БЕЗКОРПУСНИЙ КРЕМНІЄВИЙ НАДВИСОКОЧАСТОТНИЙ Р-І-N-ДІОД
Корисна модель належить до виробів напівпровідникової НВЧ-електроніки, зокрема, до виготовлення високовольтних р-і-n-діодів і найбільш ефективно може бути використана при розробці напівпровідникових керуючих НВЧ-пристроїв, а
саме перемикачів, фазообертачів, модуляторів тощо. Наявність таких діодів дозволяє забезпечити високі рівні комутованої потужності в сучасних гібридних інтегральних схемах НВЧ-діапазону [див., наприклад. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ-фазовращатели и переключатели. М.: Радио
и связь, 1984, с.155-157]. Проте існують проблеми, що обмежують електричну міцність керуючих діодів, серед них такі, як усунення поверхневого пробою при зворотній напрузі шляхом зменшення напруженості електричного поля і струми витоку p-n-переходу.
Відома конструкція безкорпусного кремнієвого надвисокочастотного р-і-n-діода, найбільш близька за технічною суттю до конструкції, яка заявляється і представлена в роботі Либерман Л.С., Сестрорецкий Б.В. и др. Полупроводниковые диоды для
управления СВЧ -мощностью. -Радиотехника, т.27, №5, 1972, с.17-18. Вказана конструкція містить кремнієвий кристал з високоомного напівпровідникового матеріалу, на протилежних поверхнях якого сформовані два сильнолегованих шара p+- і n+ -типу провідності та омічні контакти до них. Захищений шаром діелектрика кристал розміщено на металевій основі, а до протилежного омічного контакту приєднано смужковий вивід. В прототипі використані кристали швидкодіючого р-і-n-діода планарної конструкції з низькою пробивною напругою. Це не дозволяє цей діод реалізувати для комутації високих рівнів потужності в керуючих пристроях НВЧ-діапазону. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлена задача удосконалення безкорпусного кремнієвого р-і-n-діода. надвисокої частоти шляхом оптимізації конструкції і геометричних розмірів напівпровідникового кристала для досягнення такого
технічного результату: збільшення пробивної напруги до теоретично розрахованої при збереженні інших електричних параметрів. Вказана задача вирішується за рахунок того, що у відомому безкорпусному надвисокочастотному р-і-n-діоді, що містить кремнієвий кристал із високоомної напівпровідникової пластини, на протилежних поверхнях якого сформовані два
сильнолегованих шара p+- і n+
-типу провідності і омічні контакти до них, металеву основу, смужковий вивід і захисне покриття, відповідно до корисної моделі, вказаний кремнієвий кристал виконано у вигляді псевдосфери шляхом двостороннього ізотропного травлення
напівпровідникової структури р+-nі-n+- або р+-рі-n+- типу із симетричними омічними контактами, при цьому товщина високоомної (р>500Oм·см) ni- або рі
- зони визначає величину теоретично розрахованої пробивної напруги, а металева основа має бортики, які забезпечують формування кремнійорганічного захисного покриття у вигляді півсфери. Технічне рішення, яке заявляється, характеризується новими ознаками, а саме: виконання кремнієвого кристала у вигляді псевдосфери із певною товщиною ni,- або pi
-зони, а також форма металевої основи забезпечують відповідність корисної моделі, що заявляється, критерію “новизна”. Ці ознаки дозволяють досягти технічний результат, що заявляється - збільшення пробивної напруги, яка пояснюється у такий спосіб. Отримання високих рівнів пробивної напруги р-і-n-діода звичайно обмежується поверхневим пробоєм при зворотній
напрузі, яка виникає, коли напруженість електричного поля в зоні р-n-переходу перевищує деяку критичну величину, яка визначається шириною зони просторового заряду (ОПЗ) p-n-переходу. Тому усунення поверхневого пробою зводиться до зменшення
напруженості електричного поля. З існуючих способів зниження величини електричного поля на поверхні p-n-переходу найбільш ефективним методом для високовольтних приладів є створення певної геометричної форми поверхні напівпровідникового кристала в
місці виходу p-n-переходу, а саме скошування переходу під деяким кутом, іншими словами, створення фаски. В корисній моделі, яка заявляється, пропонується профіль травлення бокової поверхні p+-ni (р+-pi
) - і n+ -nі (n+-рі
) -переходів, який є комбінацією двох прямих фасок. Цей профіль після розтравлення структури на кристали має назву псевдосфери, а його поверхня математично описується параметричними рівняннями трактрисси:
, де - висота трактрисси;
- кут, складений відрізком дотичної довжини, яка дорівнює висоті трактрисси, з позитивним направленням осі абсцис
. Кут і протяжність фаски псевдосфери визначаються завтовшки високоомної nі- або рi- зони (базою). Отримання оптимального варіанту даного профілю травлення дозволяє максимально наблизити величину пробивної напруги р-i-n-діода до теоретично розрахованої. При цьому необхідно забезпечити захист поверхні таким чином, щоб характеристики
діодів не змінилися в процесі тривалої експлуатації. Це досягається стабілізацією властивостей поверхні фаски шляхом нанесення на неї кремнійорганічного захисного покриття. Покриття формується у вигляді півсфери, для чого металева основа має
бортики. Для підтвердження можливості здійснення корисної моделі додається креслення (Фіг.1), на якому зображений безкорпусний надвисокочастотний р-і-n-діод в розрізі. Напівпровідниковий надвисокочастотний р-і-n-діод містить позолочену мідну основу 1 з бортиком 2. До основи припаяний кремнієвий кристал у вигляді псевдосфери 3, яка містить p+- і n+
-переходи 4 і симетричні омічні контакти 5. До протилежного омічного контакту за допомогою розщепленого електрода приєднаний мідний позолочений смужковий вивід 6. Кристал має захисне покриття 7 у вигляді півсфери. Кремнієвий кристал з поверхнею псевдосфери отримано методом двостороннього ізотропного травлення напівпровідникової p+-ni-n+- або p+-рi-n+
-структури із симетричними омічними контактами, p+-ni (р+-рі) - і n+-ni (n+-рi
) - переходи якої отримані методом одночасної двосторонньої дифузії бору і фосфору у високоомний (р>500Ом·см) кремній на глибину ~(3-4)мкм з подальшим тривалим геттерующим відпалом при температурі ~800°С. Р-і-n-діод працює таким чином. Робота перемикального діода заснована на зміні імпедансу р-і-n-структури під дією зміни зовнішньої напруги. В перемикачах, фазообертачах діод використовується у двох робочих станах: один відповідає певному прямому зсуву, інший -
зворотному або нульовому зсуву. Таким чином, запропонована конструкція р-і-n-діода дозволяє за рахунок усунення поверхневого пробою підвищити електричну міцність р-і-n-діода і наблизити пробивну напругу до теоретично розрахованої. Як показав експеримент, запропонована
конструкція безкорпусного надвисокочастотного р-і-n-діода забезпечує пробивні напруги від 300 до 1500В при товщині базового шару від 30 до 120мкм, що дозволяє збільшити рівні комутованої потужності.
Безкорпусний кремнієвий надвисокочастотний р-і-n-діод містить кремнієвий кристал із високоомної напівпровідникової пластини, на протилежних поверхнях якої сформовані два сильнолегованих шари p+- і n+
-типу провідності і омічні контакти до них, металеву основу, смужковий вивід, захисне покриття. Кремнієвий кристал виконано у вигляді псевдосфери методом двостороннього ізотропного травлення напівпровідникової структури p+-ni
-n+- або p+-pi-n+-типу із симетричними омічними контактами. Товщина високоомної (ρ > 500 Ом·м) nі- або рі
-зони визначає величину теоретично розрахованої пробивної напруги, а металева основа має бортики, що забезпечують формування кремнієорганічного захисного покриття у вигляді півсфери. Безкорпусний кремнієвий надвисокочастотний р-і-n-діод, що містить кремнієвий кристал із високоомної напівпровідникової пластини, на протилежних поверхнях якої сформовані два сильнолегованих шари p+- і n+
-типу провідності і омічні контакти до них, металеву основу, смужковий вивід, захисне покриття, який відрізняється
тим, що кремнієвий кристал виконано у вигляді псевдосфери методом двостороннього ізотропного травлення напівпровідникової структури p+-ni-n+- або p+-pi-n+
-типу із симетричними омічними контактами, при цьому товщина високоомної () nі- або рі
-зони визначає величину теоретично розрахованої пробивної напруги, а металева основа має бортики, що забезпечують формування кремнієорганічного захисного покриття у вигляді півсфери. Офіційний бюлетень "Промислоава власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних мікросхем", 2005, N 8, 15.08.2005. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України.