Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 98
Текст из файла (страница 98)
С, Мальцев П. П.. Новаченко И. В., Пономарев С. Н, Базовые матричные кристал- лы н матричные БИС. — Мз Энергоатомнздат, !992. 14. Интегральные схемы СВЧ-диапазона 14.1. Общие положения 1ехника СВЧ широко используется в бьму, научных исследованиях, системах связи и об- Р аоотки информации, особенно специального применения. Широкое использование СВЧ-устройств связано, прежле всего, с возможностью коицеитрации высокочастотиого излучения в узкий луч. В перспективе это позволит создавать экономичные системы связи, радиолокациоииые станции обнаружения и сопровождения цели. Большая информативная емкость СВЧ-диапазоиа позволяет уплотнить число каналов связи, оргаиизоаать миогокаиальную передачу телевизионных каиатов.
Миогие из этих перечисленных проблем могут бьггь эффективио решены методами и технологией микроэлек1роиики, В последнее время существенно повысился интерес к твердотельной электронике СВЧ вообще и к монолитным ИМС СВЧ-диапазоиа в частности. Этот интерес вызван потребиосгью в развитии электрониого оборудования спутникового вешания и связи, бортовой электроники самолетов и ракет (как гражданского, так и специального применения), радиолииейиых линий, связке~о оборудования, подвижных объектов и т, л, Одним из серьезиых стимулов для развития монолитной микроволновой микроэлектроники являешься повышенный интерес к развитию техники фазироваииых антенных решеток (чФАР), для создания которых необходимо большое количество (тысячи и десятки тысяч) однотипных лешевых приемопередающих модулей.
з Основным материаюм монолитных микроволновых интегральных микросхем (М ИС) в иастоящее время является арсеиид галлия. Однако поскольку технология арсеиида галлия и транзисторов иа его пскове ие была в достаточиой степени отработанной, первые Разработки в области твердотельной интегральной электроники СВЧ представляли сапой гибридные интегральные схемы, толстоцленочцые или тоикоплеиочиые, с кремииевыми биполяриыми транзисторами, чаше всего в бескорпусном исполнении.
) олстоплеиочиая технология в технике СВЧ используется только в цифровой технике для обеспечеиия соединений иа плате между установленными иитегральиыми схемами (БИС или СБИС). Одновременно с этим нельзя ие отметить иегативиого влияния паразитных параметров таких соединений на быстродействие. В СВЧ-техиике толстоплеиочиая технология может быть использована для отиоситель"о низкочастотных и узкополосных (до 20%) ус1ройств. Большинство СВЧ ИС являются ц~ирокополосиыми (с отношением граиичиых частот в диапазопе 1:2 или 67% и более), поэтому в гибридном варианте более предпочтительиыми оказываются тонкопленочные СВЧ-устройства. "олщииа тонких пленок определяется тремя-пятью толшииами скии-слосв иа нижней частоте диапазоиа (толшииа скин-слоя определяется по спаданию плотности тока от "оверхиости вглубь объема в ",7 раза).
В результате такие пленки имеют толщину до 7,5 мкм. Часть д. Микроэлектроника Вели сравнивать тонкопленочную гибридную и монолитную технологии, зо последил„, более предпочтительна. Однако монолитная технология является более трудоемкой Одним из ожидаемых преимушеств должна являться относительно низкая стоимость монолитных ИС по сравнению с гибридными. Этот фактор определяется значительными удельными объектами производства, с одной стороны, и значительным удельным весом трудоемких и дорогостоящих "индивидуальных" сборочных операции в гибридном тех иологии, с другой стороны. Серьезной проблемой является и воспроизводимость результатов. Так, отклонение в вели чине емкостей оказывает существенное влияние на величину коэффициента усиления В гибридной технологии эта проблема может решаться за счет достаточно трудоемких про цессов подстройки.
В монолитной технологии жесткий контроль технологических проце~ сов позволяет, например, довести отклонения емкостей от помина>а до величины, не превышающей Зьж Ироблема воспроизводимости и повторяемости результатов является весьма серьезной, Эту проблему можно решить только тесно увязывая схемотехнические решения с конструкцией и технологией. 14.2. Элементная база электроники СВЧ На первых этапах развития радиотехнических систем связи широко использовались элекгровакуумные приборы: лампы, магнетроны, клистроны и т, д. Они позволили освоить :ВЧ-диапазон, однако не всегда удовлетворяли по таким параметрам, как миниатюр>ость, надежность, оптимальное энергопотребление. Взгляды радиоинженеров все чаще >бращались к микроэлекгронике, Именно микроэлектронные устройства позволяли полу>ить высокую надежность при малом энергопотреблении, малые габариты и низкую цену >бработки олного бита информации.
4звестно, что в любой электронной аппаратуре различают пассивные и активные элемены, линии межсоединений. В традиционгюй микроэлектронике линии межсоединения >ыполняются в виде алюминиевых полосок, и проблем их создания в интегральных :хемах не возникает вплоть до высокой степени интеграции. Иное дело — межсоеди>ения в СВЧ-диапазоне. В микроэлектронной аппаратуре различают иерархически~ 'ровни соединений. >улевой конструктивно-технологический уровень составляют я>еажэлежелтлые соедл ения. Они связывают в схеме с определенными функциями пассивные и активные лементы. 1ервый уровень составляют соединения в гибридных микросхемах СВЧ-диапазона, свя ывающие на плате бескорпусные микросхемы, навесные активные и пассивные электро адиоэлементы. :о второму уровню межсоединений относятся проводники, соединяющие гибриднь ные ~икросхемы, корпусированные микросхемы, дискретные электрорадиозлементы в яче чей и или микросборки, В свою очередь, как правило, межсоединення этих уровней г>ред тавляют собой микрополосковые перемычки или нолоскоао-коаксиальные переходы.
СВ" :чейки, или микросборки, а также электрорадиоэлементы коммутируются в блоки СВ помощью межсоединеннй третьего уровня, выполненных в виде микрополосковых х пе смычек или пол>жестких кабелей. !4 Интегральные схемы СВЧ>диапазона Иа следующих уровнях межсоединений используют СВЧ-кабели, не представляющие интереса для микроэлектроники.
)улк)>ололослые лнннп (МПЛ) весьма интересны с точки зрения физической электроники. МПЛ представляет собой проводник ленточного типа шириной !К прямоугольного сечения, расположенный на подложке толщиной 6 с высокой диэлектрической проиицаемостью г.. Обратная сторона подложки металлизирована и заземлена (рис. 14,1, а) Микрополосковая линия такой конструкции обладает волновым сопротивлением, зависящим ог соотношения !(П )т и величины в, а также оз коэффициента потерь, дисперсии и предельной передаваемой мощности.
При конструировании устройств СВЧ-дпапазона появляется необходимость изменения геометрических размеров МПЛ, что получило название неоднородности МПЛ. К пассивным элементам СВЧ-диапазона относят резисторы, конденсаторы и индуктивности. О>~>факт электрического сопротивления прохождения тока в СВЧ-диапазоне возникает в неоднородности микрополосковых линий в емкостях, образующихся в воздушных промежутках, диэлектрических материалах, окисных пленках между кристаллами (рис. 14,1, б).
Конденсаторы микросхем СВЧ-диапазона также изготовляются на основе МПЛ. Малые номиналы (несколько пФ) можно получить на разрывах МПЛ (рис. 14.1, в), а большие реализуются в виде конструкции типа гребенчатого конденсатора. Для получения конденсаторов емкостью более 10 пФ используют многослойные структуры. Индуктивность как элемент СВЧ-схем может быть реализована в виде прямоугольного отрезка МПЛ со скачком по ширине или в форме круглой и квадратной спирали. б) в) а) г) д) е) Рис.
14.1. Элементная база СВЧ-микросхем. Мнкрополосковвя линия (г) и пассивные злементы на ее основе; резистор (б), конденсатор (е, г), индуктивность (д, е) К пассивным элементам можно условно отнести циоды СВ>1-диапазона, которые не генерируют колебаний. Существуют коне> рукции лиодов, обладающие 5- (рис. 14.2, а) или А-образныззи (рис. 14.2, 6) вольтамперными характеристиками. Такие лиоды на определенных участках ВАХ имеют отрицательное дифференциальное сопротивление, Часть )!. Микроэлектроника и, соответственно, способны генерировать электромагнитные колебания. Эти диолы и триолные структуры относятся к активным элементам СВЧ-микросхем а) б) Рис.
14.2. 8-образная ВАХ (лавинно-пролатный диод) (а) и Ьробразиая ВАХ (туннельный диод) (б) Диод с барьером Шоттки представляет собой вьшрямляющий контакт "металл — полупроводник" (рис. 14.3, а). Он работает на основных носителях заряда, при этом неосновные не накапливаются. Время восстановления обратного сопротивления составляет - 1О з с, «то позволяет использовать такие подложки ло ~астот 300 ГГц. Диод р — -1 — и-структуры формируется на основе обедненного «-слоя между р- и «-областями. Он облалает высоким пробивным напряжением (рис. 14.3, б) и способен «аботать прн напряжениях > 1 кВ и импульсной мощности - 10 кВт. б) а) в) Рис.
14.3. Диоды и триоды СВЧ-диапазона' а — диод с барьером Шо«тки, б — р-Ч вЂ” п-диод, з — лазинно-пролетный диод; з — туинельиый диод, д — диод Ганна д) 14 Интегральные схемы СВЧ-диалазона 471 Лавинно-пролетный диод работает на основе лавинного пробоя р — и-перехода прн высоких обратных напряжениях (рис. 14.3, в). На его основе можно создать достаточно мощные диоды, работающие в гигагерцевом диапазоне частот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
