RU2609916C1 - Импульсный лавинный S-диод - Google Patents
Импульсный лавинный S-диод Download PDFInfo
- Publication number
- RU2609916C1 RU2609916C1 RU2015144928A RU2015144928A RU2609916C1 RU 2609916 C1 RU2609916 C1 RU 2609916C1 RU 2015144928 A RU2015144928 A RU 2015144928A RU 2015144928 A RU2015144928 A RU 2015144928A RU 2609916 C1 RU2609916 C1 RU 2609916C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- region
- chromium
- diode
- pulsed
- switching
- Prior art date
Links
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 15
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 8
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 12
- 238000002347 injection Methods 0.000 abstract description 10
- 239000007924 injection Substances 0.000 abstract description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 10
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 230000008030 elimination Effects 0.000 abstract 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
- H01L29/861—Diodes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к импульсной технике, в частности к импульсным лавинным полупроводниковым диодам, полученным легированием GaAs хромом или железом, и предназначено для использования в системах силовой импульсной электроники. Техническим результатом являются устранение влияния инжекции электронов на протекание тока при обратном смещении π-ν-перехода до переключения S-диода, повышение напряжения переключения по сравнению со структурами, полученными легированием только хромом или железом, повышение надежности работы таких структур в схемах импульсного питания. В S-диоде, выполненном на основе n-π-ν-n-структуры из арсенида галлия, компенсированного хромом, между n- и π-областями введена дополнительная область p-типа проводимости, толщина этого p-слоя не превышает 5·Ln, где Ln – диффузионная длина электронов в p-области. 2 ил.
Description
Изобретение относится к импульсной технике, в частности к импульсным лавинным полупроводниковым диодам, и предназначено для использования в системах силовой импульсной электроники: в источниках питания полупроводниковых лазеров; в мощных полупроводниковых светодиодах; для диодов Ганна; для систем сверхширокополосной локации; в устройствах целеуказания и дальнометрии гражданского и военного назначения.
Для современных систем сверхширокополосной локации и активной локации в инфракрасном диапазоне требуются портативные микроэлектронные устройства, обеспечивающие надежную генерацию мощных субнаносекундных импульсов. Малая длительность электрических и оптических импульсов (не более 1 нс) обеспечивает высокую точность при заданном быстродействии, а увеличение мощности обеспечивает увеличение дальности распространения сигнала.
Известен лавинный транзистор, который представляет собой кремниевый или германиевый биполярный транзистор, с повышенной однородностью распределения электрического поля по площади коллекторного перехода [1]. Особенностью такого прибора является возможность получения отрицательного сопротивления в цепи «эмиттер - коллектор». Малые размеры лавинных транзисторов позволяют создавать портативные схемы питания. Однако в схемах импульсного питания, где ключевым элементом является лавинный транзистор, максимально возможные импульсы тока не превышают единиц ампер, а время нарастания импульса ограничивается временем пролета носителей заряда за счет дрейфа и оказывается не ниже 0.1 нс.
Наиболее близким (прототипом) к заявленному техническому решению является диод полупроводниковый импульсный лавинный (ДПИЛ) на основе бинарного полупроводникового соединения, арсенида галлия, который легирован мелкой донорной примесью и глубокой акцепторной примесью железа. Такой прибор изготавливается на основе π-ν-n- (n+-π-ν-n-)-структуры, на статической обратной ветви вольтамперной характеристики которой наблюдается участок отрицательного дифференциального сопротивления. В ДПИЛ S-участок и связанное с ним быстрое переключение в проводящее состояние инициируется развитием лавинных процессов с последующей перезарядкой глубоких уровней в области объемного заряда π-ν-перехода и развитием волны ударной ионизации в высокоомной π-области. Быстродействие в этом случае определяется не дрейфовыми процессами, а прохождением волны ударной ионизации в области базы со скоростью, превышающей скорость дрейфа неравновесных электронов. Таким образом, времена переключения лавинных S-диодов существенно меньше времен переключения лавинных транзисторов и могут достигать 0,05 нс. Недостатком такого прибора является относительно малая амплитуда импульсов коммутируемого напряжения, обусловленная низким значением напряжения переключения (100-250 В) [2, 3].
Указанный недостаток устранен в другом аналоге, лавинном S-диоде, на основе полупроводниковой структуры π-ν-n-типа, легированной глубокой акцепторной примесью хрома. В таком приборе удельное сопротивление базы за счет легирования более глубоким акцептором повышается на 3-4 порядка по сравнению с S-диодами, легированными примесью железа. Это позволяет повысить значение напряжения переключения. Однако, надежность таких структур в схемах импульсного питания невысока, и они быстро выходят из строя. Это связано с наличием в таких структурах неконтролируемой инжекции электронов в π-область со стороны контакта до переключения S-диода, что, в свою очередь, приводит к росту среднего тока в схемах импульсного питания и перегреву диодов с последующим выходом их из строя [4].
Целью настоящего изобретения является устранение влияния инжекции электронов на протекание тока, повышение напряжения переключения лавинных импульсных S-диодов на основе арсенида галлиевой структуры, полученной легированием хромом либо железом.
Это достигается тем, что в предлагаемой структуре между π-областью, полученной легированием хромом и контактной n-областью, способной инжектировать электроны в π-область для инициирования и поддержания в структуре волны ударной ионизации, вводится дополнительная область низкого сопротивления p-типа проводимости, толщина которой не превышает 5·Ln, где Ln – диффузионная длина электронов в p-области.
На фиг. 1 показано схематическое изображение n-p-π-ν-n- структуры импульсного лавинного S-диода (а) и его энергетическая диаграмма при подаче напряжения смещения (б) с полярностью, показанной на (а).
На фиг. 2 показан пример полупроводниковой структуры, изготовленной диффузионно-эпитаксиальной технологией: 1 – ν-слой, полученный диффузией Cr в исходный n-GaAs; 2 – π-слой, полученный диффузией Cr в исходный n-GaAs; 3 – эпитаксиальный p-слой толщиной приблизительно 5 мкм, легированный Zn в процессе роста; 4 – эпитаксиальный n-слой толщиной приблизительно 10 мкм, легированный Sn в процессе роста.
Благодаря формированию p-слоя создается сложная n-p-π-ν-n-структура, в которой образуются включенные навстречу π-ν- и n-p- переходы. Таким исполнением структуры контролируется инжекция электронов из n-области в область объемного заряда π-ν-перехода, находящегося в состоянии лавинного пробоя, которые инициируют и поддерживают развитие волны ионизации в структуре и переключение S-диода в проводящее состояние.
Устройство работает следующим образом.
При подаче обратного напряжения смещения на π-ν-переход (см. фиг. 1) основное падение напряжения происходит на высокоомной π-области и области объемного заряда (ООЗ) π-ν-перехода. Вследствие этого напряжение переключения повышается, а инжекция электронов из контактной n-области до развития лавинного пробоя незначительна. Этому препятствует введенная p-область, в которой на длине диффузии электронов все инжектируемые из n-области электроны рекомбинируют, не доходят до ООЗ π-ν-перехода и не инициируют преждевременное развитие лавинных процессов в структуре S-диода.
Сущность изобретения заключается в контролируемой инжекции электронов из n-области в ООЗ π-ν-перехода. Инжектируемые электроны выполняют важную функцию работы S-диода, инициируя его переключение. Но инициирование этого процесса должно включаться тогда, когда напряженность электрического поля в структуре S-диода достигает своего предельного значения, достаточного для развития и прохождения волн ударной ионизации. В предложенной n-p-π-ν-n-структуре достигается самосогласованный контроль инжекции при обратном смещении π-ν-перехода. Поскольку n-p и π-ν-переходы включены встречно, то при подаче напряжения смещения с полярностью, показанной на фиг. 1, все падение напряжения будет падать на обратно смещенном π-ν-переходе и высокоомной π-области. На n-p-переходе, смещенном в прямом направлении, падение напряжения не превышает 0,1 В, и инжекции электронов в π-область не происходит (фиг.1, б). При достижении критического значения напряженности поля, когда за счет микроплазменного пробоя дифференциальное сопротивление ООЗ обратно смещенного π-ν-перехода резко уменьшается, идет самосогласованное перераспределение поданного напряжения на сопротивлении растекания микроплазмы в π-область. Сила тока в структуре возрастает, пропорционально растет падение напряжения на прямо смещенном n-p-переходе, который стимулирует инжекцию электронов в π-область, поддерживает прохождение волны ударной ионизации, инициированной пробоем ООЗ π-ν-перехода. Толщина формируемой p-области будет определять характеристики условия переключения. С увеличением толщины p-области (dp) растет значение напряжения переключения по параболическому закону, Uп~(dp)1/2. При dp≥5·Lp напряжение переключения растет уже незначительно, но начинает экспоненциально расти сила тока переключения, что резко снижает срок службы S-диода.
Реализация предложенной структуры возможна при помощи диффузионно-эпитаксиальных технологических методов. Пример осуществления изобретения представлен на фиг. 2. Изначально в GaAs n-типа проводится диффузия хрома на глубину 50 мкм при температуре 970оС (время диффузии – 120 минут), градиент концентрации примеси хрома в ООЗ равен 9⋅1018 см-4. Далее на поверхности πCr-слоя методом газофазной эпитаксии в едином процессе при температуре 720оС наращиваются последовательно p-слой толщиной 1-5 мкм (Lp ~ 1 мкм в арсениде галлия), а затем n-слой толщиной 2-10 мкм (не менее глубины вплавного контакта). Напряжения переключения S-диодов в рассмотренной структуре составляют в среднем 300-400 В при токах переключения Iп<10-6 А. Управление напряжением переключения в такой структуре осуществляется изменением толщины высокоомного πCr-слоя при постоянном градиенте концентрации примеси в области π-ν-перехода. Эксперименты показывают, что напряжение переключения увеличивается пропорционально толщине πCr-слоя. Максимальные значения напряжения переключения таких структур, достигнутые в режиме автогенерации, достигают 640 В. При этом рабочие частоты составляют от 1 до 5 кГц, максимальные импульсные токи – 40 А (при скважности 105).
Техническим результатом изобретения являются устранение влияния инжекции электронов на протекание тока при обратном смещении π-ν-перехода до переключения S-диода, повышение напряжения переключения по сравнению со структурами, полученными легированием GaAs только хромом или железом, повышение надежности работы таких структур в схемах импульсного питания.
Источники информации
1. Пикосекундная импульсная техника. /Под ред. В.Н. Ильюшенко, - М.: Энергоатомиздат, 1993, с. 263.
2. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник. /Под ред. Б.А. Наливайко, – Томск: МГП «РАСКО», 1992, с. 74-75.
3. Л.П. Иванов и др. Диод из арсенида галлия, легированного глубокими примесями для генерации токовых импульсов. Сб. Труды НИИПП, вып. 3 ч. I, 1973, с. 158.
4. Толбанов О.П., Хлудков С.С. Способ изготовления полупроводниковых S-диодов. – А.С. №1023962 (СССР).
Claims (1)
- Импульсный лавинный S-диод, выполненный на основе n-π-ν-n-структуры из арсенида галлия, компенсированного хромом, отличающийся тем, что между n- и π- областями создается дополнительная область p-типа проводимости толщиной, не превышающей 5·Ln, где Ln –диффузионная длина электронов в p-области.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015144928A RU2609916C1 (ru) | 2015-10-20 | 2015-10-20 | Импульсный лавинный S-диод |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015144928A RU2609916C1 (ru) | 2015-10-20 | 2015-10-20 | Импульсный лавинный S-диод |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2609916C1 true RU2609916C1 (ru) | 2017-02-07 |
Family
ID=58457843
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015144928A RU2609916C1 (ru) | 2015-10-20 | 2015-10-20 | Импульсный лавинный S-диод |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2609916C1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU175209U1 (ru) * | 2017-05-31 | 2017-11-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Устройство для фотоэлектрического переключения лавинного импульсного s-диода |
RU181377U1 (ru) * | 2018-05-04 | 2018-07-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Генератор на основе лавинного импульсного s-диода с регулируемой амплитудой импульсов |
RU204986U1 (ru) * | 2021-03-26 | 2021-06-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» | Устройство импульсного электрического питания полупроводникового лазера |
RU2778046C1 (ru) * | 2021-11-30 | 2022-08-12 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ приема оптических импульсов |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5168328A (en) * | 1990-07-03 | 1992-12-01 | Litton Systems, Inc. | Heterojunction impatt diode |
SU1558263A1 (ru) * | 1988-08-08 | 1995-07-25 | А.С. Тагер | Резонансно-туннельный пролетный диод |
SU1559993A1 (ru) * | 1988-08-08 | 1995-08-09 | Е.И. Голант | Туннельно-пролетный полупроводниковый диод |
RU2054209C1 (ru) * | 1990-10-11 | 1996-02-10 | Абдиназар Сафарович Сафаров | Способ изготовления диодов с s-образной вольтамперной характеристикой |
RU2445724C1 (ru) * | 2010-12-07 | 2012-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Импульсный лавинный s-диод |
-
2015
- 2015-10-20 RU RU2015144928A patent/RU2609916C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1558263A1 (ru) * | 1988-08-08 | 1995-07-25 | А.С. Тагер | Резонансно-туннельный пролетный диод |
SU1559993A1 (ru) * | 1988-08-08 | 1995-08-09 | Е.И. Голант | Туннельно-пролетный полупроводниковый диод |
US5168328A (en) * | 1990-07-03 | 1992-12-01 | Litton Systems, Inc. | Heterojunction impatt diode |
RU2054209C1 (ru) * | 1990-10-11 | 1996-02-10 | Абдиназар Сафарович Сафаров | Способ изготовления диодов с s-образной вольтамперной характеристикой |
RU2445724C1 (ru) * | 2010-12-07 | 2012-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Импульсный лавинный s-диод |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU175209U1 (ru) * | 2017-05-31 | 2017-11-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Устройство для фотоэлектрического переключения лавинного импульсного s-диода |
RU181377U1 (ru) * | 2018-05-04 | 2018-07-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Генератор на основе лавинного импульсного s-диода с регулируемой амплитудой импульсов |
RU204986U1 (ru) * | 2021-03-26 | 2021-06-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» | Устройство импульсного электрического питания полупроводникового лазера |
RU2778046C1 (ru) * | 2021-11-30 | 2022-08-12 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ приема оптических импульсов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20210143252A1 (en) | Semiconductor device and method for producing semiconductor device | |
US10950717B2 (en) | Semiconductor device having semiconductor regions with an impurity concentration distribution which decreases from a respective peak toward different semiconductor layers | |
US9870923B2 (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the semiconductor device | |
US10153275B2 (en) | Method of operating an IGBT having switchable and non-switchable diode cells | |
CN105679835B (zh) | 半导体器件 | |
US10224206B2 (en) | Bipolar transistor device with an emitter having two types of emitter regions | |
RU2609916C1 (ru) | Импульсный лавинный S-диод | |
RU2445724C1 (ru) | Импульсный лавинный s-диод | |
US20140264376A1 (en) | Power Switching Module with Reduced Oscillation and Method for Manufacturing a Power Switching Module Circuit | |
US9349799B2 (en) | Adjusting the charge carrier lifetime in a bipolar semiconductor device | |
KR20170074757A (ko) | 반도체 디바이스를 형성하는 방법 | |
Prudaev et al. | Switching avalanche S-diodes based on GaAs multilayer structures | |
US9647100B2 (en) | Semiconductor device with auxiliary structure including deep level dopants | |
JP2006245475A (ja) | 半導体装置及びその製造方法 | |
CN107516670A (zh) | 一种具有高电流上升率的栅控晶闸管 | |
RU172077U1 (ru) | Дрейфовый диод с резким восстановлением на основе карбида кремния | |
RU156013U1 (ru) | Дрейфовый диод с резким восстановлением на основе карбида кремния | |
CN105830220B (zh) | 半导体装置的制造方法 | |
RU175209U1 (ru) | Устройство для фотоэлектрического переключения лавинного импульсного s-диода | |
Ivanov et al. | Current–voltage characteristics of high-voltage 4 H-SiC p+–n 0–n+ diodes in the avalanche breakdown mode | |
RU160232U1 (ru) | Высоковольтный полупроводниковый диод с резким обрывом обратного тока | |
Matsudai et al. | Advanced cathode and anode injection control concept for 1200V SC (Schottky controlled injection)-diode | |
JP2016167597A (ja) | トレンチ・ショットキー・バリア・ショットキーダイオードを備える半導体装置 | |
US20150069413A1 (en) | Semiconductor device | |
RU131532U1 (ru) | Высоковольтный полупроводниковый диод с резким обрывом обратного тока |