Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989), страница 6

Рассматриваемая модель принципиально допускает учет сколь угодно большого числа гармоник гетеродина и комбинационных частот. Однако с ростом их числа и соответствующим усложнением эквивалентной схемы трудоемкость всех этапов расчета быстро нарастает. В то же время точность определения результирующих характеристик смесителя, как показывает сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей, улучшается незначительно в силу недостаточной надежности определения параметров смесительной камеры и соответствующей экивалентной схемы для гармоник гетеродина и комбинационных частот высокого порядка.

Ограничение низким порядком гармоник и комбинационных частот дает возможность определить эквивалентные параметры смеснтельной камеры расчетным путем, не прибегая к физическому масштабному моделированию и экспериментальным измерениям импедансов внешних (относительно диода) цепей, которые оказываются необходимыми в методике Хелда н Керра [56, 60]. В обзорном плане в главе рассматриваются также характеристики смесительных диодов с барьером Шотки и вопросы их оптимизации, схемы и конструкции смесителей, роль глубокого охлаждения.

Приводятся примеры расчета и конструкций смесителей. 22. СМЕСИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ С БАРЬЕРОМ ~ШОТКИ Диод с барьером Шотки является наиболее универсальным и широко используемым нелинейным элементом смесителей ММ и СММ диапазонов из-за высокой чувствительности, широкополосности, пригодности для работы в широком диапазоне частот (до 3 ... 5 ТГц [6Ц), малогабаритности, достаточной механической прочности и стойкости к неблагоприятным климатическим воздействиям.

ДБШ может работать в интервале температур от комнатного (7=70=290 К) до водородного уровня (Тж15 К)„при глубоком охлаждении его чувствительность возрастает в 3 ...7 раз [62]. Некоторым недостатком ДБШ-смесителей является потребность в относительно большой, порядка милливатта, гетеродинной мощности, которая дефицитна на частотах ММ и СММ диапазонов. В этом отношении ДБШ уступает устройствам, работающим при гелиевых температурах (7~4 К), типа джозефсоновских контактов, структур сверхпроводник — изолятор — сверхпроводник, смесителей на п-!п5Ь, которые требуют на несколько порядков меньшей мощности Однако усовершенствование конструкции и технологии производства ДБШ позволило значительно снизить, особенно в 29 случае глубокого охлаждения, необходимую мощность гетеродина.

Диоды с барьером Шотки ММ диапазона возникли в результате эволюции точечного контакта металл — полупроводник СВЧ диодов, превращения его в «чистый» контакт между металлом и полупроводником, последующей всесторонней оптимизации его параметров и развития утонченной технологии изготовления. В современном виде ДБШ состоит из металлической .площадки очень малых размеров (анода), осажденной на поверхности тонкого, определенным образом легированного эпитаксиального слоя, выращенного на поверхности полупроводника с высокой удельной проводимостью (подложки), имеющего с противоположной стороны металлический омический контакт (катод). Площадь и форма анода, так же как и характеристики эпитаксиального слоя и подложки, определяют емкость, омическое сопротивление потерь и ВАХ диода и являются основными объектами оптимизации.

Цель оптимизации — получение минимальных шумов и потерь преобразования, а также снижение необходимой мощности гетеродина. Предпосылки для оптимизации следуют из теоретических моделей проводимости !63), шумов (64) и потерь преобразования [65] ДБШ Высокочастотные ДБШ обычно изготовляют из арсенида галлия, который обладает высокой подвижностью носителей и хорошей растворимостью донорных примесей. Некоторые донорные примеси, например кремний или теллур, позволяют получать арсенид галлия и-типа с удельным сопротивлением (1 ...0,5) ° 10 ' Ом см.

При равной с кремнием концентрации носителей, что является условием равенства емкостей барьера, вследствие большей подвижности носителей ОаАз имеет в 5 раз большую проводимость. Среди сплавов элементов Ш вЂ” У групп для изготовления ДБШ представляется перспективным 1п5Ь, обладающий еще в 9 раз большей подвижностью. Однако вследствие малого энергетического зазора выпрямляющий контакт на 1п5Ь может быть получен только при криогенных температурах, что ограничивает область его применения. Опыты создания диодов на основе 1п5Ь показали наличие аномально большого последовательного сопротивления потерь и относительно низкого шунтирующего сопротивления !62).

Наиболее распространенная конструнция бескорпусного ДБШ с прижимным проволочным выводом показана на рис. 2.1. Эпитаксиальный слой (эпислой) арсенида галлия и-типа толщиной 0,1...0,3 мкм с концентрацией доноров А!=2-10ьз...2 10" см-з выращивается на подложке из п+-баАз с концентрацией доноров У=-."2.10'з см — ', зависящей от вида донорной примеси. Обычная толщина подложки около 100 мкм. Омический контакт с ее обратной стороны образуется в виде высоколегированного слоя вплавленнем металла (Р1 — Ап) в полупроводник. Эпислой на лицевой стороне полупроводникового кристалла покрывается защитным слоем 5ЬОя толщиной 0,3 ... 0,4 мкм.

В этом слое методами фотоили электронной литографии проделываются окна, определяющие форму анода, образуемого осаждением на эпислой пленки металла (Р1, Ы! и др.), покрываемой золотом. Переход от травления 30 йЛдй АН АнОд а! йиииссяий Г/ лзижднж Рнс. л.!. Конструкцня бескорпусного даода с барьером Шатка с прижимным оронолочным выводом (а) н разрез полупроясднняоной структуры а области анода (б). Показаны лннэн протекания тока н оолупронодэнке прн разной толп!яке скмн- слоя б окон к осаждению металлического анода на эпнтаксиальную пленку является одной из наиболее тонних и ответственных технологических операций, определяющих качество контакта металл — полупроводник.

При этом необходимо обеспечить полное удаление остатков травителя, избежать подтравливания защитного слоя по периметру окон, приводящего н увеличению емкости, и не допустить образования оксидной пленки на поверхности эпнслоя, которая нарушает контакт между металлом и полупроводником и ухудшает шумовые свойства диода. Использование плазменной технологии для вскрытия окон позволяет преодолеть многие из этих трудностей (66).

Эквивалентная схема ДБШ представлена на рис. 2,2. Ее основными элементами являются нелинейная проводимость д(У) и емкость с(У) барьерного слоя и последовательное сопротивленве омических потерь Я,. При конструктивном оформлении диода в эквивалентной схеме появляются новые элементы: последовательная индуктивность проволочного вывода, емкость корпуса и др.

Нелинейная проводимость барьера д(У) определяется двумя основными механизмами переноса зарядов: термоэмиссионным и полевым, относительная роль которых зависит от абсолютной температуры Т, концентрации доноров в эпитаксиальном слое Ж и эффентивной массы носителей пз'. С ростом Т увеличивается число термически возбужденных дМ электронов, энергия которых достаточна для преодоления потенциального барьера на границе металл — полупроводник. Действие сил зеркального изображения с увеличением АЧпз* приводит к уменьшению ширины и высоты потенциального с(у! барьера. Сужение барьера происходит рнс яя, энннпаленпзая слебыстрее, чем уменьшение его высоты.

мп ДБШ 3! о ! 3 Рис. 2.3. Т в исиаость во!первой ЗЮ Поэтому при некоторой концентрации Л( барьер вблизи вершины оказывается достаточно тонким, и термически возбужденные электроны, энергия которых недостаточна для преодоления барьера, могут туннелировать через него вблизи вершины. Этот смешанный температурно-зависимый механизм переноса зарядов называется термополевым. Дальнейшее увеличение концентрации примесей делает возможным туннелирование у основания барьера (полевой механизм эмиссии), который температурно независим.

В широком диапазоне температур ВАХ ДБШ хорошо аппроксимируется выражением [631 1= 1оех р ( У(Уо) (2.1) в области, где!)) 1,. В этом выражении Уо= (Еоо(ц) с1Л(Еоо(йТ); Еоо=ц Ю(Л!(4ето) '!', (2.2) д, й, е — соответственно заряд электрона, постоянная Планка и диэлектрическая проницаемость. В диапазоне низких температур или при умеренных температурах, но достаточно больших Л(, когда механизм полевой эмиссии является преобладающим с1Л(Еоо((оТ)-о. 1 и Уо — — Еоо(д не зависит от температуры. В другом предельном случае, когда Т велико и (или) мало Л', действует термоэмиссионный механизм проводимости. При этом с1Л(Еоо(йТ)- мТ()Еоо, Уо= =ЬТ(д и 1=1,ехр (дУ((гТ). (2.3) Часто используется аппроксимация 1= 1, (ехр (д У(т)ЬТ) — 1), (2.4) пригодная также в области малых прямых и обратных токов.

Здесь параметр идеальности т1~!. Его отличие от единицы, возраста4 !4(гоо ч ющее с уменьшением температуры явля! ется проявлением полевого механизма \ проводимости. Отметим, однако, что во многих случаях это отличие овидетельст- Ц вует о неидеальности перехода, вызванной наличием окислов и загрязнением поверхности полупроводника. Зависимости Уо и т! от температуры в обобщенных коего ординатах представлены на рис. 2.3. При комнатной температуре отклонение от ,б термоэмиссионного механизма в баАз ! оь становится заметным для Л!=о (1...2) Х Х10" см-'.

Для обычно используемых концентраций Л(= 2'10'о ... 2. 1О!г см и и меха!низм,полевой проводимости станог г вится основным при Т(70 К. В этом гг(гоо случае, как следует нз (2.1), (2.2) и о т,рноп вв. (2.4), г1=Еоо(ИТ. Обратим .внимание еще параметров вольт- на одну причину, ограничивающую сте- ДБш'" р"" ' пень легирования конце 'рацией Л(= =2 10'! см — '. При таком Л! пробивное напряжение снижается до значения, близкого к 4 В, и наблюдается лавинный шум диода. сильно увеличивающий шумы смесителя.

При меньшем легировании пробивное напряжение увеличивается, а лавинный шум исчезает [621. Емкость с(У) области пространственного заряда барьера Шатки при постоянном смещении У определяется выражением [62) с (У) = пав [дар((2 (Ф вЂ” У) ) '!о, (2.5) где Ф=0,85 ...