Козлов В. А., Смирнова І. А., Морякова С. А., Кардо-Сисоєв А. Ф. Фізико-технічний інститут ім. А. Ф. Іоффе РАН вул. Політехнічна, 26, Санкт-Петербург 194021, Росія Тел.: (812) 2479972; e-mail: irina.smirnova @ mail.ioffe.ru

Анотація Виготовлені та досліджено дрейфові діоди з різким відновленням, що володіють швидкодією -100 пс і тимчасової стабільністю моменту перемикання ~ 10 пс. Діоди призначені для генерації потужних піко секундні імпульсних сигналів, що використовуються в техніці надширокосмугових бездротового зв’язку, радіолокації, навігації та дистанційного зондування.

I. Вступ

За останні 10 років в науці і техніці сформувалося і бурхливо розвивається новий напрямок надширокосмугових короткоімпульсного електродинаміка (СКЕ). Даний напрямок дуже близько до СВЧ-техніки як по використовуваному частотному діапазону, так і за своїми областям практичного застосування. Однак, на відміну від СВЧ-техніки, СКЕ базується на використанні коротких широкосмугових сигналів, частотний спектр яких зазвичай займає діапазон від 108 до Ю10 Гц, і не оперує з вузькосмуговим «гармонійними» сигналами, типовими для переважного числа сучасних радіоелектронних пристроїв. Використання принципів СКЕ дозволяє по-новому і більш ефективно в порівнянні з традиційними «вузькосмуговими» методами вирішувати багато завдань в таких областях техніки як засоби бездротового зв’язку і телекомунікації, навігації і геопозиціонування, радіолокації та дистанційного зондування, а також у ряді практично важливих напрямів розвитку нової техніки для медицини та екології.

На сьогоднішній день широке практичне використання СКЕ стримується відсутністю простих, ефективних і дешевих пристроїв для формування короткоімпульсного сигналів. Основною проблемою у вирішенні завдання побудови таких пристроїв є відсутність твердотільних приладів ключового типу, що відповідають вимогам технічних засобів СКЕ: пикосекундной швидкодія, висока тимчасова стабільність перемикання, великі (> 106 Гц) частоти повторення і імпульсні потужності. Метою цієї роботи були розробка і дослідження твердотільних приладів з даною сукупністю характеристик на базі подальшого розвитку фізики і техніки напівпровідникових переривників струму, запропонованих нами для генерації імпульсних сигналів наносекундной тривалості і одержали назву дрейфових діодів із різким відновленням (девіантних дитячо-батьківських) [1, 2].

II. Теорія

Основні фізичні принципи роботи девіантних дитячо-батьківських з наносекундних швидкодією були сформульовані в роботах [2, 3]. Завдання підвищення швидкодії ДЦРВ при переході з наносекундного в пикосекундной діапазон часів перемикання є по суті завданням просторово-часового масштабування процесів дифузії і дрейфу носіїв заряду в напівпровідникової структурі діода.

Рішення даної задачі не є тривіальним. Для точного опису цих процесів неможливо використовувати прості аналітичні рішення для дифузії і дрейфу носіїв. Тому при моделюванні девіантних дитячо-батьківських з піко секундні швидкодією використовувалися чисельні методи вирішення даного завдання. Таке моделювання дозволило визначити оптимальні геометричні та електрофізичні параметри структур приладів, а також режими і області їх надійної роботи для трьох типів приладів: девіантних дитячо-батьківських на робочу напругу 500 В з швидкодією -500 пс, девіантних дитячо-батьківських на 200 В з швидкодією 200 пс, девіантних дитячо-батьківських на 100 В з швидкодією -100 Пс. Основні параметри для цих трьох сімейств девіантних дитячо-батьківських наведені в таблиці.

Тип девіантних дитячо-батьківських

500 В / 500 пс

200 В / 200 пс

100 В / 100 пс

Рівноважна концентрація електронів в n-базі, см ‘3

8-1014

2.5-1015

1.2-1016

Глибина р-n переходу, мкм

25

8

4.5

Час життя дірок в пбазе, мкс

-20

-5

-1

Ширина шару об’ємного заряду при пробої, мкм

-45

-10

-5

Напруга лавинного пробою р-n переходу, В

-550

-220

-110

Робоча щільність струму, кА

0.9-1.2

2.7-3.3

10-12

Час перемикання, пс

520±20

220±10

120±5

Час етапу накачування, не

80-130

20-50

10-15

Середня частота перемикання, МГц

5

15

50

III. Експеримент

Для виготовлення девіантних дитячо-батьківських була використана епітаксиальні-дифузійна технологія формування напівпровідникової р+-П-п+ структури приладів. Емітерний і базова p-області приладів формувалися дифузією бору та галію в слабколегованих епітаксійний шар n-бази. Технологічні режими многостадийной дифузії для формування заданих розподілів акцепторних домішок в приладі розраховувалися за програмою «Факт». Для підвищення точності, відтворюваності та однорідності при створенні р+-Емітера використовувалася технологія іонного легування.

Структури девіантних дитячо-батьківських виготовлялися з епітаксійних п-п+ пластин Si (100) діаметром 76 мм і товщиною 625 мкм. Зразки девіантних дитячо-батьківських формувалися на пластинах з групової технології шляхом виготовлення Меза-структур і механічного поділу на дискретні чіпи. Останні встановлювалися на малоіндуктівние крісталлодержателю з кераміки 22ХС або Полікор, герметизувати і проходили тестконтроля статичних і динамічних характеристик.

Динамічні характеристики виготовлених девіантних дитячо-батьківських тестувалися в імпульсної схемою, призначеної для формування дзвіноподібних електричних імпульсів з часом наростання, рівним швидкодії девіантних дитячо-батьківських. Типові форми таких імпульсів для різних типів девіантних дитячо-батьківських представлені на рис.1. Слід зазначити, що всі типи девіантних дитячо-батьківських забезпечували при перемиканні приблизно рівну швидкість підвищення напруги на р-пструктуре dl//dM012 В / с, відповідну теоретичної межі для структур даного типу. Крім того, всі три сімейства девіантних дитячо-батьківських продемонстрували високу стабільність моменту перемикання в часі (джиттер ~ 10 ‘11 с). Це дозволило створити більш потужні високовольтні твердотільні ключі-розмикачі на основі збірок з послідовно з’єднаних дискретних девіантних дитячо-батьківських, що володіють швидкодією типовим для одиничної структури.

Рис. 1. Форма імпульсів девіантних дитячо-батьківських Fig. 1. A typical shape of the DSRD pulse

IV. Висновок

Розроблені, виготовлені і досліджені 3 сімейства нового покоління девіантних дитячо-батьківських. Вперше швидкодію кремнієвих девіантних дитячо-батьківських доведено до рівня 100 пс, стабільність їх перемикання в часі до величини менше 10 ‘11 с, а середня робоча частота перемикань до 30 МГц., Твердотільні ключі на основі таких девіантних дитячо-батьківських найкращим чином відповідають вимогам СКЕ і придатні для використання в таких областях техніки як засоби бездротового зв’язку і передачі даних, навігації і геопозиціонування, радіолокації та дистанційного зондування.

Робота виконана при частковій підтримці РФФД (грант N 02-02-08028). Автори висловлюють подяку С.В. Зазуліна, В.І. Брилевскому і В.Г. Сергєєву за допомогу у випробуванні і тестуванні розроблених девіантних дитячо-батьківських в різних імпульсних схемах і пристроях.

V. Список літератури

[1] Grekhov I. V., Efanov V. М., Kardo-Sysoev A. F., ShendereyS. V. Sol. St. Electr., 1985, v. 28, No 4, p. 597.

[2] Kardo-Sysoev A. F., Popova М. V. Sov. Semicond., 1991, v. 25, No 1, p.1.

[3]  Kardo-Sysoev A. F. New semiconductor devices for generation of nanoand subnanosecond pulses, chapter 9 in the book “Ultra-Wideband Radar Technology” Ed. By D. Taylor, Boca Raton, London, N-Y, Washington D.C.; CRC Press, 2001, pp. 205-290.

NEW GENERATION OF DRIFT STEP RECOVERY DIODES FOR PICOSECOND SWITCHING AND HIGH REPETITION RATE OPERATION

Kozlov V. A., Smirnova I. A.,

Moryakova S. A., Kardo-Sysoyev A. F.

Ioffe Physico-Technical Institute, RAS

26  Politechnicheskaya St., St Petersburg,

Russia, 194021 phone +7 (812) 2479972 e-mail: irina.smirnova@mail.ioffe.ru

Abstract A new generation of drift step recovery diodes (DSRD) has been developed and demonstrated. Switching time of the DSRDs was reduced down to the 100ps level, while average pulse repetition rate increased up to 10MHz with time stability of switching as low as 10ps. Fast, stable and high-frequency operation of silicon DSRDs makes them suitable for time-domain radio telecommunications, UWB radars, and other uses.

I.  Introduction

The progress in the development of short-pulse power modulators for modern ultra-wideband (UWB) systems (precise radars and geopositioning systems, UWB wireless communication, etc.) resulted in the demand for ultrafast pulse power switches that are the most restricting elements of short pulse generators. Picosecond switching, high peak power and high pulse repetition rates together with good time stability of switching are of particular importance for these devices. One of the most promising switches meeting these requirements is a semiconductor drift step recovery diode. At present DSRD is widely used as a key device in different pulse power sharpening circuits and pulse generators.

II.  Theory

The main problem to be solved is to scale down physical phenomena in a traditional ‘thick’ DSRD with nanosecond switching speed to much shorter times and smaller sizes. The DSRD operation is based on a delicate balance between diffusion and drift of charge carriers during charge plasma pumping and removing in the device structure [1,2]. With a decrease in switching time and sizes of DSRD, specific times of carriers transport related to charge diffusion change as a second order of linear device sizes, while drift times related to electrical drift process change as a first order of the device thickness. Here the ratio of zones of field and diffusion processes is strongly redistributed in ‘thin’ ultrafast DSRD structures. This redistribution significantly affects the switching regimes of the devices under consideration. Besides, when it is necessary to make a conversion of specific device layer thickness and active device area, both the design and technology of DSRD manufacturing have to be changed considerably.

III.  Experiment

A new generation of DSRDs for picosecond switching operation has been specially developed and tested. Three main types of single DSRD-chip structures with 500V/500ps, 200V/200ps and 100V/100ps rating of blocking voltage and switching time represent three basic DSRD families in this new generation. The table above summarizes the performance, electro-physical, electrical and geometrical parameters of the new diodes. The epibase technique of the starting double-layer n+-N Si structure fabrication, ion implantation and multistep diffusion of В and Ga for pn junction formation were used. This new manufacturing approach differs from traditional technology of high-voltage nanosecond DSRD fabrication in being more complicated but nevertheless offering the dopant impurity profile in thin p+-n-n+-structures with higher doping uniformity, precision and run-to-run repeatability. Application of the new technological approach has proved to be correct for a subnanosecond DSRD production with high DSRD chip yield. A typical wave shape of the pulses tested for the DSRD chips taken from different families is shown in Fig. 1.

IV.  Conclusion

A new generation of drift step recovery diodes for picosecond switching and high frequency operation has been developed and demonstrated. The advanced design of these devices differs favourably from that proposed earlier.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.