СВЧ-ПРИБОР Советский патент 1996 года по МПК H01L29/41 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности к приборам СВЧ на твердом теле, и может быть использовано в измерительной, вычислительной технике и радиопередающих устройствах СВЧ.

Известен твердотельный усилитель, содержащий слой полупроводника с двумя контактами и изолированный от полупроводника слой с хорошей проводимостью. При приложении к контактам достаточно сильного напряжения постоянного тока полупроводник приобретает отрицательное дифференциальное сопротивление.

Недостатком этого прибора является отсутствие управляющих электродов, что ограничивает его функциональные возможности.

Известен также транзистор бегущей волны, содержащий слой арсенида галлия n-типа на полуизолирующей подложке, два омических контакта к слою арсенида галлия и два электрода с барьерами Шоттки, которые параллельны омическим контактам и расположены возле них. При подаче на омические контакты и электроды напряжения постоянного тока, а на входной электрод Шоттки СВЧ сигнала, в слое арсенида галлия возникает бегущая волна СВЧ, экспоненциально нарастающая от входа к выходу прибора. Выключение прибора и устранение разброса параметров, возникающих при изготовлении отдельных приборов, осуществляется путем изменения напряжения, прикладываемого к электродам с омическими контактами и с барьером Шоттки.

Транзистор бегущей волны используется для усиления и генерирования СВЧ колебаний. Его функциональные возможности ограничиваются отсутствием управляющих электродов, которые позволили бы управлять процессами образования и распространения бегущей волны СВЧ при неизменяющихся напряжениях на омических контактах, а также входном и выходном электродах с барьерами Шоттки.

Наиболее близким техническим решением является СВЧ прибор, снабженный двумя электродами и омическими контактами и параллельно им расположенными двумя электродами с барьерами Шоттки и двумя управляющими электродами. В известном приборе управляющие электроды расположены вне области распространения бегущей волны симметрично относительно вертикальной оси прибора. При подаче на электроды с омическими контактами и на электроды с барьерами Шоттки постоянного напряжения, а на входной электрод Шоттки СВЧ сигнала, в слое арсенида галлия возникает бегущая волна СВЧ, экспоненциально нарастающая от входа и выходу прибора. Выключение прибора осуществляется подачей на управляющие электроды импульса напряжения с амплитудой, равной по величине напряжения, приложенному к электродам с барьерами Шоттки.

Недостатком данного СВЧ-прибора являются ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия возможности управлять процессами образования и распространения бегущей волны СВЧ при неизменяющихся напряжениях на электродах с омическими контактами, входном и выходном электродах с барьером Шоттки, в результате подачи на два управляющих электрода импульсов напряжения.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей.

Цель достигается тем, что управляющие электроды расположены над областью распространения бегущей волны симметрично относительно горизонтальной оси прибора.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично представлен СВЧ прибор.

СВЧ прибор содержит эпитаксиальный слой арсенида галлия n-типа 1 с двумя параллельными электродами с омическими контактами 2,3, два электрода с барьерами Шоттки 4 и 5, расположенных на слое арсенида галлия параллельно омическим контактам, а также два управляющих электрода 6 и 7, которые параллельны электродам 4 и 5.

СВЧ прибор работает следующим образом. На входной электрод 4 подается СВЧ сигнал в диапазоне от 2 до 18 ГГц. Между электродами 2, 3 прикладывается постоянное напряжение -(-80 В) на электрод 3, ближний к входному электроду 4. Напряжение смещения прикладывается также к электродам 4 и 5 (-85 В) на входной электрод 4 и к управляющим электродам (-90 В) на электрод 7 и (-10 В) на электрод 6. При подаче на электроды 6 и 7 импульсов напряжения, равных по величине и одинаковой полярности (+10 В), в слое арсенида галлия возникает бегущая волна, экспоненциально нарастающая от входа к выходу прибора, т. е. прибор включается, а на его выходе появляется усиленный СВЧ сигнал. По окончании импульсов прибор выключается. Устранение разброса параметров, возникающих при изготовлении отдельных приборов и установлении оптимальных условий образования и распространения бегущей волны СВЧ осуществляется путем изменения напряжений, прикладываемых к электродам 2, 3 и электродам 5, 4.

Для обеспечения необходимой для работы прибора напряженности электрического поля и исключения возможности электрического пробоя арсенида галлия, расстояние между электродами 4 и 7 и электродами 5 и 6 выбраны равными (1,5-2)а, где а расстояние между электродом 5 и омическим контактом 2. Это расстояние зависит от сопротивления исходного арсенида галлия и от величины напряжения смещения, которое подается на электроды в процессе дальнейшей работы прибора.

Размеры управляющих электродов рассчитываются с учетом допустимой рассеивающей мощности и минимальной ширины пленки, технологически реализуемой выбранным методом. Из технологических соображений ширина управляющих электродов выбрана равной ширине электрода 5.

Существенное увеличение ширины управляющих электродов (в 2-5 раз) может привести к резкому увеличению шумов.

Работа прибора обусловлена следующими физическими процессами. Систему "управляющий электрод 6 или 7 арсенид галлия омический контакт 3" можно рассмотреть как диод Шоттки, поскольку величина напряжений на электродах и контактах СВЧ выбраны таким образом, что напряженность поля между контактом 3 и электродами 6 и 7 больше, чем между контактом 2 и электродами 6 и 7, соответственно.

В исходном состоянии (-90 В) на электроде 7 и (-10 В) на электроде 6 барьеры Шоттки смещены в прямом направлении и происходит инжекция основных носителей заряда электронов в объем полупроводника. Вследствие этого в области образования бегущей волны концентрация основных носителей заряда увеличивается, а напряженность поля падает ниже порога междолинного электронного перехода. Поэтому прибор находится в выключенном состоянии. При подаче на управляющие электроды импульсов напряжения (+10 В) барьеры Шоттки этих электродов смещаются в обратном направлении и инжекция основных носителей заряда прекращается. Концентрация основных носителей уменьшается вследствие их рекомбинации на омическом контакте. В результате этого напряженность поля вблизи входного электрода увеличивается, достигает критической величины, что вызывает зарождение домена, образование и распространение бегущей волны СВЧ. Прибор включается. Если импульс напряжения (+10 В) подан только на один из управляющих электродов, например 6, СВЧ прибор находится в выключенном состоянии, т. к. основные носители заряда инжектируются в объем арсенида галлия и через прямосмещенный барьер Шоттки другого управляющего электрода соответственно. Тем самым нарушаются оптимальные условия образования и распределения бегущей волны СВЧ.

При отключении управляющих электродов от источника питания прибор может быть использован в качестве транзистора бегущей волны. При особых режимах подачи напряжения смещения на контакты и электроды СВЧ прибор может работать как СВЧ генератор. В этом случае изменением напряжения на управляющих электродах можно регулировать коэффициент обратной связи генератора.

Использование СВЧ прибора позволяет получить технико-экономический эффект за счет сокращения расходов на разработку ряда приборов для СВЧ диапазона, так как наряду с выполнением функций транзистора бегущей волны СВЧ прибор может дополнительно применяться в качестве быстродействующего элемента, реализующего логическую функцию "И" для быстродействующих ЭВМ. Время включения и время выключения такого элемента составляет величину порядка 0,4-0,6 нс, что обусловлено суммой времени рассасывания объемного заряда основных носителей, инжектируемых из управляющих электродов и времени дрейфа волны пространственного заряда в слое арсенида галлия. Кроме перечисленных выше функций, данный СВЧ прибор может выполнять также функции быстродействующих модулятора, выключателя и двухпозиционного переключателя в устройствах СВЧ. Наличие управляющих электродов позволяет расширить функциональную возможность СВЧ прибора. При этом трудоемкость и материалоемкость в процессе изготовления СВЧ прибора увеличивается незначительно по сравнению с процессом изготовления известных СВЧ приборов, так как управляющие электроды можно изготовить одновременно с электродами с барьером Шоттки и из того же материала.

СВЧ-прибор на основе арсенида галлия, снабженный двумя электродами с омическими контактами и параллельно им расположенными двумя электродами с барьерами Шоттки и двумя управляющими электродами, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, управляющие электроды расположены над областью распространения бегущей волны симметрично относительно горизонтальной оси прибора.

СВЧ прибор на основе арсенида галлия, снабженный двумя электродами с омическими контактами и параллельно им расположенными двумя электродами с барьерами Шоттки и двумя управляющими электродами, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, управляющие электроды расположены над областью распространения бегущей волны симметрично относительно горизонтальной оси прибора.