ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ СВЧ И КВЧ ДИАПАЗОНОВ Российский патент 1998 года по МПК H01L29/86 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при создании твердотельных приборов для аппаратуры связи, радиоэлектронной аппаратуры и медицинских исследований.

Известен СВЧ-генератор шума на лавинно-пролетном диоде (ЛПД), где в качестве активного элемента - преобразователя энергии источника постоянного напряжения в широкополосные электромагнитные колебания СВЧ-диапазона, зависимость которых от времени описывается стационарной случайной функцией, используют мезаструктуру в простейшем случае типа n⁺-n-p⁺ на металлизированной теплоотводящей подложке и с верхним (к n⁺-слою) омическим контактом [1].

Относительно большие размеры мезы, необходимость теплоотводящей подложки и пр. затрудняют использование ЛПД при изготовлении монолитных интегральных схем в рамках планарной технологии. Сильная зависимость входного сопротивления ЛПД от частоты требует изготовления специального развязывающего устройства для подключения к СВЧ-тракту.

Известен генератор электромагнитных колебаний на диоде с междолинным переходом электронов (генератор Ганна), где одновременно в качестве пассивной цепи - колебательной системы СВЧ-диапазона и активного элемента - преобразователя энергии источника постоянного напряжения в гармонические колебания СВЧ-диапазона используют снабженную металлическими контактами медным теплоотводом вертикальную n⁺-n-n⁺- структуру на основе арсенида галлия или фосфида индия, выращенную на подложке из этих материалов. Генераторы Ганна уступают аналогичным устройствам на ЛПД по мощности, но имеют меньший уровень шума [2].

Относительно большая толщина пролетного n-слоя, большие напряжения питания, особые требования к вопросам изоляции являются недостатками при разработке современных интегральных схем методами планарной технологии. Использование диода Ганна в широкополосных генераторах, требующее громоздкого внешнего устройства, не имеет преимуществ перед генераторами на ЛПД.

Известны схемы генераторов электромагнитный колебаний на диоде Эсаки (туннельный диод), где в качестве активного элемента используют заключенный между двумя омическими контактами p-n-переход с очень малой толщиной запирающего слоя [3].

Одним из недостатков этих устройств является необходимость использования метода вплавления для получения узкого p-n-перехода. Известно, что со временем такие переходы деградируют. Устройства на туннельном диоде технологически плохо совместимы с другими элементами микроэлектроники, даже если в качестве материала рассматривать лишь арсенид галлия.

Наиболее близким по конструкции к изобретению является генератор электромагнитных колебаний СВЧ - (сверх высокой частоты) и КВЧ - (крайне высокой частоты) диапазонов, содержащий источник постоянного напряжения, активный элемент - преобразователь энергии источника постоянного напряжения в электромагнитные колебания, включающий расположенную на проводящей подложке и содержащую область резонансной проводимости резонансно-туннельную структуру (РТС) с участком отрицательной дифференциальной проводимости на ее вольт-амперной характеристике (ВАХ), причем источник постоянного напряжения присоединен через омические контакты к проводящему слою подложки и резонансно-туннельной структуре, и пассивную цепь - резонатор колебаний. Резонатором является внешнее устройство - волновод или микрополосковая линия [4].

Однако это устройство также имеет недостатки. Частота генерации определяется внешним громоздким устройством - резонатором. Эта частота для основной гармоники не может превышать предельную частоту генерации активного элемента, причем при приближении к этой частоте характеристики устройства ухудшаются. Сказанное относится ко всем упомянутым выше устройствам, общее у которых - использование участка с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП) ВАХ активного элемента.

Для устранения этих недостатков и получения устройства с намного более широким диапазоном рабочих частот при много более высоком значении предельно достижимой частоты с лучшими мощностными показателями и технологически хорошо совместимого с другими активными и пассивными элементами микроэлектроники в генераторе электромагнитных колебаний СВЧ- и КВЧ-диапазонов, содержащем источник постоянного напряжения, активный элемент - преобразователь энергии источника постоянного напряжения в электромагнитные колебания, включающий расположенную на проводящей подложке и содержащую область резонансной проводимости РТС с участком ОДП на ее ВАХ, причем источник постоянного напряжения присоединен через омические контакты к проводящему слою подложки и к РТС, и пассивную цепь - резонатор колебаний, в качестве резонатора колебаний используют проводящий слой подложки, при этом кратчайшее расстояние a между омическим контактом к проводящему слою подложки и областью резонансной проводимости РТС больше, чем отношение проводимости σ проводящего слоя подложки к абсолютному значению отношения разности плотности токов к разности напряжений в точках экстремума ВАХ области с резонансной проводимостью.

Таким образом, необходимо условие a > σ/λ , λ = где i_p, v_p и i_v, v_v - соответственно значения плотности тока и напряжения в точках экстремума - в начале и конце участка ОДП ВАХ области с резонансной проводимостью. В частном случае область с резонансной проводимостью может занимать всю РТС.

Изобретение поясняется чертежом, на котором дано схематическое изображение сечения вдоль линии тока варианта конструкции на непроводящей подложке активного элемента и пассивной цепи генератора по изобретению.

На непроводящей подложке 1 выращены последовательно проводящий слой 2 толщиной h с проводимостью σ , на котором изготовлен нижний омический контакт 3, и РТС 4, отделенная по слою 2 от контакта 3 щелью 5 шириной a₁ и длиной l. Величина l - это также длина контакта 3 и РТС вдоль направления, перпендикулярного плоскости чертежа. На верхней поверхности РТС изготовлен второй омический контакт 6, причем из-за особенностей процесса токопереноса в резонансной проводимости не участвует расположенная под ним область 7 РТС шириной a₂, условно отделенная на чертеже от области 8 резонансной проводимости вертикальной пунктирной линией. Таким образом, в необходимом условии работы генератора - a > σ/λ : a - сумма ширин щели 5 и области 7, т.е. a= a₁+a₂. В частном случае ширина области 7 a₂=0. Для варианта конструкции с проводящей подложкой обычно нижний контакт изготавливают на нижней поверхности подложки, при этом h равна толщине подложки и a=h.

Устройство работает следующим образом. На контакты генератора от источника питания (источника постоянного напряжения) подают постоянное напряжение, обеспечивающее нахождение рабочей точки РТС в пределах участка ОДП ВАХ области с резонансным туннелированием. При этом, если удовлетворительно необходимое соотношение a > σ/λ между геометрическими и физико-технологическими параметрами, в измерительном тракте наблюдается генерация непрерывных и равномерных электромагнитных колебаний в полосе частот от низких до значений порядка обратного максвелловского времени релаксации электронов в проводящем слое подложки. При подаче постоянного напряжения, смещающего рабочую точку РТС за пределы указанного участка ОДП, генерация прекращается.

Был изготовлен генератор шума, где активным элементом являлась РТС шириной 4•10^-3 см и длиной 1,25•10^-3 см на основе системы арсенид галлия - арсенид алюминия, а пассивной цепью - проводящий слой арсенида галлия толщиной h= 10^-4 см на непроводящей подложке из того же материала. Конструкция соответствовала изображенной на чертеже. При этом ширина щели 5 a₁=10^-3 см, проводимость слоя 2 σ = 2•10² (Ом•см)^-1. На статический ВАХ генератора наблюдался участок ОДП в пределах 1,22 - 1,27 В (при изменении полного тока от 98 до 75 мА), что определило диапазон рабочих напряжений источника постоянного напряжения. Оказалось, что a₂ = 3•10^-3 см, λ = 1,25•10⁵ (Ом•см²)^-1. Таким образом, a=a₁+a₂ = 4•10^-3 см, σ/λ = 1,6•10^-3 см, и необходимое условие a > σ/λ выполнено. Расчетная предельная частота генерации оказалась равной 2 ГГц.

Генератор, помещенный в 2-мм корпус транзистора, включался в 50-омный микрополосковый измерительный тракт. В диапазоне частот 0,01 - 25 ГГц производились измерения мощности генерации и спектра излучаемых частот при постоянном напряжении на контактах, равном 1,25 В (постоянная составляющая тока при этом была равна 94 мА). Измеренная суммарная излучаемая мощность в диапазоне частот составила 20 мкВт, спектральная плотность мощности шума 2,9•10⁵ единиц кТ, где кТ = 0,0256 эВ. Спектр излучаемых колебаний оказался непрерывным и равномерным во всем диапазоне частот. При подаче постоянного напряжения, выходящего за пределы указанного диапазона 1,22 - 1,27 В, полностью исчезали как мощность генерации, так и шумовая дорожка на экране спектроанализатора.

Использование: создание твердотельных полупроводниковых приборов для аппаратуры связи, радиоэлектронной аппаратуры и в медицине. Сущность изобретения: генератор электромагнитных колебаний СВЧ- и КВЧ-диапазонов, в котором активный элемент -преобразователь энергии источника постоянного напряжения в электромагнитные колебания содержит резонансно-туннельную структуру с участком отрицательной дифференциальной проводимости на ее вольт-амперной характеристике. Резонансно-туннельная структура расположена на проводящей подложке и содержит область резонансной проводимости. К ней и к проводящей подложке через омические контакты подсоединен источник постоянного напряжения. Пассивная цепь генератора - резонатор колебаний в виде проводящего слоя подложки. Кратчайшее расстояние между контактом к проводящему слою подложки и областью резонансной проводимости больше, чем отношение проводимости проводящего слоя подложки к абсолютному значению отношения разности плотности токов к разности напряжений в точках экстремума вольт-амперной характеристики области с резонансной проводимостью. 1 ил.

Генератор электромагнитных колебаний СВЧ и КВЧ диапазонов, содержащий источник постоянного напряжения, активный элемент-преобразователь энергии источника постоянного напряжения в электромагнитные колебания, включающий расположенную на подложке с проводящим слоем и содержащую область резонансной проводимости резонансно-туннельную структуру с участком отрицательной дифференциальной проводимости на ее вольтамперной характеристике, причем источник постоянного напряжения присоединен через омические контакты к проводящую слою подложки и резонансно-туннельной структуре, и пассивную цепь - резонатор колебаний, отличающийся тем, что в качестве резонатора колебаний использован проводящий слой подложки, при этом выраженное в см кратчайшее расстояние между омическим контактом к проводящему слою подложки и областью резонансной проводимости резонансно-туннельной структуры больше, чем отношение выраженной с (Ом•см)^-1 проводимости проводящего слоя подложки к выраженному в (Ом•см²)^-1 абсолютному значению отношения взятой в единицах 1000 мА/см² разности плотности токов к взятой в В разности напряжений в точках экстремума вольтамперной характеристики области с резонансной проводимостью.