В. В. Чикун емкость смесительных диодов с балочными выводами

Вид материала

Документы

Содержание Электронная техника. сер. электроника свч, вып. 8(442), 1991 2. Влияние встроенного заряда в диэлектрике на емкость диода Y(x) (и со­ответственно dx/dY) Т — температура диода; k —

Подобный материал:

• Полупроводниковые диоды. Вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов., 140.49kb.
• Лекция №14, 53.98kb.
• План работы; краткое содержание разделов курсовой работы с выводами; практическая значимость, 21.25kb.
• 1992 physics and technics of semiconductors vol. 26. N 6 Вольт-амперные характеристики, 37.12kb.
• 1 Основные особенности лавинно-пролетных диодов, 181.17kb.
• Методические указания к лабораторным работам по курсу «Электроника», 384.45kb.
• Воспитательное мероприятие, 79.01kb.
• Б. М. Зуев Проектирование смесительных производств, 1375.76kb.
• Виды пломб и их назначение, 236.55kb.
• Домашнее задание: Расчет и выбор элементов транзисторных шип для управления электромашинами, 94.26kb.

УДК 621.382.2.029.64

В. В. Чикун

ЕМКОСТЬ СМЕСИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ С БАЛОЧНЫМИ ВЫВОДАМИ

Рассмотрено влияние встроенного заряда в диэлектрике на емкостные характеристики диодов. Показана связь емкости с сопротивлением слоя под диэлектриком.

КС: смесительный диод, МДП-емкость 1.ВВЕДЕНИЕ

При изготовлении смесительных диодов для работы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн возрастают требования к их емкости. В то же время стремление повысить жесткость крепления, а также условия примене­ния диодов в монолитных схемах требуют исполь­зования балочных выводов, повышающих емкость диодов. Основным ее источником является емкость между выводом анода и проводящими слоями по­лупроводника. Для снижения этой емкости обыч­но обеспечивают либо минимальное их перекры­тие, либо максимальную толщину диэлектрика. Однако второй способ имеет свои технологические пределы (обычно толщина диэлектрика не превы­шает 0,3 ... 0,6 мкм). Снизить площадь перекры­тия анодной балки с проводящими слоями полу­проводника можно тремя основными способами. Во-первых, можно точно задать местоположение высокопроводящих слоев с помощью ионной им­плантации легирующих примесей в полунзолирующую подложку полупроводника [I], во-вторых, ис­пользовать для изоляции воздушные мосты [2], в-третьих, изготавливать диоды на высоких мезаструктурах [З].

В первом случае требуются источники ионных пучков с энергией более 500 кэВ, поэтому данный способ не нашел широкого применения. Наиболее распространены смесительные диоды, изготовлен­ные либо с использованием мезаструктур, либо воздушных мостов. Диоды на мезаструктурах бо­лее технологичны и легко интегрируются в моно­литные схемы. Основное достоинство диодов с воздушными мостами — их низкая емкость. Од­нако сопоставление емкостей, вычисленных на основе простейших теоретических расчетов, пока­зывает, что в обоих случаях результаты должны

быть близки. Причина расхождения теории с экс­периментом до настоящего времени остается невы­явленной.

В данной работе показано, что источником МДП-емкости является анодная балка, лежащая на полуизолирующей подложке.

2. ВЛИЯНИЕ ВСТРОЕННОГО ЗАРЯДА В ДИЭЛЕКТРИКЕ НА ЕМКОСТЬ ДИОДА

Рассмотрим фрагмент смесительного диода, из­готовленного на мезаструктуре (рис. 1), где в качестве диэлектрика используется Si02. В SiO2 постоянно присутствует положительный заряд, ко­торый наводит под диэлектриком в полуизолирую­щей подложке полупроводника высокопроводящий слой, замкнутый на n⁺-слой. В результате металл, лежащий на SiO2, образует с полупровод­ником МДП-емкость. Поскольку при уменьшении концентрации встроенного заряда сопротивление высокопроводящего слоя растет, а следовательно, вклад МДП-емкости в электрические характеристики

где — удельное сопротивление полуизолирую­щей подложки.

Для того чтобы найти зависимость Y(x) (и со­ответственно dx/dY), необходимо решить одно­мерное уравнение Пуассона:



или в безразмерных переменных



нирования.

Подставляя (2) в (1) и учитывая, что в боль­шинстве случаев _S>1 В [4], найдем



Рис. 1. Смесительный диод на мезаструктуре

прибора снижается, важно оценить сопротив­ление этого слоя. Это можно сделать, учитывая экспоненциальную зависимость концентрации но­сителей заряда от потенциала. В этом приближе­нии



где Y=q/kT; q — заряд электрона; _e(n₀)— подвижность (концентрация) электронов в объеме полуизолирующей подложки; _p(p₀)— подвиж­ность (концентрация) дырок; h — ширина метал­лического проводника; L(x) — длина (толщина) слоя области пространственного заряда (ОПЗ);

 — изгиб зон; _S— изгиб зон на границе разде­ла полупроводник—диэлектрик; Т — температура диода; k — постоянная Больцмана; х — координа­та (рис. 1).

В случае _en₀e^Y>> _pp₀e^-Y влиянием дырок можно пренебречь, тогда



где Со — МДП-емкость на единицу длины слоя ОПЗ; Ro — сопротивление высокопроводящего слоя в полуизолирующей подложке на единицу длины слоя.



Рис. 2. Эквивалентная схема МДП-емкости

Решая ее и вводя эквивалентную схему распре­деленной МДП-емкости в виде двух последова­тельно соединенных элементов (активного сопро­тивления R₁ и емкости C₁), получим:

При выполнении условия Ь<4 данные зависи­мости упрощаются:



Поскольку R\ и С\ являются последовательно соединенными элементами, реальный вклад C₁ в паразитную емкость барьера определяется как



Рассчитанные зависимости С₂ от частоты при­ведены на рис. 3. Из рисунка видно, что, увели­чивая R₁, можно значительно снизить паразитную МДП-емкость. Частотные зависимости показыва­ют, что хотя и наблюдается снижение С₂, однако емкостная проводимость по-прежнему растет с увеличением частоты.



Рис. 3. Частотная зависимость МДП-емкости:

/ _ С₀₌2-10 ^–9 ф/м, L=5\0~^sм, /Ro-=2 lO⁶ Ои/м; 2 — Co=2-lO^-9 Ф/m. /L-5.10 ^–9 , R₀=2.10' Ом/м; 3 - Со=2.10-⁹ф/м. /.L=3.10^-5 м. R₀=-2.10^е Ом/м- 4—Cn==2•10-^» ф/м. /L=3 10-⁵ м, R₀ =3.10⁴ Ом/м; 5—C₀=6•10-⁹ Ф/м. L=3.10^-5 м. R₀,-3.10⁴ Ом/м: 6 — Со=б.10-9 ф/м. L==3-10^-5 м. /R₀=2 10⁶ Ом/м

Для экспериментального доказательства влия­ния встроенного заряда в диэлектрике на характе­ристики диода сопоставлены емкости диодов с различной формой анодной балки (рис. 4). Диоды с балкой, изображенной на рис. 4,а, имели пол­ную емкость 50 фФ, на рис. 4,6 — 65 фФ, а на ди-­

Рмс. 4. Формы сравнивае­мых анодных балочных вы­водов
одах с воздушными мостами — 15 фФ. Различие емкостей (~35...50 фФ) равно по порядку вели­чины МДП-емкости, полученной в наших расчетах



(рис. 3). Таким образом, вкладом МДП-емкости можно объяснить различие теоретических и экс­периментальных значений емкостей диодов с ба­лочными выводами. Для уменьшения этой емкос­ти необходимо либо снижать встроенный заряд в диэлектрике, либо уменьшать концентрацию n₀ например, создавая полунзолирующую подложку с проводимостью р-типа, либо изготавливая дио­ды с воздушными мостами.

3. ВЫВОДЫ

1. Встроенный положительный заряд в SiO₂ м наведенный им высокопроводящий слой в полупро­воднике оказывают значительное влияние на ем­костные характеристики смесительных диодов с балочными выводами.

2. Учет МДП-емкости в структуре металл— Si0₂—полупроводник позволяет улучшить совпа­дение теоретически рассчитанной емкости с экс­периментальной.

3. При повышении рабочей частоты прибора наблюдается снижение МДП-емкости.

ЛИТЕРАТУРА

1 S ii r r i d g e R. K., Summers J. G., Woodcock J. М. Planar GaAs Mott low noise mm-wave (35 and 85 GHz) mixer dioder // 11-th European Microwave Conferee-ce 81. — Amsterdam. — Sept. 1981. — P. 871—878.

2. Anovel wiskerless Schottky diode for millimeter and sub-millimeter wave application/W L. Bishop, К. М. Kin»ey, R. J. M a 11 a u с h а. о. // IEEE. — 1987.

3. Hih-performance millimetre-wave mixer diodes sabri-cated using a deeo mesa etch approach / J. L. H e a t о n, W. Fabian, F. S p о о n e r, E. H. Kraemer // Electr. Letter. — 1983. — Vol. 19, No 19. — P. 749-750.

4. Properties and thermal stability of the SiOa / GaAs interface with different surface treatments / A. Paccagnel-la, А. С a 11 e g a r i, J. В a t e y, D. L а с e у // Appl. Phys. Letter. — 1990. — Vol. 57, No 3. — P. 258—260.

Стштья поступила 15 марта Iff 91 s,