ДИОД ГАННА Российский патент 1996 года по МПК H01L47/02 

Изобретение относится к электронной технике, конкретнее, к диодам Ганна, предназначенным в основном для монтажа в микрополосковые, щелевые и т.п. СВЧ-линии, например, доплеровских радиолокационных установок.

Известны диоды Ганна сэндвич-конструкции с выводом контактов в разные плоскости и диоды планарной конструкции с выводом контактов в одну плоскость [1] Планарные диоды удобны в отношении монтажа их в полосовые, щелевые и т. п. СВЧ-линии, но работают на относительно низких частотах и с малым КПД и в миллиметровом диапазоне практически не применяются. Сэндвич-диоды работают на более высоких частотах и с лучшим КПД, но сложны в монтаже в микрополосковые и т.п. линии из-за нахождения омических контактов в разных плоскостях.

Известен диод Ганна n⁺-n-n⁺ сэндвич-конструкции [2] (прототип) с контактами, выведенными в одну плоскость. В этом диоде два объема соединены общей n⁺-подложкой, являющейся анодным контактом. В качестве катодного контакта используется противоположная общая подложка металлизированная поверхность одного из объемов. Другой объем с металлизированной поверхностью используется в качестве арматуры, которая увеличивает прочность всей конструкции, не оказывая влияния на работу диода.

Если в диоде такой конструкции в качестве анодного контакта использовать металлизированную поверхность второго объема, сделав ее достаточно большой по сравнению с площадью катодного контакта, то получится диод Ганна сэндвич-конструкции с контактами, выведенными в одну плоскость. В нем объем с большей площадью контакта будет нерабочим, поскольку сопротивление его значительно меньше, чем сопротивление объема с малой площадью контакта, но он будет обеспечивать через n⁺-подложку контакт с активной части первого объема с малой площадью контакта.

Однако, нерешенными остаются вопросы оптимальности формы, взаимного расположения и соотношения размеров площадей контактов с точки зрения рациональности использования площади кристалла, минимизации потребляемой мощности в пассивной части диода и взаимосвязан активной части диода с СВЧ-полем схемы, в которой диод используется.

Технической задачей изобретения является решение перечисленных выше вопросов. Рациональное использование площади кристалла увеличит процент выхода годных диодов из пластины, а минимизация потребляемой мощности и увеличение взаимосвязи диода с СВЧ-полем схемы, в которой он используется, повысит чувствительность этой схемы, например приемо-передатчика доплеровской радиолокационной установки.

Достигается поставленная задача тем, что два объема с разными площадями контакта расположены по разные стороны от центра квадрата кристалла диода, на его диагонали, симметрично относительно последней. Контакт большей площади имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника с катетами, параллельными сторонами квадрата кристалла. Отношение площадей большого, S^б, и малого, S_м, контактов удовлетворяет условию S_б/S_м≥10 К₁, а расстояние L по упомянутой диагонали от одного контакта до другого равно L K₂d_nf_p, где d_n - толщина активной части объемов, f_p рабочая частота СВЧ-устройства, в котором используется диод, а K₁ и K₂ определяемые экспериментально коэффициенты.

Далее поясним суть изобретения ссылками на чертежи.

На фиг.1 пример конструкции кристалла диода при прямоугольном малом контакте, (а) вид сверху; (b) вид сбоку; фиг.2 возможные варианты конфигурации и взаимного расположения площадей контактов двух объемов кристалла диода; фиг. 3 схема включения кристалла на рис.1 в щелевую линию, (a) вид сверху; (b) вид сбоку.

На фиг.1 кристалл диода имеет два объема с малой 1, и большой 2, площадями контактов, содержащие n⁺ _k контактный слой 3, активный n-слой 4 и n⁺ _б буферный слой 5 и соединенные друг с другом общей n⁺-подложкой 6.

При надлежаще выбранных конфигурации и соотношении размеров площадей контактов обоих объемов кристалла диода и их взаимном расположении можно получить надежный механический и тепловой контакт при монтаже при минимальном потреблении мощности и рациональном использовании площади кристалла.

Экспериментальные исследования, проведенные авторами, показали, что контакты малой и большой площади следует размещать по разные стороны от центра квадрата кристалла, на его диагонали, симметрично относительно нее. Отношение площади большого, S_б, и малого, S_м, контактов должно удовлетворять условию S_б/S_м≥10 К₁, а расстояние по упомянутой диагонали кристалла от одного контакта до другого, L, должно равняться L K₂d_nf_p, где d_n толщина активной части диода, f_p рабочая частота устройства, в котором используется диод, а K₁ и K₂ экспериментально определяемые коэффициенты.

Величина K₁ определяется технологическими и топологическими нормами на изготовление кристалла заданных параметров (прежде всего по чувствительности) и находится в пределах 1,5^oC10, оптимальное же значение лежит в диапазоне 2^oC5.

Величина K₂ определяется частотным диапазоном работы кристалла и типом резонансной системы СВЧ-схемы, в которой диод используется, и, как показывает эксперимент, находится в пределах 0,5^oC5 ГГц^-1, если частота измеряется в гигогерцах, а L и d_n в микронах. Оптимальная же величина K₂ лежит в диапазоне 0,7^oC2,5 ГГц^-1.

Определенное соотношение между толщиной активной области диода, d_n, и рабочей частотой СВЧ-схемы, f_p, задается необходимостью выбора условий оптимального взаимодействия собственных колебаний активной части кристалла с колебаниями, возникающими в резонаторе СВЧ-схемы.

Увеличение расстояния L приведен к уменьшению взаимосвязи активной части диода с полем резонатора СВЧ-схемы и, следовательно, к снижению чувствительности устройства. Уменьшение расстояния L приведет к ужесточению требований к точности выполнения размеров топологии резонатора, точности процессов сборки и снижению процента выхода годных СВЧ-устройств. Что же касается конфигурации контактов, то она определяет только рациональность использования площади кристалла, и поэтому наиболее оптимальной конфигурацией обеих контактов будет треугольная, в виде прямоугольных треугольников с катетами, параллельными сторонам квадрата кристалла. Но вообще, выбор конфигурации малого контакта почти не влияет на размер кристалла, и тут возможны варианты, например, показанные на фиг.2. На фиг.3 показан пример монтажа кристалла диода Ганна предлагаемой конструкции в щелевую линию, например, приемо-передатчика радиолокатора. Кристалл монтируется, например методом пайки, на металлизированную поверхность топологии щелевой линии 7, выполненной на диэлектрической подложке. Топология представляет собой полуволновый резонатор, в центр которого и монтируется кристалл диода.

Использование: в электронной технике. Сущность изобретения: кристалл диода имеет два разделенных объема с малой и большой площадями контактов. Диод содержит n⁺ контактный слой, n-активный слой, и, n⁺ буферный слой, соединенные между собой общей подложкой. Кристалл имеет форму квадрата в плане. Контакт большей площади - это анодный контакт, он имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника с катетами, параллельными сторонам квадрата кристалла. Контакт меньшей площади может иметь форму квадрата со сторонами параллельными сторонам кристалла или форму равнобедренного прямоугольного треугольника с катетами параллельными сторонам кристалла. Соотношение площадей анодного контакта и площади катодного контакта не менее 10К, где К_2-5. Контакты расположены по разные стороны от центра квадрата кристалла на его диагонали, симметрично относительно последней. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Диод Ганна, имеющий кристалл, содержащий раздельные области, размещенные на общей подложке и имеющие активный слой n-типа на подложке и слой n⁺-типа на активном слое, анодный и катодный контакты к соответствующим n⁺-типа слоям, отличающийся тем, что подложка выполнена n⁺-типа, кристалл имеет форму квадрата в плане, раздельные области расположены по разные стороны от центра квадрата кристалла на его диагонали симметрично относительно последней, анодный контакт выполнен к раздельной области с большей площадью и имеет в плане форму равнобедренного треугольника, обращенного основанием к центру кристалла, причем отношение площади анодного контакта S_а к площади катодного контакта S_к удовлетворяет условию S_а/S_к≥10K₁, где К₁=2 5 коэффициент. 2. Диод Ганна по п.1, отличающийся тем, что расстояние L по диагонали от анодного контакта до катодного равно L=K₂d_nf_р, где d_n толщина активного слоя кристалла диода, f_р рабочая частота диода, К₂=0,7 2,5 ГГц^-1 при размерности d_n и L в мкм, а f_р в ГГц. 3. Диод Ганна по п.1 или 2, отличающийся тем, что катодный контакт имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника, обращенного основанием к центру квадрата кристалла диода. 4. Диод Ганна по пп.1 и 2, отличающийся тем, что катодный контакт имеет форму квадрата со сторонами, параллельными сторонам квадрата кристалла.