варикап на основе системы металл-диэлектрик-полупроводник

Формула изобретения

Варикап на основе системы металл-диэлектрик-полупроводник, содержащий полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод и узел стока неосновных носителей с p-n-переходом, отличающийся тем, что область дырочной проводимости p-n-перехода узла стока неосновных носителей имеет глубину, равную толщине полупроводника, и выполнена в виде цилиндрического слоя, внутри которого расположена часть исходного полупроводника электронной проводимости, соединенная с управляющим электродом.

Описание изобретения к патенту

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 [Bernie Siegal. "The binary varactor - a new microwave device", Electronic Equipment News, 1971, v12, № 10, p. 43-47]. Он содержит полупроводник, диэлектрик, управляющий электрод и контакт к полупроводнику. 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 электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод, узел стока неосновных носителей с р-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.

Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение возможности использования прибора в качестве емкостного ключа как при максимальном значении емкости, так и при минимальном значении емкости.

В предлагаемой конструкции это достигается тем, что в варикапе на основе системы МДП, содержащем полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод и узел стока неосновных носителей с p-n-переходом, область дырочной проводимости p-n-перехода узла стока неосновных носителей имеет глубину, равную толщине полупроводника, и выполнена в виде цилиндрического слоя, внутри которого расположена часть исходного полупроводника электронной проводимости, соединенная с управляющим электродом.

Выполнение области дырочной проводимости p-n-перехода узла стока неосновных носителей в виде цилиндрического слоя, охватывающего часть исходного полупроводника электронной проводимости (внутреннюю часть), а также имеющего высоту, равную толщине полупроводника, обеспечивает изоляцию друг от друга обеих частей полупроводника электронной проводимости. При этом торцевые поверхности цилиндрического слоя изолированы от электродов и контактов слоями диэлектрика. Таким образом обеспечена полная изоляция внутренней части полупроводника электронной проводимости от исходного полупроводника.

На Фиг.1 представлена конструкция предлагаемого прибора, на Фиг.2 - его эквивалентная схема.

Прибор содержит полупроводник 1 электронной проводимости, выполненный в виде полупроводниковой пластины, диэлектрик 2, управляющий электрод 3, область дырочной проводимости 4 узла стока, вспомогательный диэлектрик 5 и контакт к полупроводнику 6 (Фиг.1). Эквивалентная схема прибора представлена на Фиг.2, где С₀ - удельная емкость диэлектрика; C_SC - емкость области пространственного заряда полупроводника; R _S - последовательное эквивалентное сопротивление прибора; D₁ - р-n-переход узла стока между внутренней областью полупроводника и цилиндрическим слоем дырочной проводимости; D₂ - р-n-переход узла стока между полупроводником и внешней плоскостью цилиндрического слоя дырочной проводимости.

Принцип действия предлагаемого прибора состоит в следующем.

При подаче на управляющий электрод 3 положительного управляющего напряжения в приповерхностной области полупроводника 1 реализуется режим обогащения приповерхностной области основными носителями и емкость прибора C_H=C ₀S,

где С_H - номинальное значение емкости прибора;

С₀ - удельная емкость диэлектрика 2;

S - площадь управляющего электрода 3.

В этом случае р-n-переход D₁ включен в обратном направлении, а р-n-переход D₂ - в прямом, и ток проводимости через прибор определяется обратным током диода D₁, что обеспечивает возможность использования прибора в качестве одного из состояний емкостного ключа.

При подаче на управляющий электрод отрицательного напряжения смещения диод D₁ включен в прямом направлении, а диод D₂ - в обратном. В этом случае реализуется режим стока неосновных носителей из области пространственного заряда полупроводника, и при полном обеднении полупроводника неосновными носителями реализуется второе стабильное состояние прибора, позволяющее использовать его в качестве емкостного ключа. Использование в конструкции двух встречных p-n-переходов обеспечивает отсутствие шунтирующих токов проводимости при всех режимах работы варикапа.

Вспомогательный диэлектрик 5 конструктивно расположен в области локализации узла стока неосновных носителей, обеспечивает изоляцию и устраняет влияния поверхностных токов утечки вдоль обратной поверхности полупроводника на параметры прибора.

Таким образом, разработана конструкция варикапа на основе системы МДП, обеспечивающая возможность его использования в качестве емкостного ключа и настроечного элемента в широком классе ВЧ и СВЧ приборов. Прибор может быть изготовлен с использованием стандартных технологических процессов.