DE3046815A1 - SEMICONDUCTOR ARRANGEMENT FOR HIGH FREQUENCY POWER LIMITATION - Google Patents
SEMICONDUCTOR ARRANGEMENT FOR HIGH FREQUENCY POWER LIMITATIONInfo
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Description
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PHP.79599 / 20.11.80PHP.79599 / 11/20/80
"Halbleiteranordnung zur Hochfrequenzleistungsbegrenzung11."Semiconductor arrangement for high frequency power limitation 11 .
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung zur Hochfrequenzleistungsbegrenzung mit einer auf einem Trägerkörper erzeugten einkristallinen Halbleiterschicht von einem bestimmten Leitungstyp, auf der nebeneinander zwei Dioden angeordnet sind, die zwischen zwei Anschlussleitern in Reihe und entgegengesetzt geschaltet sind. Die Erfindung umfasst das Gebiet der elektronischen Anordnungen und kann z.B. zum Schützen der Eingangsstufe von Empfängern, namentlich in Radarempfängem, verwendet werden, bei denen der Eingangstransistor durch Hochleistungsimpulse beschädigt werden kann.The invention relates to a semiconductor device for high frequency power limitation with a monocrystalline semiconductor layer of a certain conductivity type produced on a carrier body, on which two diodes are arranged next to each other, which are connected between two connecting conductors in series and in opposite directions are. The invention encompasses the field of electronic devices and can be used, for example, for protecting the input stage of receivers, especially in radar receivers, in which the input transistor is damaged by high-power pulses can.
Leistungsbegrenzer nach bekannten Techniken sind im zahlreichen Ausführungen, unter denen Gasentladungs-Power limiters according to known techniques are in numerous designs, among which gas discharge
" röhrenbegrenzer und magnetische Begrenzer, beschrieben. Die letzteren Begrenzer sind schwer und nehmen viel Raum in Anspruch, während die ersteren Begrenzer auch viel Raum beanspruchen, aber vor allem eine zu lange Zündzeit für viele Anwendungen haben."tube limiters and magnetic limiters. The latter limiters are heavy and take up a lot of space, while the former limiters are also large claim, but above all have too long an ignition time for many applications.
Halbleiterbegrenzer weisen den Vorteil auf, dass sie eine gewisse Miniaturisierung mit sich bringen und in verschiedenen Ausführungsformen zur Verfügung stehen. Dabei treten in PIN-Diodenbegrenzern verhältnismässig grosse Verluste auf, die in bezug auf den Rauschpegel des Empfängers einen ungünstigen Einfluss ausüben. Um diesen Nachteil zu vermeiden, empfiehlt es sich, pn-Ubergangsdioden oder gemäss einem bestimmten Muster geschaltete Schottky-Dioden zu verwenden.Semiconductor limiters have the advantage that they bring a certain degree of miniaturization with them and are available in various embodiments. Relatively large ones occur in PIN diode limiters Losses which have an adverse effect on the noise level of the receiver. To this disadvantage too avoid, it is advisable to use pn junction diodes or Schottky diodes switched according to a certain pattern use.
Aus der Zeitschrift "Electronique Applications" Nr. 7, S. 93 - 96 ist ein Leistungsbegrenzer bekannt, der zwei in Reihe und entgegengesetzt geschaltete Zenerdioden enthält und zu dem Eingang eines Empfängers parallelgeschaltet ist. Diese Schaltung weist aber einigeFrom the magazine "Electronique Applications" No. 7, pp. 93 - 96 a power limiter is known, containing two series and oppositely connected zener diodes and to the input of a receiver is connected in parallel. However, this circuit has a few
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Nachteile auf, unter denen insbesondere die Tatsache, dass sie am Eingang des genannten -Empfängers Verluste herbeiführt, dadurch, dass sie einen gewisse Leistung aufnimmt.Disadvantages, among which in particular the fact that they are at the entrance of the said -receiver losses brings about by the fact that it absorbs a certain amount of power.
Aufgabenstellung der Erfindung ist es, die obenbenannten Nachteile zu beseitigen oder wenigstens zu verringern und dazu einen Leistungsbegrenzer mit kleinen Abmessungen anzugeben, der keine all zu grossen Verluste herbeiführt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper elektrisch praktisch isolierend ist und dass die Dicke und die Dotierungskonzentration der Halbleiterschicht derart gering sind, dass beim Anlegen einer Spannung zwischen den Anschlussleitern sich die Erschöpfungszone der in der Sperrrichtung geschalteten Diode bereits bei einer Spannung die niedriger als die Durchschlagspannung ist, über die ganze Dicke der Halbleitershicht erstreckt.The object of the invention is to eliminate or at least to eliminate the above-mentioned disadvantages and to specify a power limiter with small dimensions, which does not have too large losses brings about. The invention is characterized in that that the carrier body is electrically practically insulating and that the thickness and the doping concentration of the semiconductor layer are so small that when a voltage is applied between the connecting conductors, the Exhaustion zone of the switched in the reverse direction Diode already at a voltage lower than the breakdown voltage over the entire thickness of the Semiconductor layer extends.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Some embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. Show it:
Fig. 1 schematisch im Schnitt eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung,Fig. 1 shows schematically in section a semiconductor arrangement according to the invention,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung,FIG. 2 shows a plan view of another embodiment of a semiconductor arrangement according to FIG Invention,
Fig. 3 eine Schaltung mit einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung,3 shows a circuit with a semiconductor arrangement according to the invention,
Fig. 4 eine andere Ausführungsform einer Schaltung nach Fig. 3> undFig. 4 shows another embodiment of a Circuit according to Fig. 3> and
Fig. 5 eine Kurve, die die Änderung C = f(v) der Kapazität als Funktion der an die Klemmen der Anordnung nach der Erfindung angelegten Spannung darstellt.Fig. 5 is a curve showing the change C = f (v) represents the capacitance as a function of the voltage applied to the terminals of the arrangement according to the invention.
Die Halbleiteranordnung nach der ErfindungThe semiconductor device according to the invention
enthält zwei Dioden (im vorliegenden Beispiel vom planaren Typ), die auf bzw. in einer verhältnismässig dünnen Halbleiterschicht 2 angeordnet sind, wobei diese Schicht auf einem praktisch isolierenden Substrat 1 ruht.contains two diodes (in the present example of the planar Type), which are arranged on or in a relatively thin semiconductor layer 2, this layer rests on a practically insulating substrate 1.
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PHF. 79599 j# 20.11.80PHF. 79599 j # 11/20/80
Ein Halbleitermaterial, das für die Herstellung einer derartigen Anordnung geeignet ist, ist z.B. Galliumarsenid. Dieses Material weist nämlich Vorteile sowohl in bezug auf die elektrischen Eigenschaften (hohe Durchschlagspannung) als auch in bezug auf die elektronischen Eigenschaften (grosse Beweglichkeit der Ladungsträger) auf und kann praktisch isolierend gemacht werden (sogenanntes halbisolierendes Galliumarsenid). Die Dioden werden dadurch hergestellt, dass auf einem isolierenden oder halbisolierenden Substrat,- z.B. aus mit Chrom dotiertem Galliumarsenid, eine erste Schicht 2 aus z.B. n-leitendem Galliumarsenid und zwei Schicht teile 3 angewachsen werden, wobei diese Schichtteile entweder aus Galliumarsenid vom entgegengesetzten Leitungstyp, im vorliegenden Falle also vom p—Typ, bestehen können, wie dies bei der Herstellung von pn-Dioden der Fall ist, oder aus Metall, z.B. Aluminium, hergestellt sein können, was für die Herstellung von Schottky-Dioden zutrifft. Es sei bemerkt, dass das isolierende Substrat gegebenenfalls durch ein dotiertes Halbleitermaterial ersetzt werden kann, das aber künstlich durch einen z.B. auf der Unterseite der Anordnung liegenden pn— oder Schottky—Übergang verarmt ist. Da das Verfahren zur Herstellung der Anordnung für die Erfindung nicht wesentlich ist, wird es hier nicht näher beschrieben; der Fachmann kann dazu allgemein angewandte Techniken benutzen.One semiconductor material suitable for making such a device is, for example, gallium arsenide. This material has advantages both in terms of electrical properties (high breakdown voltage) as well as with regard to the electronic properties (great mobility of the charge carriers) and can be made practically insulating (so-called semi-insulating gallium arsenide). The diodes are thereby made that on an insulating or semi-insulating substrate, - e.g. made of chromium doped Gallium arsenide, a first layer 2 of e.g. n-conducting gallium arsenide and two layer parts 3 are grown, these layer parts either of gallium arsenide of the opposite conductivity type, in the present case that is, of the p-type, can exist, as in the case of manufacture of pn diodes is the case, or can be made of metal, e.g. aluminum, which is suitable for the Manufacture of Schottky diodes applies. It should be noted that the insulating substrate can optionally be replaced by a doped semiconductor material that but is artificially impoverished by a pn or Schottky junction located e.g. on the underside of the arrangement. Since the method of manufacturing the arrangement is not essential to the invention, it is not discussed here described; the person skilled in the art can use generally applied techniques for this purpose.
Nach einer in Fig. 2 im Draufsicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung greifen die Dioden ineinander ein, so dass ihre Oberflächen vergrössert werden und der Streuwiderstand zwischen den Dioden proportional herabgesetzt wird. Nach dieser Ausführungsform wird auf einem praktisch isolierenden Substrate 11 (aus z.B. GaAs) zunächst im mittleren Teil eine erste Halbleiterschicht 2' (aus z.B. η-leitendem GaAs) und dann in Form von zwei auf der Höhe der ersten Mittelschicht 21 ineinander eingreifenden Zonen eine zweite Schicht 31 (aus Metall oder von einem entgegengesetzten Leitungstyp) erzeugt. Die Ein- und Ausgangsanschlüsse sind in der Figur mit e bzw. s bezeichnet.According to an embodiment of the invention shown in plan view in FIG. 2, the diodes engage one another so that their surface areas are enlarged and the leakage resistance between the diodes is proportionally reduced. According to this embodiment, a first semiconductor layer 2 '(of, eg, η-type GaAs) and then in the form of two on the height of the first middle layer is at a practically insulating substrates 1 1 (of for example GaAs) first in the middle part 2 1 interengaging zones a second layer 3 1 (made of metal or of an opposite conductivity type) is produced. The input and output connections are denoted by e and s in the figure.
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PHF. 79599 ' X 20.11.80*PHF. 79599 'X 11/20/80 *
In Fig. 3 ist veranschaulicht, vie ein derartiger Leistungsbegrenzer in eine Schaltung aufgenommen wird. Das Bezugszeichen Q bezeichnet einen Vierpol; der Leistungsbegrenzer nach der Erfindung ist in Reihe mit einer Eingangsklemme des genannten Vierpols angeordnet, während die andere Eingangsklemme an Erde gelegt ist.FIG. 3 illustrates how such a power limiter is incorporated into a circuit will. The reference character Q denotes a quadrupole; the power limiter according to the invention is in series arranged with one input terminal of said four-pole, while the other input terminal is connected to earth.
Auch kann eine Ausführungsform einer Schaltung verwendet werden, wie sie in Fig. k gezeigt ist; diese Ausführungsform enthält ausserdem zwei Dioden, die in jg bezug aufeinander entgegengesetzt und zu den Eingangsklemmen des Vierpols parallelgeschaltet sind, wobei diese Ausführungsform den Vorteil bietet, dass das an die Klemmen des Leistungsbegrenzers angelegte Hochfrequenz— signal vollständig bis jenseits des Knicks der Diodenkennlinie übertragen wird.An embodiment of a circuit as shown in FIG. K can also be used; This embodiment also contains two diodes which are opposite each other and connected in parallel to the input terminals of the quadrupole, this embodiment offering the advantage that the high-frequency signal applied to the terminals of the power limiter is transmitted completely beyond the bend of the diode characteristic.
Dabei sei bemerkt, dass derartige Schaltungen leicht in einem und demselben Halbleiterbeuelement integriert werden können. Diese integrierte Schaltung kann auch den (Feldeffekt)Eingangstransistor (wenn er vorhanden ist) eines weiter in den Stromkreis aufgenommenen Verstärkers enthalten. Nach der Erfindung sind die Dicke und die Dotierungskonzentration.der Halbleiterschicht derart gering, dass beim Anlegen einer Spannung zwischen den Anschlussleitern e und s sich die Erschöpfungszone der in der Sperrrichtung geschalteten Diode bereits bei einer Spannung die niedriger als die Durchschlagspannung ist über die ganze Dicke der Schicht 2 erstreckt.It should be noted that such circuits can easily be incorporated into one and the same semiconductor element can be integrated. This integrated circuit can also use the (field effect) input transistor (if it is present is) of an amplifier included in the circuit. According to the invention are the thickness and the doping concentration of the semiconductor layer is so low that when a voltage is applied between the connection conductors e and s already have the exhaustion zone of the diode switched in the reverse direction a voltage which is lower than the breakdown voltage extends over the entire thickness of the layer 2.
Die Kurve C = f(v) der Kapazität der Anordnung als Funktion der Spannung nach Fig. 5 dient zur Erläuterung der Wirkung des Leistungsbegrenzers nach der Erfindung.The curve C = f (v) of the capacitance of the arrangement as a function of the voltage according to FIG. 5 is used for explanation the effect of the power limiter according to the invention.
Wenn der Pegel der angelegten Hochfrequenz-Leistung niedrig ist, verhält sich jede Diode wie ein Kondensator mit einer Kapazität C und weist der durch zwei in Reihe geschaltete Dioden gebildete Leistungsbegrenzer eine Impedanz auf, die praktisch gleich:When the level of applied high frequency power is low, each diode behaves like a Capacitor with a capacitance C and has the power limiter formed by two diodes connected in series an impedance that is practically the same:
ist. Diese Impedanz ist also niedrig.is. So this impedance is low.
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Bei einem höheren Pegel der angelegten Hochfrequenzleistung steigt die negative Spannung, die nacheinander an die beiden in Reihe und entgegengesetzt geschalteten den genannten Leistungsbegrenzer bildenden Dioden angelegt wird, derart weit an, dass alle Majoritätsladungsträger aus der Halbleiterschicht 2 abfHessen. Diese Halbleiterschicht wird dadurch völlig an beweglichen Ladungsträgern verarmt und führt keinen Strom mehr. Die Hochfrequenzenergie wird nicht über den Leitungsbegrenzer auf den Eingang des Vierpol-Empfängers Q übertragen, sondern wird vollständig reflektiert.At a higher level of the applied high-frequency power, the negative voltage increases, which are connected one after the other to the two in series and oppositely connected to the aforementioned power limiter forming diodes is applied to such an extent that all majority charge carriers from the semiconductor layer 2 abfHessen. This semiconductor layer becomes complete impoverished in moving charge carriers and no longer conducts electricity. The radio frequency energy is not going through the Line limiter is transmitted to the input of the four-pole receiver Q, but is completely reflected.
¥ie aus Fig. 5 hervorgeht, ist die Kapazität jeder Diode nämlich verhältnismässig gross, solange die angelegte Spannung nicht zu hoch ist, während diese Kapazität von einer Schwellwertspannung V her schroff abfällt und also die Impedanz des Leistungsbegrenzers erheblich ansteigt.¥ ie from Fig. 5, the capacitance of each diode is relatively large as long as the applied voltage is not too high, while this capacitance is abrupt from a threshold voltage V. drops and so the impedance of the power limiter increases significantly.
Bei einer homogenen Dotierungskonzentration der Schicht 2 gilt die folgende Gleichung für diese Schwellwertspannung V und die Dicke d der Halbleiterschichtt In the case of a homogeneous doping concentration of the layer 2, the following equation applies to this Threshold voltage V and the thickness d of the semiconductor layer
in der:in the:
- d die Dicke der Halbleiterschicht ist,- d is the thickness of the semiconductor layer,
- H. die Dielektrizitätskonstante darstellt,- H. represents the dielectric constant,
- V die Verarmungsspannung oder Schwellwertspannung ist,- V is the depletion voltage or threshold voltage,
- V- die innere Spannung (Diffusionsspannung) der Diode darstellt,- V- the internal voltage (diffusion voltage) of the diode represents
- q die Ladung des Elektrons ist, und- q is the charge of the electron, and
- N, die Donatorkonzentration darstellt.- N, representing the donor concentration.
In dem von der Anmelderin hergestellten Leistungsbegrenzer war die Schichtdicke d praktisch gleich 0,15 /um und erreichte die Verarmungs spannung (oder Schwellwertspannung) V einen Wert von 3 V.In the power limiter manufactured by the applicant, the layer thickness d was practical equal to 0.15 / µm and the depletion voltage (or threshold voltage) V reached a value of 3 V.
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Die Verluste dieses Leistungsbegrenzers müssen klein sein; da sie mit dem Eingang des Vierpolempfängers Q in Reihe geschaltet sind, erhöhen sie nämlich den Rauschfaktor des genannten Empfängers. Diese Verluste werden namentlich durch den Widerstand des sich zwischen den beiden Dioden befindenden Materials herbeigeführt.The losses of this power limiter must be small; since they are connected to the input of the four-pole receiver Q are connected in series, they increase the noise factor of said receiver. These losses will be in particular brought about by the resistance of the material located between the two diodes.
Die Kombination eines Materials mit e"inerThe combination of a material with e "iner
hohen Beweglichkeit und Konzentration der Ladungsträger und mit einer geeigneten Geometrie kann zur Herabsetzung des genannten Widerstandes beitragen*high mobility and concentration of charge carriers and having a suitable geometry can lead to degradation contribute to the mentioned resistance *
Eine andere nicht weniger strenge Anforderung wird in bezug auf die Spannungseigenschaften des Leistungsbegrenzers gestellt, der gegen zufällige Hochfrequenz— wellen mit einer verhältnismässig hohen Leistung beständig sein muss.Has another no less strict request is made with respect to the voltage characteristics of the power limiter, the waves against accidental high frequency be consistent with a relatively high performance.
Diese Anforderung kann dadurch erfüllt werden, dass ein Halbleitermaterial mit einer hohen Durchschlagspannung und einer nicht zu hohen Dotierung gewählt wird, wobei der Abstand zwischen den Dioden genügend gross ist. Das Halbleitermaterial, das diese beiden Anforderungen am besten erfüllt, ist η-leitendes Galliumarsenid, Silicium kann aber auch zur Verwendung kommen.This requirement can be met by that a semiconductor material with a high breakdown voltage and a doping that is not too high is chosen, the distance between the diodes is sufficiently large. The semiconductor material that these two Requirements best met is η-conductive gallium arsenide, However, silicon can also be used.
Der Abstand zwischen den beiden Dioden ist das Ergebnis eines Kompromises zwischen einem grossen Wert dieses Abstandes, der eine hohe Durchschlagspannnung zur Folge hat, und einem niedrigen Wert, der zu beschränkten Verlusten führt. In einer von der Anmelderin hergestellten Ausführung ist dieser Abstand etwa h mm. Bei einem gleichen Abstand können durch Anwendung einer interdigitalen Struktur die Verluste beschränkt werden.The distance between the two diodes is the result of a compromise between a large value of this distance, which results in a high breakdown voltage, and a low value, which results in limited losses. In an embodiment manufactured by the applicant, this distance is approximately h mm. If the distance is the same, the losses can be limited by using an interdigital structure.
Es dürfte einleuchten, dass für den Fachmann im Rahmen der vorliegenden Erfindung viele Abwandlungen möglich sind. So können namentlich andere Halbleitermaterialien als Galliumarsenid Anwendung finden, während die Leitungstypen aller Halbleitergebiete (gleichzeitig) durch die entgegengesetzten Typen ersetzt werden können.It should be evident that many modifications within the scope of the present invention are possible for those skilled in the art possible are. In particular, semiconductor materials other than gallium arsenide can be used while the conduction types of all semiconductor regions can be replaced (simultaneously) by the opposite types.
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| DE3046815A1 true DE3046815A1 (en) | 1981-09-03 |
Family
ID=9232953
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19803046815 Withdrawn DE3046815A1 (en) | 1979-12-19 | 1980-12-12 | SEMICONDUCTOR ARRANGEMENT FOR HIGH FREQUENCY POWER LIMITATION |
Country Status (6)
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Family Cites Families (2)
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-
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |