CCF20090228005

*

R_s

(a)

trawienia, wykorzystywanych uprzednio do realizacji mikroukładów mechanicznych (szczególną cechą krystalicznego krzemu jest duża różnica szybkości trawienia zależnie od orientacji osi krystalograficznych). W elektronice technologia ta umożliwia z jednej strony precyzyjne wykonywanie rozmaitych struktur pasywnych (n.p. wnęki rezonansowe na zakres fal milimetrowych), z drugiej zaś na włączanie do układów części ruchomych, uruchamianych przez rozmaitego typu aktywatory, Typowym przykładem są tu mikrofalowe przełączniki elektromechaniczne '■ oraz kondensatory o zmiennej pojemności wykorzystujące sterowanie ze źródeł napięciowych i siły przyciągania elektrostatycznego. Jest to możliwe dzięki sprężystości cienkich membran metalowych.

3. Diody i tranzystory na zakres h.w r-/

3.1. Diody stosowane w powielaczach częstotliwości, układach przemiany częstotliwości, modulatorach, demodulatorach

Diody ostrzowe i diody z bariera Schottkv’eim

Dioda powstaje przez dociskowe skontaktowanie ostro zakończonego drutu z odpowiednim półprzewodnikiem (Rys. 3.1a. Powstaje w ten sposób złącze mctal-pólprzewodnik (m-p) z pewnym potencjałem kontaktowym cp. Podstawową zaletą złączy m-p jest brak. nośników mniejszościowych (występujących w złączach p-n) i w związku z tym brak pojemności dyfuzyjnej, uniemożliwiającej wykorzystanie diod p-n jako nieliniowych rezystancji w zakresie mikrofal. Z przeciwnej strony biylka pólpi-zewodnika pokryta jest innym metalem, nie tworzącym z półprzewodnikiem bariery potencjału (kontakt omowy). Historycznie jest to pierwszy' mikrofalowy przyrząd półprzewodnikowy', obecnie nie stosowany w tak prostej wersji.

| docisk

półprzewodnik___    •

baza

(^a)    (b)

Rys. 3.1. a) Przekrój diody ostrzowej osadzonej na metalowej bazie; b) przekrój planarnej diody' Schottky’ego wykonanej na półprzewodniku z warstwą epitaksjalną.

Dioda ostrzow'a posiada istotne wady. Uzyskanie właściwej wartości potencjału kontaktowego wymaga zastosowania słabo domieszkowanego półprzewodnika (na ogól typu n, ze względu na większą ruchliwość elektronów'). Z kolei bryłka półprzewodnika musi mieć dostatecznie dużą grubość (n.p 100 gm), aby nie rozpaść się pod naciskiem drucika. W rezultacie, mimo że do poprawniej pracy złącza m-p wystarczy grubość półprzewodnika rzędu mikrona, jest on znacznie grubszy. Prowadzi to do znacznego wzrostu szeregowej rezystancji strat diody i w konsekwencji pogorszenia jej potencjalnych parametrów. Struktura jest wrażliwa na wstrząsy i zanieczyszczenia osadzane z otaczającej atmosfery.

Na Rys. 3.1 b przedstawiono przekrój podstawowej struktury współczesnej diody ' mikrofalowej, nazywanej diodą Scliottky’ego. Nazwa wiąże się z faktem, że to Schottky przedstawił analizę złącza m-p w postaci planarnego kontaktu metalicznego n.p. w kształcie kola), naniesionego na odpowiedni półprzewodnik. Taki właśnie kształt mają najczęściej diody Schottky’ego. Dzięki takiej konstrukcji złącza jest ono mechanicznie i elektrycznie tnvalc. Co więcej, pozostałą powierzchnię półprzewodnika można zabezpieczyć przed wpływami zewnętrznymi, nanosząc odpowiednią dielektryczną warstwę ochronną. Drugim istotnym ulepszeniem jest zastosowanie dwuwarstwowego półprzewodnika: potrzebna nam cienka warstwa typu n (zwana ze wzglądu na stosowany proces technologiczny warstwą epitaksjalną) jest budowana na znacznie grubszej warstwie półprzewodnika zdegenerowanego n⁺. Dzięki temu diody Schottky’ego mają małą rezystancję szeregowy.

Kontakt z metalem Złącza m-p uzyskuje się przez przyspawanic do niego doprowadzającego drucika łub taśmy. Pojawia się tu jednak istotna trudność: średnice złączy diod Schottky’ego na zakres mikrofal są rzędu mikrometrów (jeszcze mniej w przypadku diod na zakres fal milimetrowych), nic jest więc możliwe bezpośrednie łączenie ich z drucikami połączeniowymi o typowych średnicach powyżej 20 pm. Konieczne jest przygotowanie dodatkowego poła kontaktowego na warstwie ochronnej, które nic uczestniczy w tworzeniu złącza m-p, zwiększa jednak pasożytniczą pojemność diody.

Układ zastępczy złącza diody m-p ma postać przedstawioną na Rys. 3.2a. Występują w nim dwa elementy nieliniowe: konduktancja wynikająca ze związku pomiędzy prądem przewodzenia a napięciem na złączu (3.1) oraz pojemność warstwy opróżnionej istniejącej przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym (3.2). W związku z tym diody Schottky’ego są wykorzystywane jako nieliniowe rezystancje (warystory) i nieliniowe kondensatory (waraktory). Zasada działania warystorów i waraktorów Schottky’ego jest więc taka sama, różnią się one jednak średnicą złącz oraz domieszkowaniem i grubością warstwy epitaksjalnej. W układzie zastępczym złącza pojawia się również szeregowa rezystancja strat R,, związana przede wszystkim z rezystancją obszaru półprzewodnika poza warstwą opróżnioną.

T_X

(b)

Rys. 3.2. a) Układ zastępczy diody ze złączem m-p; b) Układ zastępczy diody uwzględniający oprawkę łub doprowadzenia.

I_p = I_s (exp aV, — 1) , a = q/(nkT) (3.1) Q = Q(0)[1 - V_z/<|>](3.2)

gdzie q - ładunek elektronu, k- stała BoItzmanna,T— temperatura w skali Kelvina, n - t.zw. współczynnik nieideal-nóści złącza, <f> - potencjał kontaktowy.

Na Rys. 3.2b przedstawiono kompletny układ zastępczy złączowej diody mikrofalowej, uwzględniający oprócz złącza elementy reprezentujące oprawkę diody łub doprowadzenia. W technice b.w.cz. stosowane są rozmaite wersje oprawek (n.p oprawki współosiowe, oprawki plastikowe z wyprowadzeniami paskowymi, oprawki do montażu powierzchniowego). Najbardziej zminiaturyzowane są diody z wyprowadzeniami belkowymi (ang. bcam iead). Dodatkowy zaletę tych diod stanowi zmniejszenie efektu naskórkowego w obszarze półprzewodnika zdegenerowanego, uzyskane dzięki konstrukcji -wymuszającej przepływ prądu wzdłuż powierzchni półprzewodnika.

W związku z brakiem nośników mniejszościowych warystory diodach ze złączem m-p wykazują ogromną szybkość działania, umożliwiającą stosowanie ich w układach powielaczy częstotliwości i mieszaczy w całym zakresie mikrofal, łącznic z zakresem submilimetrowym.

Waraktory ze złączem n-n

Diody ze złączem p-n stosowane są jako waraktory w układach mikrofalowych powielaczy częstotliwości, elektronicznie przestrajanych oscylatorów i elektronicznie przestrajanych filtrów. W celu uniknięcia problemów związanych z oddziaływaniem nośników mniejszościowych przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia średni punkt pracy diody ustalany w obszarze polaryzacji zaporowych a amplituda napięcia zmiennego (b.w.cz + napięcie przestrajające czy też modulujące) powinna być ograniczona w taki sposób, aby nie było przepływu prądu przewodzenia. Do układów przestrajanych w szerokim zakresie potrzebne są waraktory' o szerokim zakresie zmian pojemności złącza, przekraczającym zakres zmian pojemności. odpowiadający typowym rozkładom gęstości domieszek — liniowemu i skokowemu. Do tych zastosowań produkowane są t.zw. waraktory hiper strome