автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему: Сверхвысокочастотные полупроводниковые приборы, интегральные схемы и устройства для генерации и преобразования колебаний
Автореферат диссертации по теме "Сверхвысокочастотные полупроводниковые приборы, интегральные схемы и устройства для генерации и преобразования колебаний"
МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 621. 382: 621. 3. 049. 77
ГРАДИНАРОВ ПЕТКО ГЕОРГИЕВ
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ, ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ
05.27. 01 - Твердотельная электроника
ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук
На правах рукописи
Работа выполнена в Международном центре по информатике и электронике (ИнтерЭВМ)
доктор физико-математических наук, профессор,
академик АИН РФ Е. И. НЕФЕДОВ
доктор технических наук, профессор К А. ГОРОХОВ
доктор физико-математических наук, профессор Е А. КУЗЬМИН
Ведущая организация: НИИ "Пульсар"
Защита состоится "У^" г. в /^ часов
на заседании Специализированного совета Д. 063.68.06 в Московском институте электронного машиностроения (109028. Москва, Б. Вузовский пер. ,3/12).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.
Диссертация разослана " д « 1992 г.
Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук, доцент Е И. ЖУКОВ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. ;. 5
ГЛАВА I. АНАЛИЗ СВЧ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, ИНТЕГРАЛЬНЫХ
СХЕМ И ПОЛУПЮЮДНИКОВЫХ УСТРОЙСТЕ ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ. 11
ГЛАВА 11. ГЮЛУПРОЮДНШЮШЕ ПРИБОРЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ
АКТИВНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ . 12
2.1. Виды приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением и их свойства. 12
2.2. Основные эффекты при сильных электрических полях в полупроводниках и переходах . 13
2.3. Модели приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением . 14
2. 4. Статические характеристики приборов с отрицательным
активным динамическим сопротивлением . 15
2.5. Анализ высокочастотных характеристик приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением при малой амплитуде переменного сигнала . 16
2. б. Нелинейный анализ высокочастотных характеристик приборов
с отрицательным активным динамическим сопротивлением при большой амплитуде переменного сигнала. Нелинейная модель приборов с отрицательным активным динамическим
ГЛАВА III. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ С ПЕРЕМЕННОЙ ЕМКОСТЬЮ.____33
3.1. Основные сведения о полупроводниковых приборах с
переменной емкостью . 33
3. 2. Параметры и характеристики полупроводниковых приборов с
переменной емкостью. 34
3. 3. Варакторы. 35
3. 4. Разработка и исследование варакторов с р-п переходами. 35
3. 5. Варикапы. 38
ГЛАВА IV. БЫСТРОПЕРЕКЛЮЧАЩИЕ ДИОДЫ. '. 42
4.1. Основные сведения о быстропереключаюшихся диодах. 42
4. 2. Модель PIN диода. -. 43
4. 3. Конструктивно-технологические методы изготовления быстро-
переклк/чагашся диодов. '. 44
4. 4. Исследование электрических характеристик и гкфамот(юп
бистропереключающихся диодов. 45
ГЛАВА V. СВЧ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ С ПЕРЕХОДАМИ
5.1. Основные сведения о полупроводниковых диодах с переходами
5. 2. СВЧ полупроводниковые диоды с переходами металл-полупроводник. Модель и основные зависимости . 48
5.3. СВЧ полупроводниковые диоды с переходами У-пл+51.
Выпрямительные свойства перехода У-пп+51. 49
5. 4. СВЧ полупроводниковые диоды с переходами Ш-пл^!.
Выпрямительные свойства перехода М1-пп"51. 49
5.5. СВЧ полупроводниковые диоды с переходами А1-пп+51. Выпрямительные свойства перехода А1-ш?" . 49
5.6. Смесительные диоды с переходами металл-полупроводник; У-пп+51 , т-пл4^ . А1-пп+51 . Методика измерения смесительных диодов. 50
5.7. Варакторы с переходами металл-полупроводник;
У-пп+31 , Ш-пп+Б! . А1-пп+31 . 50
ГЛАВА VI. СВЧ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ГИБРИДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ. 51
6.1. Микрополосковые передающие линии. Виды и свойства микро-полосковых линий. Несимметричные микрополосковые линии. 51
6.2. Анализ и проектирование СВЧ интегральных гибридных генераторов. 52
6.3. Интегральные гибридные генераторы на основе приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением и диодов Ганна . 55
6. 4. Интегральные гибридные транзисторные генераторы. 56
6. 5. Интегральные гибридные генераторы с диэлектрическими
6. 6. Интегральные гибридные гетеродинные генераторы
с варакторной перестройкой частоты. 57
ГЛАВА VII. СВЧ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ГИБРИДНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ'
7.1. Интегральные гибридные смесители. 58
7.2. Интегральные гибридные аттенюаторы. 58
7. 3. Интегральные гибридные умножители. 59
ГЛАВА VIII. ШЛУПРОВОДНИКОШЕ УСТРОЙСТВА. 60
8.1. Генераторы с лавинно-пролетными диодами. 60
8. 2.Генератор с диодом Ганна. 60
8. 3. Гетеродинные полупроводниковые генераторы. 61
8. 4- Управляемые широкополосные аттенюаторы. 61
ГЛАВА 1Х.СВЧ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ГИБРИДНЫЕ
ПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА. 64
9.1.СВЧ полупроводниковое приемное устройство для РЛС. 65
9.2. СВЧ интегральные гибридные приемные устройства для РЛС . 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ВЫВОДЫ. '. 69
СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ И АВТОРСКИХ СВИДЕТЕЛЬСТВ . 76
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА. 78
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ РАПОТН
Исследования сверхвысокочастотных (СВЧ) полупроводниковых приборов, интегральных схем и устройств расширяются и в значительной степени увеличиваются. Ряд проблем,связанных с общрй теорией полупроводниковых приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением при малой и большой амплитуде переменных сигналов, с теоретическим анализом быстропереключающихся PIN диодов, с разработкой и исследованием полупроводниковых приборов с переменной емкостью и диодов с переходом металл-полупроводник (с барьером Шоттки); с проектированием,теоретическим анализом, разработкой. исследованием и производством СВЧ интегральных схем таких, как интегральные гибридные генераторы СВЧ, интегральные гибридные смесители, умножители частоты и аттенюаторы, СВЧ полупроводниковые и интегральные приемные устройства для специализированных радиолокационных станций (РЛС), радионавигационной аппаратуры и радиоэлектронных систем управления были не решены или не решены в целом к началу работы. Все это определяет научный и научно-прикладной интерес к проблемам СВЧ полупроводниковых приборов, интегральных схем и устройств для генерации и преобразования СВЧ колебаний и актуальность темы диссертационной работы.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ
Основной целью диссертации является решение комплексной крупной проблемы создания, исследования и разработки сверхвысокочастотных полупроводниковых приборов,интегральных схем и устройств для генерации и преобразования колебаний для радиоэлектронных систем управления,систем коллективного приема,РЛС и радионавигационной аппаратуры.
Основные задачи работы следующие:
- построить общую теорию полупроводниковых приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением при малой и большой амплитуде переменного сигнала,которая охватывает лавинно-тун-нельные пролетные диоды, туннельно-пролетные диоды, инжекционно-пролетные диоды и лавинно-пролетные диоды; провести теоретический анализ высокочастотных характеристик приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением;
- разработать и исследовать полупроводниковые приборы с переменной емкостью - варакторы и варикапы - для полупроводниковых устройств с перестройкой частоты для РЛС и радиоэлектронных
- провести теоретический анализ быстропереключаххцихся PIN диодов и исследовать их высокочастотные характеристики;разработать и исследовать быстропереключающиеся диоды для управляемых аттенюаторов, антенных усилителей,фазорегуляторов,переключателей и систем коллективного приема;
- создать и исследовать новые диоды с переходами металл-полупроводник с использованием новых металлов для формировалия переходов для интегральных преобразовательных устройств с целью получения улучшенных электрических параметров и удешевления технологических процессов и приборов;
- провести теоретический анализ и ^оздать методику проектирования интегральных гибридных генераторов чс полупроводниковыми приборами; разработать и исследовать интегральные гибридные генераторы СВЧ; интегральные генераторы с диодами Ганна, интегральные гетеродинные генераторы с диодами Ганна и варакторной перестройкой, интегральные генераторы с лавинно-пролетными диодами, интегральные генераторы с диодами Ганна или с лавинно-пролетными диодами с диэлектрическими резонаторами и интегральные транзисторные генераторы для 1-3 ГГц;
- создать и исследовать СВЧ интегральные схемы для преобразования колебаний,интегральные балансные смесители,управляемые аттенюаторы для специализированных РЛС и интегральные умножители частоты;
- провести теоретический анализ широкополосных управляемых аттенюаторов для СВЧ радиоэлектронных систем. Для расширения частотной полосы пропускания специализированных РЛС создать и исследовать управляемые широкополосные аттенюаторы с PIN диодами - однощелевые, двухщелевые и многощелевые резонансные диафрагмы с NIPIN диодами, а также двухэлементные однощелевые и многощелевые управляемые аттенюаторы;
- создать и исследовать СВЧ полупроводниковые и интегральные гибридные приемные устройства для РЛС,радионавигационной аппаратуры и радиоэлектронных систем управления.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ
Основные результаты диссертации являются оригинальными.
Создана единая теория полупроводниковых приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением при малой и большой амплитуде переменных сигналов, которая охватывает лавиннно-•туннельные пролетные диоды, туннельно-пролетные диоды, инжекцион-
но-пролетные диоды и лаишшо-пролетные диоды. Впервые пропедсн линейный и нелинейный анализ высокочастотных характеристик лавинно-туннельного пролетного диода,в котором проявляется лавинное умножение туннельных носителей. Впервые представлена нелинейная теория генерации колебаний в приборах,работающих в режиме совместного электрического пробоя - лавинно-туннельных пролетных диодах. На основании нелинейной теории определены активное и реактивное сопротивление,активная и реактивная проводимость,выходная модность и коэффициент полезного действия (к. п. д.) приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением с безинерционной генерацией (инжекцией) или инерционной генерацией носителей. Проведен анализ высокочастотных характеристик генераторных кремниевых, арсенид-галлиевых и германиевых приборов. ■
Впервые исследовано влияние форм электрического пробоя на высокочастотные характеристики, проводимость,сопротивление, выходная мощность и к. п. д. полупроводниковых приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением при малой и большой амплитуде сигналов. Анализированы основные параметры приборов с отрицательной активной проводимостью при инерционной (лавинно-тун-нельный эффект,лавинное умножение) или безинерционной (туннельный эффект, инжекция неосновных носителей заряда, термоэлектронная, термоэлектронная полевая и полевая эмиссия носителей заряда) генерацией носителей на основе пролетной модели.
Созданы и исследованы полупроводниковые приборы с переменной емкостью -варакторьги варикапы с ионно-имплантированными р-п переходами - для интегральных схем и устройств с перестройкой частоты для РЛС и СВЧ радиоэлектронных систем.
Проведен теоретический анализ быстропереключалцихся PIN диодов и исследованы их высокочастотные характеристики. Исследованы статические и высокочастотные характеристики быстропереключахших-ся диодов.
Впервые созданы полупроводниковые диоды с переходом ванадий- пп+кремний (V-nn+Si) и технологический способ их изготовления. Исследованы выпрямительные свойства и электрические характеристики переходов V-nn+Sl, вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики. Исследованы выпрямительные свойства и электрические характеристики разработанных диодов с переходами V-nn+Sl.
Создана методика проектирования и проведен теоретический анализ интегральных генераторов с полупроводниковыми приборами.
На базе амплитудного и фазового условий для генерации колебаний проведен теоретический анализ интегральных генераторов с полупроводниковыми приборами,таких как интегральные генераторы с диодами Ганна! интегральные генераторы с лавинно-пролетными диодами. интегральные гетеродинные генераторы с диодами Ганна и варакторной перестройкой частоты.
Создана впервые методика для анализа интегральных управляемых аттенюаторов с PIN диодами. На базе матрицы передачи [Т] и матрицы рассеяния CS] определены коэффициенты передачи,отражения и поглощения интегральных аттенюаторов. Спроектированы и исследованы интегральные управляемые аттенюаторы с PIN диодами для приемных устройств РЛС и радиоэлектронных ристем СВЧ.
Созданы широкополосные управляемые .аттенюаторы, представляющие многощелевые диафрагмы с PIN диодами. Проведен теоретический анализ многоцелевых управляемых аттенюаторов,предназначенных для управления уровнем сигналов и расширения частотной полосы пропускания РЛС и радиоэлектронных систем.
Проведено исследование и проектирование квазикогерентного полупроводникового приемного устройства и интегральных приемных устройств для специализированных PJK3 и радиоэлектронных систем.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Разработанные кремниевые пданарно-эпитаксиальные варактор-ные диоды 2А3103-2А3107 предназначены для электронной перестройки частоты СВЧ интегральных схем и устройств. Варакторные диоды типа 2А3106 внедрены в гетеродинных полупроводниковых генераторах. Разработаны PIN диоды типа 2А5201-2А5204 и 2Д5641. PIN диоды 2Д5641 внедрены в системах коллективного телевизионного приема, производимые заводом в г. Годеч. Созданные технологии для разработки и производства варакторных и PIN диодов 3-см. диапазона позволили изготовить указанные приборы и для диапазона до 18ГГЦ. Разработаны СВЧ полупроводниковые диоды с переходами V-nn+Si, Ni -nn+Si и Al-nn+Sl (рмесительные,варакторные и переключательные диоды с барьером Шэттки) для применения в преобразовательных устройствах для РЛС и радиоэлектронных систем СВЧ.
Разработана серия генераторов для СВЧ устройств,такие как генераторы с лавинно-пролетными диодами, генератор с диодом Ганна и гетеродинные полупроводниковые генераторы.
Разработаны интегральные генераторы с диодами Ганна и интегральные транзисторные генераторы на 1-3 ГГц, предназначенные
для приемных уот|юйстп РЛС и СВЧ радиоэлектронных систем. Píiaработал ы образцы СВЧ квазикогерентного полупроводникового приемного устройства и интегральных, приемных устройств для специализированных РЛС.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ,ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Создание новых СВЧ полупроводниковых приборов: лавинно-тун-нельных пролетных диодов,туннельно-пролетных диодов и инжекционно-пролетных диодов, которые дают возможность генерировать СВЧ колебания. Построение единой теории для этого класса приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением для малого и большого сигналов.
2. Исследование влияния форм электрического пробоя и полевого эффекта для генерации носителей заряда на высокочастотные характеристики лавинно-туннельных пролетных диодов,туннельно-пролетных диодов и инжекционно-пролетных диодов.
3. Исследование и разработка варакторов и варикапов с ионно-имплактированными р-п переходами и технологии их изготовления.
4. Проведение теоретического анализа быстропереключаюшихся PIN диодов для стационарного и нестационарного режимов при большом сигнале. Исследование и разработка быстропереключаюшихся PIN и MIN диодов. Создание технологии изготовления бьктропереключаххцихся PIN и MIN диодов. i
5. Создание новых полупроводниковых диодов с переходами металл-полупроводник: ванадий-пп+полупроводник (Y-nrfsi) и технологический метод изготовленйя. Создание и исследование смесительных,варак-торных и переключательньк диодов с переходами V-nn+St.
6. Создание методики для анализа и проектирования интегральных гибридных генераторов с полупроводниковыми приборами. Исследование 'и разработка интегральных генераторов с полупроводниковыми приборами (диодами Ганна, лавинно-пролетными диодами, биполярными транзисторами), а также и с диэлектрическими резонаторами.
7. Создание новых интегральных аттенюаторов с PIN диодами и методики для анализа Исследование и разработка интегральных аттенюаторов с PIN диодами. Построение методики для анализа и проектирования интегральных аттенюаторов.
8. Создание и исследование интегральных преобразовательных схем - интегральных балансных смесителей с квадратным или круговым мостами и умножителей частоты.
9. Создание и исследование гетеродинных полупроводниковых ге-
нераторов, генераторов с лавинно-пролетными диодами и генераторов с диодами Ганна.
10. Создание и исследование нового волноводного элеиента-пшрокополосних управляемых аттенюаторов, представляющих собой однощелевые или многоцелевые диафрагмы со встроенными NIP1N диодами. Построение электрической модели для анализа и проектирования.
11. Создание СВЧ квазикогерентного полупроводникового и интегральных приемных устройств для специализированных РЛС.
Основные положения исследований диссертации докладывались и обсуадались на;
- научно-технических симпозиумах и конференциях с международным участием: VI симпозиум "Новости н радиоэлектронике 77", Варна-77 , Zuverlassigkeltstagung, Leipzig 1979;
- юбилейных научных сессиях ТУ - София,1978г., 1983г.;
- научных сессиях ТУ - София, 1976г. ,1977г. ,1978г.; 1982г. ,1983г.;
- юбилейных научных сессиях ТУ - Габрово,1982г.,1983г.;
- юбилейных научных сессиях СТУ, София, 1977г. ,1983г.
Результаты исследований доложены и рассматривались на Научно-техническом совете и Научном семинаре отделения "Микроэлектроника" изждународного центра по информатике и электронике.
По теме диссертации опубликованы 30 научных трудов, из них 26 научных статей и докладов и 4 авторских свидетельства. По теме диссертации выполнены отраслевой стандарт кремниевых PIN диодов и 10 договорных разработок, в которых автор является научным руководителем.
По СВЧ полупроводниковым приборам, интегральным схемам и устройствам автором выполнены теоретические исследования, конструкторские и технологические работы,разработаны конструктивно-технологические документации,разработаны,исследованы и произведены образцы изделий. Работа выполнялась поэтапно в течении более 20 лет. Вся работа, от постановки эадач до публикации результатов, выполнена автором лично или под его руководством и при непосредственом участии автора.
Диссертация содержит введение, 9 глав исследований, заключение, выводы и список литературы.
- 11 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА ¡.АНАЛИЗ СВЧ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЯСТЕ ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ. СВЧ полупроводниковая электроника развивается в мировой науке с 60-ых годов и процессы ее ускоренного развития происходят в 70-ых и 80-ых годах. В эти периоды происходит процесс поиска и создания полупроводниковых приборов и устройств для замены электронных приборов и устройств с целью улучшения их массо-габаритных показателей и электрических параметров.
Для комплексной миниатюризации отечественных радиоэлектронных систем, РЛС, радионавигационной аппаратуры и систем коллективного приема телепрограмм были необходимы СВЧ полупроводниковые приборы, устройства и интегральные схемы. Новые полупроводниковые приборы для генерации и преобразования колебаний нужны для миниатюризации радиоэлектронных устройств, улучшения их параметров и характеристик Радиоэлектронные устройства и системы новых поколений требуют развития полупроводниковых приборов и улучшения их параметров, что можно достичь на основе планарно-эпитаксиальной технологии с применением диффузии, ионной имплантации, вакуумно-термического испарения или распыления металлов для формирования барьеров Шоттки. Исследование и разработка полупроводниковых приборов, интегральных схем и устройств для генерации и преобразования колебаний СВЧ необходимы для развития комплексной миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры и систем в Р. Болгарии, а т&кже для других стран.
Решение комплексной крупной проблемы создания,исследования и разработки сверхвысокочаЬтотных полупроводниковых приборов, интегральных схем и устройств для генерации и преобразования колебаний для радиоэлектронных систем управления, систем коллективного приема, РЛС и радионавигационной аппаратуры является основной целью диссертации.
В процессах развития существует этапность, связанная с поэтапным и последовательным созданием и исследованием полупроводниковых приборов,интегральных схем и устройств для диапазона СВЧ.
Разработка и исследование полупроводниковых приборов, интегральных схем и устройств производилась по заданиям проектных организаций для достижения требуемых параметров, путем проведения расчетов по физико-электрическим моделям,конструирования конкретных приборов и схем и создания технологии их изготовления.
ГЛАВА 11.1ЮЛУПР0В0ДНИК0ВЫЕ ПРИБОРЫ-С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ АКТИВНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ. [1,2,3,4.5,6] 2.1. ВИДЫ ПРИБОРОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ АКТИВНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ
СОПРОТИВЛЕНИЕМ И ИХ СВОЙСТВА Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводниковых приборов рассматриваемого класса не обладает участком с отрицательным статическим сопротивлением. Необходимое для генерации и усиления СВЧ колебаний отрицательное активное ' динамическое сопротивление получается в результате динамических свойств пространственного заряда подвижных носителей ааряда в переходах при электрическом пробое. Во второй половине 60-тых и в 70-тые годы была показана возможность получения отрицательного активного сопротивления в области СВЧ с помощью безинерционной генерации и инхекции пакета носителей варяда в дрейфовую область.--
Приборы с отрицательным активным динамическим сопротивлением (ОАДС) в зависимости от полевого эффекта для генерации носителей разделяются на: 1. лавинно-туннельные пролетные диоды (ЛТПД); ' 2. туннельно-пролетные диоды (ТЩО; 3. инлекционно-пролетные диоды (ИПД); 4. лавинно-пролетные диоды (ЛПД);5. диоды с бегущим слоем лавинного умножения ; 6. диоды со ступенчатым профилем распределения концентрации легирующей примеси.
К моменту выполнения автором представленных исследований в опубликованных работах детально анализировалась только одна форма электрического пробоя - ударная ионизация и в соответствии с этим приборы, в которых проявляется этот эффект, называются лавинно-пролетный диод и диод с бегущим слоем лавинного умножения. Лавинно-пролетные диоды, в которых проявляется ударная ионизация, исследованы теоретически - Ридом для структуры И+Р1Р+[Л1] и А.С.Тагером- для линейных р-п переходов [J21. А. Л. Захаров построил теорию для тонкого слоя лавинного умножения [ЛЗ].
Туннельному эффекту, как форме электрического пробоя в р-п переходах для генерации и усиления СВЧ колебаний,посвящено небольшое число работ. Возможности создания туннельно-пролетных диодов показаны А. С. Тагером ГЛ2] и R К. Аладинским СЛ4] в линейном приближении при малых сигналах без учета влияния пространственного заряда подвижных носителей заряда. <1изико-электрическую модель ТПД в линейном приближении для малых сигналов необходимо развить
прежде всего с учетом влияния пространственного заряда подвижных носителей эаряда и конечных размеров зоны генерации.
Построение нелинейной теории ТПД необходимо для анализа выходных характеристик - электронной и нагрузочной мощности и к. п. д. Теоретические работы по анализу высокочастотных характеристик - проводимости, сопротивления, полезной мощности и к. п. д. -лавинно-туннельньгх пролетных диодов, в которых проявляется смешанная форма пробоя и лавинно-туннельный эффект, нам неизвестны.
Анализ показывает, что отсутствует единая теория пролетных приборов, в которых .проявляется инерционная и беэинерционная генерация носителей варяда, из которой как частные случаи можно получить теоретические выражения для отдельных в^ов пролетных приборов. В связи с указанными соображениями целесообразно рассмотреть следующие задачи:
1. Построить единую модель приборов с отрицательным активным динамическим сопротивлением -в режиме электрического пробоя -для малой амплитуды и большой амплитуды сигнала, учитывая лавинно-туннельный эффект генерации носителей заряда
2. Построить единую модель пролетных приборов с безинерцион-ной генерацией (инжекцией) или инерционной генерацией носителей.
3. Провести анализ высокочастотных характеристик и параметров приборов с ОАДС с учетом влияния пространственного заряда подвижных носителей заряда,влияния полевого эффекта в зоне генерации носителей, типа инерционной и безинерционной генерации (ин-жекдои) носителей в линейном и нелинейном режиме. Исследовать выходные характеристики выходную мощность и к. п. д. генераторов с приборами с ОАДС.
2. 2. ОСНОВНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ПЕРЕХОДАХ
При слабых электрических полях в полупроводниках преобладает рассеяние носителей на акустических фононах и ионах примесей. Дрейфовая скорость носителей нарастает при малых и средних значениях электрических полей в полупроводниках. При сильных электрических полях в полупроводниках при движении носителей заряда преобладает рассеяние на оптических фононах. Дрейфовая скорость носителей заряда при сильных электрических полях не зависит от поля и находится в области насыщения. ,
В полупроводниках при сильных электрических полях порядка
10 R/см происходит ударная номинации,которая продстпиляет процесс создания носителей. Под действием сильных электрических полей носители ускоряется.накапливают энергию и при достижении пороговой энергии совершают акт ионизации. Процесс накопления энергии носителей описывается дрейфовой и диффузионной теори- 1 ей. Эффективный коэффициент ударной ионизации,который является обобщенным коэффициентом для электронов и дырок,можно записать в виде [смотрите Вул Б. М. . 1956; Келдыш JL R . 19643:
где £.- характеристическое поле при ударной ионизации,
А ,т - коэффициенты, значения которых определяются типом носителей заряда и полупроводника.
Кроме того, при сильных электрических полях могут иметь место в р-п переходах туннельный эффект, смешанная форма пробоя,лавинное размножение туннельных носителей, эффекты термоэлектронной, термоэлектронно- полевой и полевой эмиссии в переходах металл-полупроводник, которые используются как полевые эффекты для генерации носителей заряда.
2. 3. МОДЕЛИ ПРИБОРОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ АКТИВНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ
СОПРОТИВЛЕНИЕМ. [1,4] Приборы с отрицательным активным динамическим сопротивлением представляют собой преобразователи мощности постоянного тока в СВЧ мощность. Принцип их действия можно рассмотреть с помощью пролетной модели,согласно которой каждый прибор состоит из двух областей: зоны генерации и пролетной области. Зоной генерации является область электрического перехода (р-п переход,.переход металл- полупроводник, PNP, MNM и MNP структуры с проколом переходов) ,в которой создаются пары носителей заряда и формируются токовые импульсы. Генерация носителей заряда происходит в областях больших электрических полей под действием полевых эффектов -туннельного эффекта,ударной ионизации,совместного действия ударной ионизации и туннельного эффекта,лавинно-туннельного эффекта, инхекции неосновных носителей заряда, термоэлектронной, термоэлектронно- полевой и полевой эмиссии носителей заряда и др.
В пролетной области перехода носители движутся с дрейфовой скоростью,рапной скорости насыщения у, . Пакеты носителей заряда,
выходящие из зоны генерации,попадают в дрейфовую область,в которой дрейфовая скорость носителей заряда насыщена. Носители заряда движутся в направлении,обратном переменному СВЧ электромагнитному полю резонансной системы и в результате взаимодействия отдсчют свою энергию резонатору. Указанный процесс является результатом запаздывания тока проводимости по отношению к напряжению.
В зависимости от величины угла запаздывания тока от напряжения в зоне генерации приборы можно разделить на приборы с инерционной или безинерционной генерацией (инжекцией) носителей. Величина дефазирования между током и напряжением определяется 1 степенью взаимодействия между токовыми импульсами и электромагнитным полем в резонаторе,а также и электрофизическими параметрами и характеристиками приборов.
На основании уравнений непрерывности для электронов и дырок получено уравнение лавины:
где СОр - лавинная частота,
- время пролета зоны генерации, ^лв, Э/>б
плотности обратных диффузионных токов электронов и дырок,
Ург- плотность обратного генерационно-рекомбинационного тока,
От- - плотность обратного туннельного тока. В уравнении лавины (2.2) включены токи,которые при определенных условиях создают лавину в переходах. Уравнение (2.2) является обобщенным уравнением лавины в зоне генерации приборов с ОАДС. 2. 4. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ
АКТИВНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ Исследовано влияние формы электрического пробоя (туннельного эффекта,ударной ионизации и совместного их действия при ла-винно-туннельном эффекте) и пространственного заряда свободных носителей на^статические характеристики приборов с ОАДС,учитывая конечные размеры зоны генерации. Для определения статической вольтамперной характеристики (ВАХ) и дифференциального сопротивления ЛПД, ТПД и ЛТПД используются уравнения Пуассона,соответствующие уравнения для лавинного и туннельного тока.
Получено выражение для статической ВАХ пролетных диодов с
резкими р-п переходами. Анализ дифференциальных сопротивлений Ис1 ЛПД, ТПЛ и ЖГЩ показывает, что значение [?с1 увеличивается с нал-ряжением пробоя при туннельном эффекте и ударной ионизации,но уменьшается в переходной области между ними при их совместном действии и лавинно-туннельном эффекте.
2. 5. АНАЛИЗ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИБОРОВ
С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ АКТИВНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ПРИ МАЛОЙ АМПЛИТУДЕ ПЕРЕМЕННОГО СИГНАЛА. [4] Шсокочастотное сопротивление и проводимость приборов с ОАДС исследуются при малом сигнале в линейном режиме, когда отношение между амплитудой переменного сигнала и постоянным напряжением << 1, Соотношения между величинами, описывающими процессы, являются линейными. _ ч
Анализ свойств и параметров туннельного эффекта,ударной ионизации, термоэлектронной эмиссии и инжекции неосновных носителей показывает, что для приборов с ОАДС можно создать единую электрофизическую модель.
Приборы с ОАДС можно рассмотреть с помощью пролетной модели, согласно которой область пространственного заряда с шириной V разделяется на зону генерации с шириной и пролетную зону с шириной Уг . Относительные размеры зоны генерации и пролетной области равны соответно - 8У и Чт - (1 - 8)У , где параметр в зависит от степени локализации генерации электронно-дырочных пар или инжекции носителей в переходе и 0 <6 <1 . Значение параметра в зависит от вида полевого эффекта (формы электрического пробоя, термоэлектронной эмиссии или инжекции носителей) и определяется для каждого конкретного типа пролетного прибора.:
Для определения высокочастотной проводимости и сопротивления приборов с ОАДС будем исходить из систем уравнений,включающих уравнение полного тока,уравнение Пуассона и специфические уравнения полевых эффектов : лавинное уравнение лавинно-туннель-ного эффекта для лавинно-туннельного пролетного диода;уравнение туннельного тока для туннельно-пролетного диода; уравнение термоэлектронной эмиссии и уравнение инжекции неосновных носителей заряда для инжекционно-пролетного диода. Указанные системы уравнений решаются при малой и большой амплитудах переменного сигнала, описываемые соответственно линейной и нелинейной моделями приборов с ОАДС.
Из указанной системы уравнений в линейном приближении для
полного сопротивления приборов с ОАДС,которое состоит из активного и реактивного Хх сопротивления, получается:
В выражениях (2.3,2.4) ^ и Хд -соответственно активное и реактивное сопротивление зоны генерации,
сопротивление,обусловленное барьерной емкостью перехода (р-п перехода или перехода металл-полупроводник ).
Для параллельной эквивалентной схемы полная проводимость пролетного прибора У^ представляет ¡комплексную величину
Полная активная и р'еактивная ^ проводимости пролетного прибора равны:
о о О /п Мл си? 1 /-смсиГ
где Ве- активная и реактивная проводимость зоны генерации, ВсжшС - реактивная проводимость,обусловленная барьерной емкостью перехода.
Определяя зависимости сопротивления ^Ад+уХд или проводимости +¿£¡0 зоны генерации от параметров структуры для каждой конкретной формы полевого эффекта (лавинно-туннельного эффекта, туннельного эффекта, ударной ионизации, инжекции неосновных носителей,термоэлектронной,термоэлектронной полевой и полевой эмиссии носителей) с помощью соотношений (2.3-2.6) в линейной
модели можно получить выражения для полного сопротивления или полной проводимости Уц, соответствующего прибора с ОАДС.
ГЬлучены выражения для полного активного и решстивного сопротивлений лавинно-туннельного пролетного диода,в котором существуют одновременно туннельный эффект и ударная ионизация:
В выражениях использованы следующие обозначения:
„г 2 /дИ ^ , дУг V' ог аг ог Аг
/о ¿<Ъси*7%0 Ч, 2 (2 9)
Полные активная б^^и реактивная В114Т проводимости ЛГПД описываются выражениями:
Коэффициенты ¿7, и 4 являются функциями пролетных углов ЛГПД.
Проведен теоретический анализ кремниевого резкого перехода с напряжением пробоя - 7 В и концентрацией примеси Мл-1.10 см"'' ,в котором проявляется лаьинное размножение туннельных носителей при критическом напряжении ¿/^ > 3 Е На рис. 2.1 изображена зависимость абсолютного значения отрицательной активной проводимости |£мг) от пролетного углая^ для кремниевого диода.в котором проявляется лавинно-туннельный эффект:
-гё"0'7 • ^-2.10* А/смг, 2) 4-1, ^- 1.10* А/см' . 3) -^-1.3 , ^-4.10* А/сма, 4) 1,5 , ^ - 1.10* А/см'.
Зависимость абсолютного значения отрицательного активного сопротивления от пролетного угла сиТ^ для кремниевого ЛГПД представлена на рис. 2.2, при этом кривые 1,2,3 и 4 соответствуют значениям напряжений и токов, указанных для рис.2.1. Как следует из рис. 2.1 и рис. 2.2,при возникновении лавинного размножения происходит расширение частотного диапазона (кривые 1-3), который после этого сужается (кривая 4) под действием пространственного варяда подвижных носителей при увеличении плотности тока.
На рис. 2.3 изображена зависимость абсолютного значения собственной добротности 10.олг| от внешнего напряжения ¿/а при пролетном угле ¿б^-1,25-Г для германиевых ЛГ1Щ (кривая 1) и кремниевых ЛГПД (кривая 2).Абсолютное значение собственной добротности I @0АТ I быстро уменьшается в результате увеличения активного сопротивления с нарастанием внешнего напряжения.
Проведен теоретический анализ высокочастотных характеристик туннельно-пролетного диода,инжекционно-пролетного диода и лавин-но-пролетного диода при малой амплитуде переменного сигнала. Туннельно-пролетный диод и инжвкционно-пролетный диоды являются приборами с практически безинерционной генерацией и инжекцией носителей заряда Туннельный эффект в области СВЧ практически без-инерционен и в результате этого изменения туннельного тока следуют мгновенно за изменениями напряженности электрического поля.
Получены выражения для полной проводимости полного
сопротивления ¿ых пролетных приборов с безинерционной генерацией (инжекцией) носителей (ТПД.ИПД) в линейной модели. Исследованы полные проводимости,сопротивления и эквивалентные схемы ТГЩ, ИПД и ЛПД в соответствии с линейной моделью при малой амплитуде переменного сигнала На рис. 2. 4 изображена зависимость абсолютного значения активного сопротивления I от угла пролета ¿(/Гц, ИПД.
2. 6. НЕЛИНЕЙНЫЙ АНАЛИЗ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИБОРОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ АКТИВНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ПРИ БОЛЬШОЙ АМПЛИТУДЕ ПЕРЕМЕННОГО С^НАЛА. НЕЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ ПРИБОРОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ АКТИВНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Исследуются высокочастотная проводимость и сопротивление, быходная мощность и к. п. д. при большой амплитуде переменного сигнала приборов с ОАДС - ЛТПД, ТГЩ, ИПД и ЛПД.
Для получения в нелинейном режиме высокочастотных характеристик ЛТПД используются уравнение лавины (2. 2).уравнение полного тока и уравнение баланса электрического поля в области пространственного заряда.
Согласно пролетной модели диодов, состоящих из зоны генерации и пролетной области,уравнение плотности полного тока имеет вид: ^
Уравнение баланса электрического поля в области пространственного заряда при большой амплитуде сигнала имеет вил:
где Е0 и и0 - компоненты напряженности постоянного электрического поля и напряжения.
■ При смешенной форме электрического пробоя в зоне генерации формируется ток, который содержит туннельную лавинную.^/^
компоненты плотности тока:
Параметры ¿7 и £ определяют степень нелинейности режимов туннельного эффекта и лавинного размножения.
Решая совместно уравнения (2.2,2.12-2.14) методом гармонического анализа,-для полной активной реактивной ¿^^-проводимости ЛТПД получаются следующие соотношения для перЕой гармоники колебаний:
В соотношениях (2.15,2.16) Н| представляет выражение:
В выражениях для полной активной и реактивной ^^проводимости ЛТПД введены обозначения:
ЛЛеиШШ гб/ -л/ -Г ^ . (2.18)
Здесь 1д , ]/ модифицированные функции Бесселя нулевого и первого порядка.
В области лавинного размножения туннельных носителей заряда члены,содержащие^исоизмеримы. При относительно, слабых полях,когда Е„< 10*В/см .преобладает пролетный механизм для накопления энергии носителями, ^ и из соотно
шений (2.15,2.16) определяются выражения для проводимости в нелинейном режиме при инерционной генерации носителей. В области сильных электрических полей (для кремниевых и арсенид-галлиевых диодов
при Е0 >10 В/см,для германиевых диодов- при Ее >4.10 В/см)
,так как в р-п переходах с малой шириной преобладает туннельный эффект. В этом случай из (2.15,2.16) получаются соотношения для высокочастотной проводимости при безинерционной генерации носителей заряда в контактной области.
Полученные выражения для высокочастотной проводимости дают возможность провести анализ выходной мощности и электронного коэффициента полезного действия СВЧ генератора с ЛГПД. Электронная мощность лавинно-туннельного пролетного диода,вырагеиная с помощью параллельной эквивалентной схемы,равняется:
Нагрузочная мощность СВЧ генератора с ЛГПД определяется выражением:
где бг -нагрузочная проводимость,
<Ьр -активная проводимость объемного резонатора, 65 -проводимость высокоомной области диода. При. переходе от лавинного размножения к туннельному эффекту частота генерированных колебаний увеличивается, а полезная мощность уменьшается. В переходной области плотность полезной мощности,которую СВЧ генератор передает нагрузке,порядка 10 * -10* Вг/скЯ
Электронный коэффициент полезного действия равен:
+ Гу 2Ш /-ша/Т у ¿Ш'Ао*
где плотность постоянного тока диода
В переходной области электронный к. п. д. диода с резким р-п переходом практически 'Может принимать значения от 10£ до 48Х, а с линейным р-п переходом - до 38%. При
-1 и 6-0 максимальный электронный к. п.д. ЛТПД изменяется в диапазоне 21-60% при
переходе от безинерционной к инерционной генерации носителей для оптимального угла пролета Ж^шТ¿¿Ж
В результате сочетания инерционного процесса лавинного размножения и безинерционного туннельного э^екта получается увеличение выходной мощности и к. п. д. в сравнении с ТПД и уменьшение шума при генерации СВЧ колебаний по отношению к ЛПД (смотрите рис. 2.13).
На основании гармонического анализа для последовательной эквивалентной схемы из рассмотренной выше системы уравнений определяются выражения для полного активного К^ат и реактивного сопротивления ЛТГЩ:
В выражениях для полного активного и реактивного Х2АТ
сопротивления ЛТГЩ приняты следующие обозначения:
Электронная Ре и нагрузочная Рт мощность ЛТПД,определенные
с помощью полного высокочастотного сопротивления,равны:
где Ят - нагрузочное сопротивление,
Яр - активное сопротивление объемного резонатора, Из - последовательное сопротивление диода.
Разработаны алгоритма и программы для ЭВМ для расчета высокочастотных характеристик ЛТ1Щ. Анализ и расчеты проведены для структур с резким и линейным переходами,обладающими различными размерами зоны генерации и напряженности электрического поля в области пространственного заряда для различных полупроводниковых материалов.
На рис. 2.5 представлена зависимость абсолютного значения полного активного сопротивления | от частоты f при норми-
рованной амплитуде сигнала а -3 для: а) кремниевого ЛТЦЦ -1. .£-1,25.10* А/ем* , У/ -1,25.105 А/см* ,
7а -5. 10* А/СМ.У , ^-4,5.104 А/см * , У/-7. 10* А/см* , УА-9.105 к/си2. Здесь Уги У/ являются плотностями туннельного и лавинного токов; б) арсенид- галлиезого1- ЛТПЛ -
1. У г -5,5.10* А/см* , 1% -4,6.10 А/смг ,
2. Уг -1,2.103 А/см-5 , Ул -1,5. 10*А/см* ,
3. -7Г-2,5.103 А/см* , ^ -6,3.10*А/см* ,
4. Уг -4,7.10- А/см* , '^-З.Ю5 А/см* .
Для германиевого ЛПЕ зависимость авизной проводимости | от частоты / при амплитухе сигнала а-Ъ изображена на рис. 2. 6 для плотностей токоз:
1. УГ"^ А/см*, У/)-103 А/см2 ,
2. Уг -2,3.10* А/см* , Уа -3,9.10^ А/смг ,
На рис. 2.7 изображена зависимость активной проводимост^ \(яш аосенид-галлиевого .ТГГПГ с: амплитуды переменного сигнала -р- для
плотностей токоз,укаггиньк для рис. 2. 56. Показана область,в которой
с нарастанием тока увеличивается диапазон частот генерируемого переменного сигнала.
Сравнительный анализ для германиевых, кремниевых и арсенид-галлиевых ЛТПД показывает, что большие значения электронной мощности Ре и к. п. д. ре можно получить от арсенид-галлиевых и кремниевых пролетных'приборов из-за более широкого диапазона рабочих температур. Меньшие значения получаются от германиевых диодов в результате меньшего рабочего температурного диапазона, коэффициента теплопроводности и меньшей максимальной напряженности электрического поля. Зависимость электронной мощности Ре кремниевого ЛТПД от амплитуды сигнала при частоте /- 340 ГГц изобра-
жена на рис.2.8. Изменение электронной мощности Ре арсенид-гал-лиевого ЛТПД в зависимости от частоты / при амплитуде сигнала й -3 представлена на рис. 2. 9. Результаты приведены для плотностей туннельного и лавинного токов, которые указаны для рис. 2.5. На рис.2.10 дана зависимость электронного к. п. д. /р^ кремниевых,арсенид-галлиевых и германиевых ЛТПД от амплитуды сигнала ^.Кремниевый ЛТПД при /-340 ГГц, - 7.10УА/смг ,2. Арсенид-галлиевый ЛТПД при /-200 ГГц. ^ -3,4.10 А/см2, !3. Германиевый ЛТПД при /-140ГГЦ, 'JA -1,4.104 А/смг.
Перспективными полупроводниковыми'материалами для получения высокой выходной мощности при генерации и усилении СВЧ колебаний являются SIC, БаР и др. .которые обладают более широким диапазоном напряжений лавинного размножения туннельных носителей заряда благодаря более широкой запрещенной зоне полупроводника.
С помощью туннельно-пролетных диодов можно генерировать и усиливать колебания в миллиметровом диапазоне волн,освоение которого связано с развитием космической электроники и СВЧ радиоэлектронных систем. Пролетные диоды с переходами металл-полупроводник обладает новым сочетанием ценных свойств. Этот класс пролетных диодов характеризуется безинерционной генерацией (инжек-цией) носителей заряда,которые дрейфуют 'в области пространственного заряда с постоянной скоростью под действием сильного электрического поля.
По методу гармонического анализа получены выражения для полной проводимости ТПД и ИПД для параллельной эквивалентной схемы:
ьо m ¿¿ÛJûosso ш /,Г/Ърас 2 5
6Û /00 m /sa^a ¿w/ггц
o m /40 /¿О гго ¿óО /ГГц Рас. г 9
где активная Gwгl и реактивная Вггх проводимости равны:
Ощ ®г//' л. ^ , ^ .,аГ-имГГ
Электронную мощность Ре, нагрузочную мощность Рт и электронный к. п.д. ре можно проанализировать с выражениями (2.192.21). Полупроводниковые структуры, для которых можно получить максимальные значения к. п. д., являются стуктуры с очень малыми значениями параметра 0. Указанную цель можно достичь,используя резкий р-п переход или переход металл-полупроводник.
Важной проблемой ТПД является отвод тепла. Малые значения плосадей поперечного сечения (МО**- 10* смг ) и высокие плотности порогового тока генерации С — Ю-5" - Ю^А/см^ ) значительно усложняют отвод тепла
Полное активное и реактивное сопротивления про-
летных диодов с безинерционной генерацией определяются соотношениями:
- У АтЪгЮ Га Ф ЬУп+^мТ) _
;1з приведенных выше выражений при и можно
получить выражения для полного активного и реактивного сопроти-
влений пролетных диодов при малом сигнале.
Полученные соотношения справедливы для пролетных диодов с безинерционной генерацией носителей. Особенность качдого типа диодов состоит в специфической зависимости тока от напряжености электрического поля.'
На рис. 2.11 ' изображены зависимости абсолютных значений активного сопротивления | ^А кремниевого ТПД от амплитуды переменного сигнала а для плотностей туннельного тока: 1.^-5.10^А/см^
2. ^T-iC^A/CM* , 3. -Х- 5.105 А/ci/ , 4. Уг- 10^" А/см2 .
С увеличением амплитуды сигнала, инерционность диодаyffi/a) ■
нарастает,что изменяет характер активного сопротивления - его значение R^ становится положительным.
Приведены результаты анализа выходной мощности и к. п. д. кремниевого ТПД с резким р-п переходом. Приняты следующие значения параметров: 5 В, Зт-Ь. 10й" к/си2, f-10 сек. ,9 -0,1. Анализ произведен для оптимальной частоты ^S/ ■ Зависимость выходной мощности от амплитуды переменного сигнала ^ и доброт- •
ности Qp резонансной системы приведены на рис. 2.12, где: 4- штри-, ховая линия представляет зависимость электронной выходной мощности Pefa/^jj, непрерывные линии представляют зависимости нагрузочной выходной мощности яля: l.Qp -120 , 2. Qp -250,
3. Qp -450 . Для ТПД с площадью поперечного сечения перехода
10 см абсолютные значения выходной мощности могут составить десятки и сотни милливатт, что приемлемо для большого числа практических применений.
Зависимости электронного к. п. д. fe от угла пролета ¿ü
f изображены на рис.2.13 для ТПД (1) и ЛПД (2). Учитывая, что в ТПД амплитуда напряжения при генерации ограничена условием ¿¡г^О.6, то для 9 * 0 к. п. д. может быть /ре - 107.. Для сравнения здесь приведены данные для p^/wi') ЛПД.
В ИПД со структурами металл-полупроводник-металл,р-п-р и п-р-п при приложении напряжения между напряжением смыкания ¿/е и напряжением охватаUsfi/g^tl/g) происходит инфекция неосновных носителей заряда в пролетную область.
Для структуры м-п-м при Ил< И < И^ параметиы а и jß равны
где N,, - концентрация докорных примесей в полупроводнике.
£ 7 ¿ 9 Sû S/ '3S/7Ú S Г S â SS /J//V¿<
s s¿ s¿- ¿va ¿? 4> s /г ss а
fp-ñ -p Si [/fS] prtjetya'//?
6 7 ¿ g ?a // ¿? sj^/T« ¿ ? г <? ss sj sr/Ts P&CtP./S -> ^ V
При анализе высокочастотных характеристик пролетных диодов с безинерционной инжекцией для параллельной эквивалентной схемы справедливы соотношения (2.27,2.28), а для последовательной эквивалентной схемы -соотношения (2.29,2.30) такие же, как при безинерционной генерации носителей.
Разработаны алгоритм и программа для машинного анализа высокочастотной проводимости,сопротивления,электронной Ре и нагрузочной Рт мощностей и электронного к.п.д. ИПД. Параметры для машинного анализа высокочастотных характеристик для структуры п-р-п, р-п-р и симметричной структуры Р1-полупроводник-Р1 приведены в табличном виде.
Зависимости абсолютных значений активных проводимостей от частоты /для п-р-п и р-п-р кремниевых и для п-р-п арсенид-галлиевых ИПД приведены на рис.2.14 для крутизны-¿г -10 (2. 31). На рис. 2.15 показаны зависимости активного сопротивления |<^-|от частоты / для ИПД со структурой РЬ-п31-Р1 при О. -10 и Р1-пОаАз-Р1 при а -9.
Амплитудные зависимости абсолютных значений активной проводимости для п-р-п и р-п-р кремниевых и п-р-п арсенид-галлие-вых ИПД представлены на рис. 2.16 при оптимальной рабочей частоте. Амплитудные зависимости абсолютного значения активного сопротивления | ИПд со структурами Р1-п51-Р1 и Р1-п6аАз-Р1 представлены на рис. 2.17 для оптимальных рабочих частот. Зависимости электронной мощности Ре от частоты Г для пяти типов ИПД,полученные с помощью машинного анализа на ЭВМ, изображены на рис.2.18 при О. -10 для кремниевых и О. - 12 для арсенид-галлиевых ИПД.
Видно, что электронная мощность Ре арсенид-галлиевых ИПД больше мощности для кремниевых диодов, так как первые генерируют при большей амплитуде переменного сигнала. На рис. 2.18 нанесено экспериментальное значение Ре- 10-22 мВт для кремниевого ИПД со структурой р-п-р [Л5], подтверждающее правильность теории.
На рис. 2..19 показана частотная зависимость электронного к. п. д.при оптимальной амплитуде переменного сигнала ¿7-10 для кремниевых и а - 12 для арсенид-галлиевых ИПД. В работе С Л53 для кремниевого ИПД со структурой р-п-р получено экспериментально значение к. п.д.
0,5% при частоте генерации 10 ГГц, которое находится в соответствии с проведенными теоретическими исследованиями. Самое высокое теоретически определенное значение электрон-
ного к. п. д. для ИПД составляет 21X, когда ширина зоны инжекции и
бесконечно мала и - ^ -1. С учетом конечных значений ширины зоны инжекции У^ и амплитуд переменных напряжений экспериментальный электронный к. п. д. может достигать до 5-101. В ИЦЦ,однако,уровень шума ниже по сравнению с уровнем шума для ЛПД.
Разработана теория, методы моделирования и проектирования нового класса полупроводниковых СВЧ приборов для работы на более высоких частотах с отличным технико-электрическим сочетанием параметров.
ГЛАВА III. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ С ПЕРЕМЕННОЙ ЕМКОСТЫй
[7,8,9,10,11,Л11.Л133 3.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГОЛУПРОВОДНШЮВЫХ ПРИБОРАХ
С ПЕРЕМЕННОЙ ЕМКОСТЫй Полупроводниковые приборы с переменной емкостью используются как управляемая нелинейная реактивная проводимость. Роль нелинейной емкости может выполняться емкостью р-п перехода, перехода металл-полупроводник и м-д-п перехода, значение которой зависит от приложенного напряжения. К моменту выполнения автором работы были известны варакторы и варикапы,изготавливаемые на базе сплавной и диффузионной технологии. Совершенствование диффузионных ва-ракторов и варикапов и создание варакторов и варикапов с ионно-имплантированными р-п переходами позволило автору существенно улучшить совокупность электрических параметров этих приборов (граничная частота, коэффициент изменения емкости, добротность,последовательное сопротивление и др. в 1,5 - 2 раза).
Приборы с переменной емкостью анализируются и исследуются в СЛб,Л7,Л8].В СЛб] рассмотрены различные типы управляемых полупроводниковых емкостей (конденсаторов)- диффузионных,сплавных и выращенных из расплава переходов, основные параметры варикапов, характеристики и эквивалентные схемы варикапов,а также основные режимы работы варикапов в электрических схемах. В [Л7] описаны варакторы с диффузионными р-п переходами. Число публикаций о варак-торах с ионно-имплантированными р-п переходами ограничено, при этом нигде не приведены данные об их конструктивно-технологических и электрических параметрах и характеристиках.
Для разработки полупроводниковых гетеродинных генераторов с перестройкой частоты,полупроводниковых преобразовательных устройств для РЛС,радионавигационной апаратуры и СВЧ радиозлектрон-
пых систем необходимы приборы с переменной емкостью. Учитишы выше изложенное, целесообразно:
1. Разработать и исследовать приборы с переменной емкостью: варакторы и варикапы с диффузионными и ионно-имплантированными р-п переходами. ^
2. Исследовать и привести основные характеристики и параметры разработанных'приборов с переменной емкостью. Исследовать зависимости между их конструктивно-технологическими и электрическими параметрами.
3.2. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Приведены основные зависимости емкостей р-п перехода,перехода металл-полупроводник и м-д-п перехода,а также рассмотрены режимы работы диодов с переменной емкостью. Вольт-фарадная характеристика (ВФХ) диода с р-п переходом при обратных смещениях (в режиме номинального возбуждения ) описывается выражением:
где минимальное значение барьерной емкости,соответствую-
щее напряжению пробоя И^ , Г - показатель нелинейности ВФХ, и.к - контактная разность потенциалов, Сс - емкость корпуса
Значение У зависит от распределения примесей и определяется технологией изготовления р-п перехода Для плавного р-п перехода У« 1/3 ,для резкого р-п перехода - У= 1/2 , для сверхрезкого ]>п перехода- 1(> 1/2. Приведены эквивалентные схемы диодов с переменной емкостью и анализированы особености диодов с р-п переходом, переходом металл-полупроводник и м-д-п переходом.
Диоды с переменной емкостью характеризуются следующими параметрами: номинальная емкость Сйпот , коэффициент изменения емкости
, напряжение пробоя , последовательное сопротивление и максимально допустимая мощность рассеяния Ртах.
Для оценки эффективности преобразования, которое можно осуществить диодом с переменной емкостью, используются параметры:
С ПЕРЕМЕННОЙ ЕМКОСТЬЮ
(0 .добротность Qd , критическая частота t> и динамическая добротность QÄ .
Варакторы представляют собой диоды с переменной емкостью,которые используются для электронной перестройки частоты резонансных контуров и умножения частоты. В варакторах могут использоваться полупроводниковые структуры с р-п переходом, переходом металл-полупроводник и м-д-п переходом. Среди перечисленных выше приборов ьаракторы с р-п переходом имеют наивысшую надежность и воспроизводимость параметров и характеристик. Поэтому они имеют наиболее широкое практическое применение.
Для частот от 1 ГГц до 26 ГГц применяются в основном кремниевые варакторы,которые позволяют работать на более высоких уровнях мощности при преобразовании колебаний по сравнению с варакто-рами на основе других полупроводников. Использование кремниевых приборов позволяет перекрыть широкий диапазон рабочих частот - от 0,5 ГГц до 26 ГГц, верхняя граница которого определяется физическими ограничениями кремния. При выборе структур варакторов учитываются требования к напряжению пробоя.коэффициенту изменения емкости, последовательному сопротивлению и термическому сопротивлению.
3. 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРАКТОРОВ С P-N ПЕРЕХОДАМИ
Процесс разработки варакторов для конкретной области применения состоит в оптимизации их параметров для получения высокой эффективности преобразования и максимального уровня преобразуемой мощности. Рабочий частотный диапазон определяется величиной реактивного сопротивления ( емкости) варактора, а значение выходной мощности зависит от минимального напряжения пробоя и термического сопротивления.
Разработана методика моделирования, анализа и проектирования варакторов. В результате оптимизации конструктивно-технологических параметров были разработаны варакторы для диапазона 1-18 ГГц. Структура кремниевого планарно-эпитаксиального варактора изображена на рис. 3.1а. На низкоомной N кремниевой подложке с удельным сопротивлением 0,002 Ом см выращивается высокоомный N-эпи-таксиаяьный слой с удельным сопротивлением Jj -0,6-3 Ом. см и толщиной 1,-6-12 мкм. Формирование р-п перехода осуществляется с помощью двухэталной диффузии бора в N -эпитаксиальном слое и имеет толщину ж,- — 3 мкм. Омический контакт к Р-диффузионному слою создается с помощью термического или электронно-лучевого испарения ме-
таллоп, которые термообрабативаются для улучшения адгезии слоя металлизации. Распределение концентрации примесей I ил(х) - 1 н пла-нарно-эпитаксиальном варакторе с диффузионным р-п переходом показано на рис. 3. 16. Кристалл варактора монтируется в СЕЧ моталло-керамическом корпусе,в котором улучшение отвода тепла достигается с помощью медного кристаллодержателя. Эмиттерный вывод делается с помощью термокомпрессии золотой проволоки диаметром 25 - 40 мкм. Используемые СВЧ металло-керамические корпуса типа F27d и керамические корпуса типа МН-4 обладают емкостью Сс -0,2 пФ.
При конструктивно-технологическом проектировании и разработке планарно-эпитаксиальных кремниевых варакторов проведено экспериментальное исследование зависимости емкости Cd и коэффициента изменения емкости J* от конструктивно-технологических параметров полупроводниковой структуры. На рис. 3.2 дана зависимость емкости варакторных диодов Cd при приложеном обратном напряжении Ug-6B в зависимости от поверхностного сопротивления Rsd диффузионного слоя. Исследование проведено для варакторных диодов для диапазона 8-12 ГГц, при чем разработаны серии диодов с тремя значениями сопротивления N-эпитаксиального слоя J^ -1,6; 3; 4 Ом. см.
На рис. 3,3 изображена зависимость коэффициента изменения емкости - £ '. ^ варакторов для диапазона 8-12 ГГц с удельным сопротивленйем^-эпитаксиального слоя ^ -1,6; 3; 4 Ом. см в зависимости от поверхностного сопротивления Rsd диффузионного слоя. Максимальные значения коэффициента изменения емкости ^-3-5 получаются для варакторов с удельным сопротивлением N-эпитаксиального слоя^-1-3 Ом. см и поверхностным сопротивлением диффузионного слоя Rsd -150-300 Ом/а .Коэффициент изменения емкости- ¿7 вара-кторной структуры (без корпуса) достигает значения б. •шоп&дь р-п перехода определяется необходимой номинальной емкостью варактора.
Разработана серия планарно-эпитаксиальных кремниевых варакторов с диффузионными р-п переходами,состоящая из пяти типов диодов, каждый тип из которых предназначен для работы в определенном частотном диапазоне. Для увеличения рабочей частоты варакторов проводилась оптимизация конструкций,которая показала необходимость уменьшения емкости Cj, уменьшения последовательного сопротивления Rs и увеличения граничной частоты fco . Основные электрические параметры разработанной серии планарно-эпитаксиальных кремниевых варакторов с диффузионными р-п переходами представлены в таблице 3.1.
На рис. 3.4 показана зависимость добротности Qd разработанной серии варакторов от приложенного постоянного обратного напряжения И при частоте переменного сигнала 100 МГц. На рис. 3. 5 приведена зависимость добротности Qd разработанной серии варакторов от частоты приложенного переменного сигнала f при обратном постоянном напряжении Ие=б В. Экспериментальная зависимость граничной частоты ff0 разработанной серии варакторов от приложеного обратного напряжения И показана на рис. 3. G. Варакторы характеризуются с граничной частотой fc0 в диапазоне от 30 до 180 ГГц при 1^-6 В.
При исследовании на надежность разработанных варакторов была испытана выборка варакторов типа 2А3106 с объемом п£-10 шт. при максимальной длительности времени испытания ti-5000 ч. Оценка надежности проведена испытанием варакторов при приложеном обратном напряжении К^ =25 В, при IR«1 мкА и температуре Tj «=125сС. Критерием надежности варакторов является 1ц <1 мкА. Отказы при испытании варакторов отсутствуют.
Ионная имплантация является одним из перспективных технологических методов изготовления варакторов. Способ ионной имплантации, обеспечивающий создание р-п переходов с небольшой глубиной (xj-^1 мкм),позволяет использовать более тонкие эпитаксиаль-ные слои в диодных структурах,что обуславливает уменьшение последовательного сопротивления Rs и улучшение высокочастотных параметров варакторов.
С помощью имплантации ионов бора B^J разработаны шесть типов планарно-эпитаксиальных кремниевых варакторов. Исследованы однократно имплантированные р-n переходы с низкотемпературной и высокотемпературной обработкой,а также двухкратно имплантированные р-п переходы с низкотемпературной и высокотемпературной обработкой.
Свойства планарно-эпитаксиальных ионно-имплантированных переходов зависят от следующих параметров: дозы Ф, энергии Е и температуры ионного легирования, времени и температуры последующей термообработки. Процессы ионной имплантации более гибкие и дают большие возможности для формирования заданных профилей распределения концентрации внедренных примесных ионов. Разработана методика моделирования варакторов, изготовленных методом однократной и двукратной ионной имплантации. Выполнена математическая оптимизация профиля примеси, направленная на получение заданных электрических параметров. Сопоставление диффузионных и имплантированных прибо-
ров показывает, что для последних граничная частота, коэффициент
изменения емкости и добротность в. 1,5-2 раза выше. Оптимальными
являются дозы в диапазоне Ф-(0,0-5).10 см, энергия имплантации Е- 70-100 юв. .причем соотношение между энергиями первичного Е, и вторичного Ег внедрения составляет 0,5-0,75,термообработка в диапазоне 850-1150°С. Изменением энергии и дозы имплантированных ионов можно получать переходы, различающиеся по распределению примесей в р-п переходах и областях, граничащих с ними. На рис. 3.7а показано распределение примесей \\\д(х)-\ух)\ в варакторной планарно-эпитакси-альной кремниевой р-пп структуре с однократно имплантированным р-п> переходом. Распределение имплантированных акцепторных примесей близ-' ко к распределению Гаусса с глубиной залегания р-п перехода . Для изготовления варакторов с двухкратно ионно-имплантированными р-п переходами существенное значение имеет выбор оптимального соотношения энергий последовательно имплантированных акцепторных ионов, при котором получается максимальный коэффициент изменения емкости. На рис.3.76 показано распределение примесей 11^)-\у/)1 в варакторной планарно-эпитаксиалыюй кремниевой р-пп+ структуре с двухкратно ионно-имплантированным р-п переходом.
Разработана впервые серия планарно-эпитаксиальных кремниевых варакторов с ионно-имплантированными р-п переходами, состоящая из шести типов диодов, электрические параметры которых приведены в . таблице 3.2.
Зависимости последовательного сопротивления Иэ и граничной частоты Гсо разработанной серии варакторов от приложенного обратного постоянного напряжения И приведены соответствено на рис. 3.8 и рис. 3. 9. Граничная частота варакторов принимает значения в диапазоне Г(0 - 50-400 ГГц. Сравнительный анализ высокочастотных па- | рачетров показывает,что варакторы с ионно-имплантированными р-п переходами имеют в 1,5-2 раза более высокие грагшчные частоты,чем варакторы с диффузионными р-п переходами. По споим высокочастотным характеристикам и параметрам варакторы с ионно-имплантщюванными? р-п переходами сравнимы и превосходят варакторы с переходами металл- полупроводник.
Варикапы используются для электронной перестройки частоты ' . . резонансных контуров и умножения частоты в диапазоне до 1 ГГц. Ва-
И.фантори с. Д11;1фу:1шнтши р-н переходами
Параметр» Типовое обозначение и значения парамет|юь
2А3103 2А3104 2А3105 2АЗЮ6 2АЗЮ7
Рабочая частота^ ГГц 2-6 4-8 6-0 8-12 12-18
Номинальна« емкость 1,4-2,4 0,9-1,5 0,9-1,2 0,7-0,9 0,2-0,5
И^.В при 1^=10 мкА 40 40 40 40 40
Обрат гшй ток I^гмкА . при И^ = 20В I I ■I I I
Варакторц с ионно-имплантированными р-п перехода!.®
Тип Напряжение пробоя и^.в при 1=10мк4 Номинальная ешсость Су^ЛпФ Рабочая частота /ДТЦ Добротность при =6В и /=100МГц Граничная частота /со ^ при к^=4В