2. УПРАВЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В управляющих устройствах СВЧ диапазона используются разнообразные полупроводниковые элементы, которые можно разделить на три основные группы [97]: сосредоточенные, распределенные и монолитные. К сосредоточенным относятся элементы, размеры которых меньше длины волны в полупроводниковом материале и глубины проникновения СВЧ поля в него на рабочей частоте при отсутствии и наличии управляющего электромагнитного поля. У распределенного и монолитного элементов размеры соизмеримы с рабочей длиной волны. К первой группе элементов относятся полупроводниковые приборы, работающие на основе контактных явлений, например -диоды (для диапазона волн с ); к последующим группам — приборы, использующие некоторые явления в объемных полупроводниках (например, фэтоинжекции).

В основе создания всех управляемых элементов лежат три типа физических явлений: ударная ионизация, контактная инжекция и фотоинжекция. Все эти явления изменяют электропроводные свойства полупроводникового материала, т. е. создают в собственном (высокоомном) полупроводнике высокую концентрацию электроннодырочной плазмы и таким образом превращают объем материала из диэлектрической среды в проводящую среду. На взаимодействии изменяющейся плотности плазмы полупроводника с СВЧ колебаниями и осуществляется управление СВЧ энергией.

Ударнаг ионизация может использоваться в ограничителях и устройствах защиты от высоких уровней мощности, в других же микроэлектронных устройствах управления мощностью ее не используют, так как это явление протекает в большинстве

полупроводников при очень высоких напряженностях электрического поля (порядка десятков или сотен киловольт на сантиметр), что неудобно при управлении.

Контактная инзюекция наиболее широко используется в устройствах управления мощностью. В этом случае два вырожденных перехода с противоположным типом проводимости обеспечивают контактный источник первичных носителей. Когда такие контакты смещены в прямом направлении, то и электроны, и дырки инжектируются отдельно, их дрейф и диффузия продолжаются до тех пор, пока объемный заряд не станет нейтральным, т. е. пока не образуется двухкомпонентная плазма. На основе этого явления работают как -диоды [27], так и специально создаваемые полупроводниковые элементы, имеющие большие размеры и являющиеся одновременно и пассивной частью всего устройства, которые могут управлять большими величинами СВЧ модности. В микроэлектронике они представляют часть подложки с нанесенными на ней контактами (с переходами) специальной конфигурации и являются распределенными элементами. В волноводной технике на этом явлении создано кремниевое СВЧ окно для переключателя [144].

Рис. 6.1. Эквивалентные схемы -диода

а - в общем виде; б - для открытого состояния — для закрытого состояния с последовательным и параллельным соединенняки емкости перехода и сопротивления закрытого диода — сопротивление, последовательно включенное с активной областью диода; — нелинейное сопротивление диода, созданное в основном за счет изменения проводимости области при подаче на диод смещения

Основной элемент управления амплитудой СВЧ колебаний — -диод (рис. 6.1). Эти диоды характеризуются толстой высокоомной областью (базой), которая позволяет при достаточно большой площади перехода получить малую емкость самой полупроводниковой структуры. Большая площадь перехода и значительный объем высокоомной области определяют важнейшую особенность -диодов характеристики -диодов не зависят от падающей на диод СВЧ мощности (вплоть до нескольких ватт в режиме непрерывной генерации). При изменении управляющего тока активное сопротивление высокоомной области -диода изменяется в раз: и более. Эти диоды включают последовательно с линией передачи

(в токоведущих проводниках) или параллельно лини и передачи СВЧ мощности. Переключательные характеризуются следующими основными параметрами: емкостью диода, которая в значительной мере определяет частотный диапазон эффективного использования диода; сопротивлением обесточенного диода, которое характеризует начальные потери СВЧ мощности, вызванные наличием диода в передающей линии; сопротивлением диода при протекании через него управляющего тока, изменение этого сопротивления меняет потери, вносимые диодом в линию; временем переключения диода, которое характеризует длительность нестационарного режима при переходе диода из токового режима в бестоковый или наоборот, иногда быстродействие характеризуется также величиной накопленного заряда в высокоомной области диода; максимально допустимой мощностью рассеяния, при которой температура диода не превышает предельного значения. В табл. 11 приведены основные параметры

Таблица 11 (см. скан)

Рис. 6.2. Сосредоточенный и распределенный элементы, использующие явление фотоинжекции:

а — включение сосредоточенного элемента в МПЛ ( — последовательное. Р — параллельное); 6 — распределенный элемент, представляющий собой отрезок токоведущего проводника (напрнмер, четвертьволновой шлейф); в — распределенный элемент — часть подложки; элементы

Фотоинжещия является перспективным направлением в развитии управляющих устройств СВЧ. Под действием света в объеме высокоомного полупроводника образуются электронно-дырочные пары и переход в проводящее состояние происходит там, где поглощаются фотоны. Основное преимущество этого метода получения плазмы и перевода полупроводника из диэлектрического в электропроводное

состояние заключается в том, что он не требует контакта с полупроводниковым материалом. Оптоэлектронное управление устройств СВЧ особое развитие получит в процессе усовершенствования и удешевления инжекционной лазерной техники, создания долговечных лазерных полупроводниковых диодов (ЛПД) на основе гетеропереходов. Элементы, использующие явление фотоинжекции носителей, позволят увеличить скорость переключения (уменьшить время срабатывания) устройства и увеличить широкополосность. Эти полупроводниковые (из кремния, арсенида галлия и т. д.) управляющие элементы могут быть как сосредоточенными и включаться в линии передач аналогично -диодам (рис. 6.2, а), так и распределенными и представлять собой составную часть либо токоведущих проводников (рис. 6.2, б), либо подложки (возможно и подложку в целом) (рис. 6.2, в) [103]. Управляемый сигнал подается в схему питания источника света, фотоны которого, падая на полупроводниковый высокоомный элемент, выполненный в виде нанесенной на поверхность диэлектрической подложки полупроводниковой пленки [148] или образца монокристалла, переводят его в проводящее (световое с и значительно менее) состояние. В качестве источника света для распределенных элементов можно использовать лампы различных типов и лазеры, а для сосредоточенных — только лазеры и, в особенности, инжекционные лазерные диоды.