5. УСТРОЙСТВА НА ЭЛЕМЕНТАХ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Устройства, управляющие СВЧ мощностью, благодаря управляемым элементам с распределенными параметрами, способны выдерживать и обрабатывать более мощные СВЧ сигналы, чем устройства, построенные на сосредоточенных элементах. Как известно, распределенные управляемые элементы используют методы инжекции носителей в объеме полупроводника [111]. Создание таких устройств не может сводиться только к схемотехническим задачам, как в случае с

сосредоточенными элементами, и поэтому управляемые распределенные элементы должны конструироваться и создаваться совместно со всем или частью управляющего СВЧ мощностью устройством. Такие устройства сейчас только начинают создаваться и не являются серийными.

Создание микроэлектронных управляющих устройств СВЧ диапазона, работающих на основе контактной инжекции, представляет большие технологические трудности, так как при контактной инжекции для получения плазмы в значительном объеме полупроводника необходимо учитывать два фактора [111]. Во-первых, для обеспечения высокой однородности и плотности плазмы толщина контактирующих структур (или структур переходов), выполняющих роль инжекторов носителей, обычно не должна превышать одну-две диффузионные длины. Следовательно, большое объемное время жизни носителей и низкие скорости поверхностной рекомбинации также обязательны, как и небольшие толщины исходного материала и расстояние между контактами или переходами. Во-вторых, если объем полупроводника должен использоваться и в качестве диэлектрика без потерь и в качестве проводника (при образовании плазмы), то контактные структуры, необходимые для инжекции и генерации плазмы, не должны заметно ухудшать диэлектрические свойства полупроводника при отсутствии инжекции. Это условие весьма существенно при использовании обоих состояний полупроводника, и для его выполнения контакты должны иметь специальную структуру с определенными геометрическими размерами, что необходимо для топологического построения устройства. Такая плазма, инжектируемая в собственный кремний, имеет плотность Ом и удельное сопротивление . Несмотря на указанные технологические трудности создания инжекционных контактов большой площади, имеются сведения об отдельных таких устройствах [144].

Фотоинжекция не требует контактов, и она более перспективна для создания управляющих устройств с распределенными параметрами управляемых элементов [5, 84, 102, 103, 148]. В ряде случаев удается создать устройства, имеющие преимущества, например, меньшие начальные потери в управляемых СВЧ линиях передачи мощности [5]. Линия представляет собой следующую конструкцию (см. рис. 6.2, б). Параллельно основному тракту подключается четвертьволновый отрезок линии, центральный проводник которой выполняется из высокоомного полупроводникового материала, облучаемого светом. Начальные потери в таком устройстве менее 0,1 дБ, модуляция потерь, полученная на управляемом элементе из кремния с удельным сопротивлением при использовании лампы накаливания дБ.

Следует отметить возможность создания проходных управляющих устройств на основе поглощения СВЧ энергии фотоинжекционной плазмой. Одна из конструкций такого аттенюатора на МПЛ показана на рис. 6.2, в, часть подложки которой занимает полупроводниковая вставка из собственного кремния с и временем жизни пары . В поликоровой подложке МПЛ просверливается отверстие, в которое помещается полупроводниковая

вставка, освещаемая вышеописанной лампой накаливания. Такая конструкция — «комбинированная подложка» — позволяет использовать аттенюатор в совокупности с другими ГИС на одной подложке. В МПЛ, имеющих подложку с высокой относительной диэлектрической проницаемостью затухание состоит из суммы затухания в металлических плоскостях и затухания, обусловленного потерями в подложке Основным источником потерь в рассматриваемых приборах являются диэлектрические потери вследствие электропроводности подложки. Известно, что поглощение СВЧ мощности в полупроводниках слабо зависит от частоты электромагнитного колебания.

Рис. 6.8. АЧХ поглощения СВЧ энергии (а) и зависимость поглощения СВЧ внергии от интенсивности освещения (б) в оптоэлектронном аттенюаторе с полупроводниковой вставкой на МПЛ

Затухание, вносимое аттенюатором, построенным на несимметричной линии, с учетом того, что тангенс угла диэлектрических потерь подложки является величиной частотно-зависимой

В аттенюаторе на несимметричной линии передачи (см. рис. 6.2, в) с размерами кремниевой подложки в широкой полосе частот получена модуляция от 8 до соответственно от метрового до сантиметрового диапазона длин волн [103]. АЧХ показана на рис. 6.8, а. Продемонстрируем, что величина конечного затухания определяется мощностью источника света. Тангенс угла потерь [73]

где — значение удельного сопротивления материала подложки при освещении; величина его определяется с учетом формул (6.9)- (6.12):

Подставив в выражение (6.13) формулы (6.14) и (6.15), получим линейную зависимость от интенсивности света, падающего на полупроводниковую подложку,

Такая зависимость рассматриваемого аттенюатора показана на рис. 6.8, б. Если в инжекционном лазере интенсивность изучаемого света пропорциональна протекаемому через переход току, то при использовании такого источника света не только возрастает затухание в связи с ростом поглощаемого полупроводниковым образцом света, но наблюдается линейная зависимость затухания аттенюатора от управляемого таким СВЧ оптроном тока. Для аттенюатора, построенного на ЩЛ и кремниевой подложке с в полосе 3 октавы в сантиметровом диапазоне частот модуляция потерь составляет 10—20 дБ/см. Достигнутые величины затухания СВЧ мощности на погонном сантиметре линии обеспечиваются, согласно формуле (6.16), при интенсивности света Начальные потери в обоих аттенюаторах при всех исследуемых освещенностях и без специального освещения. КСВ при освещении можно уменьшить, если плавно изменять (уменьшать) освещенность от центра полупроводникового образца к его краям — местам стыков с остальной линией передачи [84].

В щелевом аттенюаторе и аттенюаторе, построенном на копланарной линии, источник света можно размещать с любой стороны подложки. Это позволяет использовать в качестве подложки компенсированные полупроводники с малым временем жизни пары (например, высокоомный и соответственно с малой длиной свободного пробега носителей, не ухудшая при этом эффекта взаимодействия СВЧ мощности с фотоинжектированной плазмой, так как обеспечивает проникновение объемно-поглощаемого света во всей области концентрации СВЧ поля. На такой конструкции можно построить быстродействующий проходной модулятор с постоянной времени вплоть до с.

Сравнение мощности источника света при одинаковых начальных и максимальных коэффициентах передачи СВЧ мощности для фото-инжекционных приборов на сосредоточенных (отражающих) и распределенных (проходных) элементах показало, что в последних устройствах, работающих на эффекте поглощения СВЧ энергии, требуются на порядок меньшие величины интенсивности света, т. е. проходные устройства более перспективны для приборов с большой инерционностью. При использовании указанной выше лампы накаливания можно регулировать затухание СВЧ мощности в кремниевом элементе в широких пределах: от 0,5 до 60 дБ и более в полосе частот 10 октав [103]. Предел регулируемой мощности определяется возможностями самой МПЛ.

Пример 15. Разработать аттенюатор с распределенными параметрами, работающий в полосе частот от до Гц с плавной регулировкой затухания от дБ до дБ, с минимальными КСВ по входу и выходу и малой неравномерностью амплитудно-частотной характеристики.

Так как в задании не дано условие быстродействия аттенюатора, то для уменьшения мощности системы управления выбираем собственный кремний, у которого время жизни пары 10-4 с (оценка снизу, т. е. не меньше), а удельное сопротивление больше По формулам (6.13) и (6.14) оценим величину начального затухания на сантиметр. Для этого в выражение (6.14) вместо подставим величину темнового удельного сопротивления

Учитывая, что КСВ меньше при плавном уменьшении концентрации свободных носителей от центра к краям и при меньшей их концентрации, выбираем возможно длиннее полупроводниковую подложку, в которой происходит затухание СВЧ волны, чтобы требуемую величину потерь запирания получить при меньших концентрациях носителей. Поэтому определим длину с запасом по начальным потерям (в экспериментах они и учетом некоторой рассогласованности по входу и выходу, равную 3 см.

Определим по формуле (6.16) величину интенсивности освещения с учетом, что на одном сантиметре длины должна затухать мощность СВЧ энергии, т. е. дБ/см. Для кремния считаем (освещаемую ширину подложки полупроводника выбираем 3 мм из соображения, что длина свободного пробега носителей в собственном кремнии 1 мм, на этом расстоянии от полоски проводника, ширина которой 1 мм, для подложки толщиной 1 мм, и осуществляется эффективное действие света). Требуемая интенсивность света квант/с для объемно-поглощаемых кремнием квантов ориентировочно соответствует мощности излучения (таким излучением обладает, например, лампочка карманного фонаря на 3,2 В или соответствующий инжекционной лазерный диод с потребляемой мощностью не более

Рис. 6.9. Плата макета оптоэлектронного СВЧ аттенюатора

Итак, однородная МПЛ длиной 3 см, выполненная на подложке из собственного кремния, под действием изменяющегося излучения до 1017 квант/с выполняет роль аттенюатора. Топологическая схема аттенюатора может быть любой в зависимости от конструктивных требований (рис. 6.9). КСВ аттенюатора менее 1,3; неравномерность АЧХ менее 4 дБ при максимальном затухании и плавно возрастающая с ростом частоты от до Гц; начальные потери менее 0,8 дБ; максимальные потери более 35 дБ.