Кремнієвий надвисокочастотний р-i-n діод

Кремнієвий надвисокочастотний р-i-n діод, який містить в собі вісесиметричну структуру з високоомного кремнію і-типу, на протилежних поверхнях якої сформовані два сильнолеговані шари + + р - та n -типу провідності та омічні контакти до них, на які нанесені з'єднувальні шари з приєднаними електричними виводами та багатошаровий діелектрик, який покриває поверхню частини кре+ мнію, вільну від контактної системи до сторони р , який відрізняється тим, що кільцева поверхня ікремнію, вільна від металізації, виконана вісесиметрично з розвиненою поверхнею, причому геометрична форма і параметри і-кремнію та діелектричного покриття визначаються співвідношенням: 2 3 Raytheon Company, Lexington, Mass та HewlettPackard Company, Paolo Alto, Calif. відповідно. У цих роботах показані ефективні способи і варіанти конструктивних рішень для створення напівпровідникових структур р-i-n типу з мінімальними паразитними ємностями та омічними втратами. Основний недолік розглянутих технічних рішень - це низькі пробивні напруги при перемиканні високих рівнів НВЧ потужності. Найбільш близькою за суттю до технічного рішення, що заявляється, є конструкція безкорпусного кремнієвого НВЧ р-i-n діода, яка описана в деклараційному патенті на корисну модель [Болтовець М.С., Кривуца В.А., Личман К.О., Николаенко Ю.Е., Суворова Л.М. Безкорпусний кремнієвий надвисокочастотний p-i-n-діод. деклараційний патент України на корисну модель № 30533, МКИ7 H01L; 21/02, 21/04, 29/86. Опубл. 25.02.2008, бюл. №4, 2008 p., Заявник ДП НДІ «Оріон»]. Це технічне рішення взято за прототип. Вказане технічне рішення містить кремнієвий кристал з високоомної напівпровідникової пластини і-типу, на протилежних поверхнях якої сформовані два сильно леговані шари р+- та n+-типу провідності і омічні контакти до них, смушковий вивід та діелектричне захисне покриття. Кремнієвий кристал виконано у вигляді чіпа, а бічну поверхню р-n переходу чіпа методом травлення в р-n переході кільцевої структури заданої глибини виконано у формі трьохступеневої сфери, при цьому на бічну поверхню р-i-n діода методом вакуумного напилення створено додатковий захисний шар діелектричного покриття, товщина якого не перевищує 1мкм, а загальна глибина витравлених кілець складає не менше 1/4 товщини шару бази діода. Товщина діелектричного захисного покриття складає 10-70мкм. Прилад виготовлений згідно цьому патенту може перемикати великі рівні НВЧ потужності, але має свої недоліки при експлуатації при більш високих частотах. При роботі р-i-n діоду в короткохвильовому НВЧ діапазоні електрична міцність кільцевої зони кремнію, вільної від металізації знижується. В цих умовах для збереження високих рівнів НВЧ потужності необхідно збільшувати ширину кільцевої зони. З другого боку, для підвищення рівня НВЧ перемикаючої потужності необхідно збільшувати площу поверхні кільцевої зони, що веде до збільшення паразитних ємностей, які визначаються товщинами і-кремнію, діелектричного покриття та діелектричними проникностями кремнію та діелектрика. Збільшення паразитних ємностей в свою чергу веде до зниження граничної частоти, вище якої ефективність перемикаючого діода в керуючих пристроях НВЧ різко зменшується. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлена мета удосконалення безкорпусного кремнієвого НВЧ р-i-n діоду шляхом оптимізації елементів конструкції, форми та геометричних параметрів шарів і-кремнію і діелектрику, вільних від металізації для досягнення технічного результату: збільшення пробивної напруги діода і зв'язаного з нею збільшення потужності перемикача НВЧ сигналу. 48718 4 Вказана мета досягається за рахунок того, що в відомому безкорпусному кремнієвому НВЧ р-i-n діоді, який містить в собі вісесиметричну структуру з високоомного кремнію і-типу на протилежних поверхнях якої сформовані два сильнолеговані + + шари р - та n -типу провідності та омічні контакти на які нанесено з'єднувальні шари з приєднаними електричними виводами та багатошаровий діелектрик, який покриває поверхню частини кремнію, вільну від контактної системи до сторони р+, який відрізняється тим, що з метою досягнення високих рівнів НВЧ потужності, кільцева поверхня ікремнію, вільна від металізації виконано вісесиметрично з розвиненою поверхнею, причому геометрична форма і параметри і-кремнію та діелектричного покриття визначаються співвідношенням: d1 d2 i 1 kpCi g S S Ri2 Ci R r 2 , де: S - площа контакту кремнію і-типу та діелект2 2 рика, S 1 D2 D1 , м ; 2 4 D1 - діаметр р-i-n структури, м; D2 - зовнішній діаметр приладу, м; d1 - товщина шару і-кремнію, м; dg - товщина шару захисного діелектрика, м; i - діелектрична проникність кремнію і-типу; g - діелектрична проникність захисного шару; 1 , R R S 2 2 kpCi Ri Ci - ємність p-i-n структури, Ф; Ri - опір і-шару в складі р-i-n структури, Ом; + + Rs - опір втрат в р та n шарах і в контактній системі, Ом; кp=2 fкp - кругова критична частота, яка визначає поріг ефективності роботи діода при його використанні в пристроях НВЧ, ГГц; r - опір і-шару в режимі прямого включення, Ом. Новими відрізняючими ознаками, які має корисна модель, що заявляється в порівнянні з прототипом є вдосконалення р-i-n діоду шляхом виконання кільцевої зони і-кремнію і захисного діелектрика, вільної від металізації, відповідної оптимальної форми з необхідними електричними параметрами при заданій критичній частоті перемикання. Ці ознаки є суттєвими і дають змогу одержати технічний результат, що заявляється - збільшити пробивну напругу та підвищити НВЧ потужність, яка комутується р-і-n діодом. Можливість створення корисної моделі і доказ співвідношення геометричних параметрів, що заявляються, підтверджується наступними кресленнями. Фіг.1. Схема заміщення р-i-n діоду з урахуванням ємностей розсіювання та без впливу індуктивностей електричних виводів. Фіг.2. Перетворена схема заміщення р-i-n діоду з урахуванням ємностей розсіювання. Фіг.3. Схематичне зображення вісьового перерізу р-i-n діоду з ознаками, що заявляються. 5 48718 Фіг.4. Варіант виконання р-i-n діоду для перемикання великих НВЧ потужностей з кільцевою канавкою. Фіг.5. Варіант виконання р-i-n діоду для перемикання великих НВЧ потужностей з кільцевим виступом. Для доказу співвідношення, що заявляються розглянемо відому еквівалентну схему заміщення р-i-n діоду, яка приведена в роботі [А.К. Балыко, О.В. Залялутдинова, Б.М. Ольчев, Н.И. Юсупова. Выключатели и аттенюаторы на p-i-n диодах. Серия 1. Электроника СВЧ. Выпуск 7 (1626). Москва ЦНИИ «Электроника», 1991 г.]. В цій схемі параметри р-i-n діоду означені таким чином: опір і-шару через Ri, ємність р-i-n структури через Ci, опір + + втрат в р - та n -області і в контактних системах через RS. Так як тут розглядається безкорпусний варіант приладу, то ємність корпусу Ср відсутня, а замість неї виникає ємність розсіювання, яка зумовлюється ємністю і-кремнію СП, вільного від металізації та ємністю CS захисного діелектричного шару. В цьому варіанті виконання приладу індуктивність електричних виводів Lg відсутня. Таким чином еквівалентна схема заміщення безкорпусного р-i-n діоду матиме вигляд, як показано на фіг.1. Для одержання співвідношення, яке заявляється цю схему з урахуванням СП і CS перетворимо на еквівалентну схему, приведену на фіг.2. При зворотному зміщенні на діоді опір Ri різко зростає і також зростає роль ємності Ci. Тоді параметри еквівалентної схеми: C Ci 1 R 1 1 2 2 2 kpCi Ri Ri 2 2 2 kpCi Ri RS Ci (1) RS 1 2 2 2 kpCi Ri (2) В режимі прямого вмикання омічний опір: r RS Riпр (3) З рівнянь (1), (2), і (3) вираз для критичної частоти має вигляд: 1 (4) f 2 C r R Для надійної роботи р-i-n діоду необхідно щоб напруженість робочого електричного поля на поверхні 1 D1 D2 , фіг.3, була в два рази менше 2 пробивної напруженості, необхідно збільшувати величину 1 D1 D2 , що веде до збільшення 2 паразитної ємності. При деякому зміненні ємності розсіювання (CS, СП), фіг. 3, відбувається закорочення перемикаючої частини D1 p-i-n діоду. Ємність розсіювання складається з ємності ікремнію, вільного зі сторони від металізації товщиною d1 та з ємності діелектричного захисного шару 1 кільцевої зони товщиною d2. Тоді ємність розсіювання буде мати вигляд: 6 S Cроз d1 d2 i (5) g де: 1 2 D2 D1 - площа кільцевої зоні, від ме2 4 2 талізації, м ; і - діелектрична проникність кремнію і-типу; g - діелектрична проникність захисного шару; Модуль імпедансу активної частини р-i-n діоду згідно еквівалентної схеми на фіг.2 матиме вигляд: S Z1 R 2 1 kpC0 2 (2) Паразитний опір ємності розсіювання: 1 (7) Z2 kpCроз Для надійного виконання функції перемикання необхідно, виконання нерівності: Z2