал;
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/949.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/949.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083004/183.gif)
q 1,6
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083004/183.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-6t.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-7t.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-8t.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-9t.gif)
Если d(U)<H(U) и d(U)<f(H), то применимо приближение плоского конденсатора, и на основании (1) можно записать:
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-10t.gif)
где R(U) дается соотношением (2), а величина H(U) верхнего предела в интеграле находится из условия:
d(U) 2R(U) (5)
при подстановке его в уравнение H F(d). Подставляя (5) в (3), получим:
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-11t.gif)
Для линейного варактора мы должны иметь в некотором диапазоне обратных смещений Umin
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-12t.gif)
Здесь принято, что Cmin C(Umax)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083025/8776.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083025/8776.gif)
2R(Uпр)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083015/8805.gif)
где R(Uпр) толщина ОПЗ при напряжении пробоя Uпр. С другой стороны, размер стороны D должен быть больше, чем 2R(O), так как в противном случае вся рабочая область будет полностью обеднена основными носителями заряда уже при нулевом смещении и варактор будет неработоспособен. Для линейных варакторов имеет место совершенно общая связь между Umin и Umax:
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-13t.gif)
Таким образом, если принять Umin 0, то Umax 2Uk, и минимальный диапазон смещений для линейного варактора составляет 0
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
0,33Uпр
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
Из соотношения (4) видно, что выбирая функцию f(H) можно обеспечить любую, наперед заданную спадающую зависимость C=C(U), удовлетворяющую ограничению:
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-14t.gif)
До сих пор мы считали, что рабочая область изготовлена из однородно легированного полупроводника. Однако, это требование не является обязательным. Пусть в каждом сечении H const концентрация примеси зависит от расстояния x, отсчитываемого от поверхности вглубь рабочей области Ni(x,H). Обозначим через R1(H,U) и R2(H,U) толщины областей обеднения, формирующихся у граней A3A4A5A6 и A1A2A3A4 соответственно (фиг.2). Уравнения, определяющие величины R1(H,U) и R2(H,U) имеют вид:
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-15t.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-16t.gif)
где d расстояние между гранями, измеренное вдоль прямой, параллельной A1A5 при данном значении H. Уравнение (4) при этом перепишется в виде:
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-17t.gif)
где R1(H, U) и R2(H, U) даются соотношениями (11) и (12), а величина верхнего предела в интеграле (13) находится из условия:
d(U) R11(H,U) + R2(H,U)
при подстановке его в уравнение H=F(d). Для линейного варактора мы должны иметь в некотором диапазоне обратных смещений Umin
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-18t.gif)
Здесь, как и в (7), принято, что Cmin C(Umax)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083025/8776.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083025/8776.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083004/183.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083025/8776.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083025/8776.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083004/183.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/2083029-19t.gif)
где NO 1
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083004/183.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083029/8594.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083015/8734.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
1. В определенном диапазоне обратных смещений Umin
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
![варактор, патент № 2083029](/images/patents/389/2083005/8773.gif)
Класс H01L29/93 диоды с регулируемой емкостью, например варакторы
сборка из двух варикапов с общим катодом (варианты) - патент 2325002 (20.05.2008) | ![]() |
варикап - патент 2320050 (20.03.2008) | ![]() |
полупроводниковый прибор - патент 2279736 (10.07.2006) | |
полупроводниковый прибор - патент 2278449 (20.06.2006) | |
полупроводниковый прибор - патент 2278448 (20.06.2006) | |
полупроводниковый прибор - патент 2163045 (10.02.2001) | |
варикап - патент 2119698 (27.09.1998) | |
полупроводниковый прибор - патент 2117360 (10.08.1998) | |
варактор - патент 2102819 (20.01.1998) | |
варикап - патент 2086045 (27.07.1997) |