Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989), страница 8

Следующие требования к эпитаксиальному слою ДБШ существенны для минимизации эквивалентной шумовой температуры смесителя. 1. Обедненная область, связанная с барьером Шотки, должна размещаться в пределах эпислоя с достаточно малой концентрацией доноров. В этом случае обеспечивается термоэмиссионный механизм проводимости, приводящий к п=1 (2.3), уменьшается емкость барьера (2.5) и оказывается достаточно высоким пробивное напряжение.

Последнее позволяет использовать большую мощность гетеролина для достижения малых потерь преобразования без опасения возрастания шумов, связанных с лавинным пробоем. Отметим, что для сохранения минимального значения и с понижением температуры концентрация лоноров в эпнслое лолжна уменьшаться. 2. С другой стороны, концентрация доноров в эпислое должна быть достаточно высокой, что необхолимо для снижения составляющей 1с„связанной с необедненной частью эпислоя (1г.,). При глубоком охлаждении диода это позволяет избежать сильного возрастания Й. за счет «вымораживания» носителей.

зт Минимальная эквивалентная шумовая температура смесителей, работающих при температуре Тч=290 К, достигается при )У= =(1 ... 2).10" см-'. Для смесителей, охлаждаемых до температуры Тт!5 К, лучшие результаты достигнуты при Ж= =2.10м см — '. Показано, что при такой концентрации охлаждение от комнатной температуры приводит к уменьшению Т,„в 7 раз, в то время как при И=2.10" см — ' — в 2,5 раза. ° Толщина эпислоя должна несущественно превышать ширину барьера, с тем чтобы составляющая )г, входящая в !г„была минимальна.

При этом для уменьшения )г, важна высокая крутизна нарастания концентрации примесей при переходе от эпнтаксиального слоя к подложке. Резкое возрастание концентрации непосредственно за пределами обедненной области барьера обеспечивает минимум )г, и малую зависимость емкости барьера от напряжения (диод Мотта). Однако роль последнего фактора является дискуссионной, поскольку регенеративные эффекты, связанные с модуляцией емкости, в большинстве случаев приводят к уменьшению потерь преобразования одноднодных и балансных смесителей не только в ММ, но и в СММ диапазоне [6!1. Как уже отмечалось, кроме параметров идеализированной эквивалентной схемы существенное влияние на потери преобразования и шумы могут оказывать дополнительные фактрры, связанные с конструкцией и технологией изготовления ДБШ.

Несмотря на то, что данные измерений иа постоянном токе и низких частотах не могут исчерпывающим образом характеризовать свойства ДБШ на ММ и СММ волнах, эти измерения выявляют дефекты диодов, приводящие к росту их шума, и позволяют отбирать лучшие диоды, По прямой ветви ВАХ могут быть определены т! и !г, на постоянном токе. Наибольший интерес представляет участок ВАХ в интервале прямых смещений 0,4 ... 0,95 В и токов 10 — '... ...

10 ' А. Наклон прямой, наилучшим образом сглаживающей зависимость логарифма тока от напряжения смещения в интервале токов 1Π— ' ... 10 ' А, определяет т1; при Т=290 К т1=17,4(У(10-')— — У(40-')), где У(7) — напряжения в вольтах, соответствующие токам 1О ' и 10-' А или любым другим отличающимся друг от друга в 1О раз токам в пределах линейного участка зависимости. Используя еще два напряжения, соответствующие различающимся в 1О раз токам в области верхнего загиба, вызванного )г, (обычно 10 — ' и 1О-э А), методом четырех точек может быть найдено )г„ в омах, измеренное на постоянном токе [68): 1! ! ! ! [ ( У( ! 0-2) У( ! 0-з) ) ( У ( ! 0-4) У( ! Π— з) ) ) Отклонение ВАХ, построенной в полулогарифмнческом масштабе, от прямой при малых токах вызывается несовершенством кристалла полупроводника в области барьера и дефектами его поверхности.

Токи утечки, превышающие 2.10-' А, свидетельствуют о неудовлетворительной технологии и приводят к росту шумов диода. Индикатором качества технологической операции завершения травления окон перед осаждением анода является также кру- 38 тнзна обратной ветви ВАХ в окрестности напряжения пробоя У,„ которое обычно определяется как обратное смешение, вызывающее ток 10 э А.

Для диодов удовлетворительного качества прн очень малом в порядка 0,1 В в изменении напряжения обратного смещения в окрестности 1'„ происходит изменение обратного тока на два порядка [62). Рассмотренный бескорпусный диод в виде сотовой полупроводниковой структуры с прижимным проволочным выводом имеет минимальные паразитные емкости н, как следствие, может работать на наиболее высоких частотах. Благодаря этому он получил широкое применение в волноводных и квазиоптических смесительных камерах ММ и СММ диапазонов. Недостатки бескорпусного диода — трудность замены н подбора диодов в смесителях и детекторах и ограниченная устойчивость к климатическим и механическим воздействиям.

Конструкции типа волноводной диодной вставки [69, 70) существенно облегчает сборку, подбор и замену диодов; несколько сложнее установка в камеру бескорпусных диодов, собранных на тонких диэлектрических пластинках [71), устанавливаемых в Е-плоскости волновода. Статистические данные о климатической и механической стойкости бескорпусных диодов очень ограниченны. Случаи многолетией круглогодичной эксплуатации бескорпусных диодов в аппаратуре, расположенной на антеннах радиотелескопов и подвергающейся значительным перепадам температуры и влажности, не являются редкими. В то же время прижимной контакт не может выдерживать удары и высокочастотные вибрации.

Большое влияние на прочность прижимного контакта оказывают материал, толщина, качество заточки и отделки поверхности контактной иглы. Ответственной операцией является контактирование диода; прн неудачной операции, когда игла скользит по поверхности защитной пленки из двуокиси кремния, прежде чем попадает в окно одного из диодов, острие часто деформируется, что приводит к повышению емкости и непрочности диодов. Для облегчения контакгнрования отдельные диоды на поверхности сотовой структуры должны располагаться достаточно близко друг к другу. В бескорпусных смесителях криогенных приемников необходимо подбирать конструкционные материалы таким образом, чтобы температурные изменения размеров отдельных деталей не меняли расстояние между держателем иглы и диодом.

С целью повышения механической прочности, защищенности от климатических воздействий и удобства монтажа диодов в волноводные и гибридные интегральные конструкции разрабатываются ДБШ, помещенные в корпус. В случае миниатюрного цилиндрического корпуса таблеточного типа, предназначенного для волноводных конструкций, анод и омическнй контакт ДБШ сваркой илн пайкой соединяют с торцевыми' металлическими стенками корпуса. Его диэлектрическая боковая поверхность по высоте делается близкой к высоте волновала, в котором предполагается использовать диод (около 0,3 мм на !00 ГГц). Диаметр корпуса Зэ а) В) Ц Рне. 2.6. Диод с балочными нынодаын на нолуврозодзнкозой (а) н цоляимвлной (б) основе н разрезе и нцд выводов диода н ллзне (в): 1 — полупроводниковая ппдлвжва вз слабо лвгвравапвпгп ар«введя галлия: у — зпятаяеяалз+ вый слой и -баАв;  — впвтаасяальввя пленка л-баАз:  — защнтпый слой;  — впздушяый прапвжуюя для упеяьшепвя апввств; б — вводный вывод; 7 — яаятавт Шйтяв;  — впвчесяяй контакт; У вЂ” яазпдвый вывод; 10 — пплввмядвая основа должен быть достаточно малым, чтобы исключить возможность резонанса в диэлектрической стенке как кольцевом резонаторе (при н=4 для Л=2 2 ...

3 2 мм наружный диаметр 1((06... 08мм). Это в значительной мере ограничивает частоты, на которых такой корпус можно применять. Другой тип корпусного диода — диод с балочными выводами— предназначен для монтажа в микрополосковые линии, чаще всего являющиеся составной частью гибридных волноводно-микрополосковых конструкций смесителей (рис.

2.6). Диоды этого типа быстро совершенствуются, благодаря чему в настоящее время их можно применять во всем ММ диапазоне. В деталях их описанные конструкции сильно различаются 1721. В качестве механической основы диода обычно используют полупроводниковую подложку нз слвболегированного полуизолирующего арсенида галлия, на котором выращивается эпитаксиальный слой п+-СуаАз. На поверхности последнего образуется тонкая эпитаксиальная пленка л-ОаАз, покрываемая защитным слоем (5(Ох, 5(ОВ/5(з)Ча). Контакт Шоткн создается нанесением слоев платины и золота на поверхность.

ц-ОвАз через малое окно в защитном слое. К контакту присоединяют один из балочных выводов, оформленных в виде постепенно сужающейся полоски. Другой вывод присоединяют к омическому контакту с и+-Оайз, имеющему форму подковы и охватывающему контакт Шотки. Геометрия диода н свойства эпитаксивльных слоев оптимизируются с целью достижения минимальных )г, и со, а также пвразитной емкости между выводами. В качестве конструктивной основы диодов с балочными выводами все более широкое применение получает также полинмидная пленка, обладающая очень высокой механической и электрической прочностью.

При этом становится удобным монтаж диодов в выполненные на той же основе микрополосковые схемы ММ диапазона, обычно размещаемые в Е-плоскости волновода (73, 74, 75). 2Л. КОМПЛЕКСНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ СМЕСИТЕЛЬНОГО ДИОДА Для анализа смесителя под воздействием сильного и слабого сигналов необходимо знание комплексных сопротивлений (импе- 40 данс ансон) подключенной к зажимам диода внешней цепи на всех учи читываемых в расчете гармониках гетеродина и комбинационных ых частотах. Возможность их определения расчетным и экспериментальным путем исследовалась в ряде работ [56, 60, 76, 77, 78]. Оба пути позволяют найти эквивалентную схему внешней цепи и оценить ее параметры.

Однако точность и достоверность расчетных и экспериментальных оценок ухудшается с ростом номера рассматриваемых гармоник гетеродина и порядка комбинационных частот. Экспериментальный метод, предложенный в 1761, используется в (56, 57, 60, 78, 79) при определении внешних импедансов вплоть до шестой гармоники гетеродииа. Вследствие трудностей проведения измерений в ММ диапазоне на реальной смесительной камере, имеющей малые размеры, исследования проводились на ее увеличенной в 65 ...