Керований струмом напівпровідниковий резистор

Реферат: Керований струмом напівпровідниковий резистор на основі прямозміщеної структури із сильнолегованими р- та n-шарами, в якому р-n-структуру формують на основі подвійної гетероструктури InxGa1-xN/AlyGa1-yN, де 0,05х0,25, 0,1у0,2 із шарами емітерів електронів, 19 17 -3 легованих Si, та дірок, легованих Mg, до концентрацій не нижче ~ 1·10 і ~ (5-7)·10 см , відповідно. Вони забезпечують переважно тунельний механізм струмоперенесення нерівноважних носіїв заряду в області робочих струмів, а також активного базового шару товщиною ~ (50-100) нм, спільно легованого Zn і Si, до концентрації електронів не нижче ~ 18 -3 1·10 см . UA 114943 U (54) КЕРОВАНИЙ СТРУМОМ НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ РЕЗИСТОР UA 114943 U UA 114943 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області напівпровідникової електроніки і може бути використана для застосувань переважно у ВЧ атенюаторах і перемикачах як керований струмом резистор. Серед усього різноманіття напівпровідникових резисторів найбільш широко поширені конструкції на основі р-i-n діодів для застосування їх як керованих струмом високочастотних резисторів, оскільки вони мають широкий діапазон залежності диференціального опору від струму при прямому зміщенні, що характеризується доброю лінійністю [Authony Abajian, Variable resistance attenuator: US Patent №. 4216445, 1980]. В даному прикладі для застосувань в атенюаторах як керований струмом опір використовується керований струмом ВЧ діодний резистор HP 5082-3080 на основі кремнію фірми Hewlett-Packard - аналог [PIN Diodes for RF Switching and Attenuating, Technical Data, Hewlett Packard, 1998]. Диференціальний опір такого діода змінюється від ~ 1 Ом при прямому струмі ~ 100 мА до ~ 10 кОм при струмі ~ 1 мкА. Однак суттєвим недоліком такого приладу є вузький експлуатаційний температурний діапазон (від -65 °C до +150 °C) через те, що він виготовлений на основі Si. Крім цього нижнє значення робочого струму при прямому зміщенні для такого резистора обмежується ~ 1 мкА. Також відомий р-i-n діод MGPN1503 фірми М/А-СОМ Technology Solutions, Inc. виготовлений на основі GaAs [MGPN Series GaAs PIN Diodes, Rev. VI, Datasheet, M/A-COM Technology Solutions, Inc.]. При прямому струмі ~ 100 мА його диференціальний опір становить ~ 1 Ом і практично лінійно змінюється до ~ 1 кОм при зменшенні струму до ~ 10 мкА. Проте максимальна робоча температура переходу такого напівпровідникового діода становить усього лише +175 °C, а нижнє значення робочого струму при прямому зміщенні становить ~ 10 мкА. Найбільш близьким технічним рішенням є р-i-n діод МА4Р278 на основі прямозміщеної кремнієвої структури фірми М/А-СОМ Technology Solutions, Inc. [SMPP Series Surface Mount Plastic PIN Diodes, Rev. V22, Datasheet, M/A-COM Technology Solutions, Inc.]. Його диференціальний опір змінюється від ~ одиниць Ом при прямому струмі ~100 мА до ~20 кОм при струмі ~1 мкА. Типова залежність диференціального опору Rd даного діода від прямого струму I, що протікає по ньому, представлена на Фіг. 1. Ключовим недоліком прототипу є те, що діапазон його робочих температур знаходиться в межах від -65 до +175 °C. А мінімальне значення робочого струму в прямому зміщенні становить ~ 1 мкА. В основу корисної моделі поставлено задачу створити керований струмом напівпровідниковий резистор, який буде мати більш широкий діапазон робочих температур, зможе функціонувати в області більш низьких значень струмів при прямому зміщенні, буде мати лінійну залежність диференціального опору від прямого струму в логарифмічному масштабі, яка суттєво розширена в область більших значень опору, а також концептуально не обмежений структурою р-i-n діода. Поставлена задача вирішується тим, що в керованому струмом напівпровідниковому резисторі на основі прямозміщеної структури із сильнолегованими р- та n-шарами, р-n структуру формують на основі подвійної гетероструктури In xGa1-xN/AlyGa1-yN, де 0,05х0,25, 0,1у0,2 із шарами емітерів електронів, легованих Si, та дірок, легованих Mg, до концентрацій не нижче ~ 19 17 -3 1·10 і ~ (5-7)·10 см , відповідно, які забезпечують переважно тунельний механізм струмоперенесення нерівноважних носіїв заряду в області робочих струмів, а також активного базового шару товщиною ~ (50-100) нм, спільно легованого Zn і Si, до концентрації електронів 18 -3 не нижче -1·10 см . Істотною відмінністю запропонованого керованого струмом напівпровідникового резистора є те, що він виконаний на основі більш широкозонної, ніж Si та GaAs подвійної гетероструктури InxGa1-xN/AlyGa1-yN. Це дозволяє значно розширити його робочий температурний діапазон від ~15 К до ~620 К. Іншою важливою відмінністю запропонованого приладу є те, що він здатний функціонувати -10 при істотно більш низьких значеннях керуючих струмів ~ 1·10 А. Додатковою особливістю даного пристрою є значний зсув його робочої характеристики (Rd=f(I)) в область більш високих значень опору в порівнянні з існуючими рішеннями (див. Фіг. 2). Також слід зазначити, що даний прилад виконаний на основі р-n структури, що дозволяє не обмежуватися лише конструкціями р-i-n діодів при виборі приладової структури для виготовлення керованого струмом напівпровідникового резистора. Проілюструємо роботу запропонованого керованого струмом напівпровідникового резистора як керуючого елемента ВЧ атенюатора. 1 UA 114943 U 5 Розглянемо схему ВЧ атенюатора (див. Фіг. 3) для розрахунку залежності значень + + диференціального опору p -n InGaN/AlGaN діода від керуючого струму, що протікає в прямому напрямку, в області тунельного струмоперенесення. На вхід атенюатора подається змінний сигнал UВХ, який через RC коло надходить на прямозміщений діод D (зміщення подається від постійного струму І=var.). Вихідна напруга UВИХ знімається з діода D. Виберемо: -8 -2 I=10 А (10 мкА), R=1 МОм, Т=300 К, С=10 пФ, f=100 МГц. Реактивний опір конденсатора малий в порівнянні з R: (1/(ωC)