CC BY
19вания. Так, для достижения эффекта геометрического усиления напряженности электрического поля поверхность катода формируется в форме «лезвия», получаемого из тонкой фольги тантала методом многократной холодно-пластической деформации на многовалковом прокатном стане. Из полученной фольги толщиной ~ 4 мкм формируются автоэмиссионные элементы в виде дисков, которые затем монтируются на катодную ножку с использованием пространственно разделяющих их сплавов с эффективной вторичной электронной эмиссией. Для производства элементов вторичной электронной эмиссии используется материал с относительно высоким значением коэффициента вторичной электронной эмиссии и относительно низким значением работы выхода электрона. Так как эти эмиссионные характеристики для чистых металлов несовместимы, обычно применяют сплавы с двух- или трехфазной поверхностной структурой. В таких сплавах одна из фаз с относительно высоким значением коэффициента вторичной электронной эмиссии и высоким значением работы выхода электрона является формообразующей основой. Вторая фаза не является формообразующей, она синтезируется в вакууме при рабочей температуре катода на поверхности формообразующей фазы в виде нанораз-мерной островковой пленки с относительно низким значением работы выхода электрона и более высоким, чем у формообразующей фазы, значением коэффициента вторичной электронной эмиссии. Одним из примеров выбора материала для эмиссионных сплавов СВЧ-приборов являются сплавы термодинамической системы палладий - барий [1-5].
В литературе не сформировались устойчивые представления об особенностях фазовой диаграммы равновесия системы Рё-Ба (рис.1). Выявлено одно устойчивое химическое соединение - фаза Рё5Ба с температурой плавления 1620 ± 25 °С.
Рис. 1. Фазовая диаграмма равновесия системы Рё - Ба: — результаты работы [1]; — результаты работы [2]
В настоящее время применяются два способа производства сплавов термодинамической системы Рё-Ба. Первый способ - совместное плавление исходных металлических компонентов палладия и бария для получения двухфазного сплава ПдБ-2, в котором частицы фазы-активатора Рё5Ба дисперсно распределены в объеме и по поверхности палладиевой матрицы. Формообразование исходной заготовки проводится обработкой слитка на прокатном стане для получения пластины заданного размера. Второй способ - метод порошковой металлургии, основанный на смешивании порошка
палладия с несколькими массовыми процентами порошка фазы-активатора Рё5Ба. Частицы активатора дисперсно распределены в объеме и по поверхности палладиевой матрицы. Порошок фазы Рё5Ба получают дроблением и размолом исходной литой заготовки до тонкодисперсного состояния. После прессования, спекания и токарной обработки шайбы с функцией вторичной электронной эмиссии используются для сборки катодной «ножки» посредством чередования с автоэлектронными танталовыми дисками.
Во всех модификациях низкотемпературного оксидного катода с применением бария эмиссионной структурой является наноразмерная островковая полупроводниковая пленка ВаО с электрической проводимостью и-типа, с подвижностью электронов (4-8) см /(Вс) и шириной запрещенной зоны Её = 4,4 эВ. Отличительная особенность палладий-бариевого катода - непрерывный циклический микрометаллургический процесс образования ВаО из исходных компонентов и его испарения, который аналогичен процессам в диспенсерных катодах.
Экспериментальное определение локальной работы выхода электрона палладий-бариевого сплава при комнатной температуре и атмосферных условиях выявило наличие трех типов наноразмерных островковых образований с различной работой выхода. В работе [6] методом туннельной спектроскопии с локальностью не хуже 90*90 нм показано распределение областей с различными значениями работы выхода электрона с поверхности эмиттера. На локальных участках поверхности обнаружены фазы ВаО с работой выхода ф = 2,3 эВ, фазы Рё5Ба с ф = 3,7 эВ и палладиевой матрицы с ф = 5, 2 эВ. Эти результаты подтверждают высказанное предположение об островко-вом характере эмиссионной поверхности катода.
Предварительные исследования высоковакуумного отжига палладиевой фольги [4] позволили установить интенсивное испарение палладия, сопровождаемое термическим растравливанием его поверхности с выявлением межзеренных и межфазных границ и образованием канавок термического травления. На тройных стыках канавки термического травления пересекаются под углами 120°, что говорит о термодинамическом равновесии кристаллической решетки палладия после рекристаллизации. По данным [7], при температуре активирования 1000 °С скорость испарения палладия ^епр=1,624-10-8 г/см2-с (№°пр -справочные данные), а временная зависимость изменения массы испаряющегося палладия при постоянной температуре подчиняется линейному закону.
При температуре активирования происходит термическая диссоциация фазы-активатора с образованием диффузионных потоков на эмиссионную поверхность катода. Таким образом, диффузия из объемных и поверхностных дисперсионно-распределенных частиц приводит к выходу бария на поверхность палладиевого катализатора. При диссоциативной хемосорбции молекул кислорода образуются потоки встречной атомарной диффузии кислорода с образованием пленки оксида бария. Температурная зависимость равновесного давления кислорода при образовании ВаО на поверхности металлического бария в температурном интервале 1000-2120 К, согласно [8], имеет вид = -58154/Г + 10,698.
—35
Для температуры 1000 °С Р = 1,036-10 атм. По порядку величины это давление равно 10-38 Торр = 10-40 Па. Таким образом, в реальном СВЧ-приборе при парциальном давлении кислорода
10-9 Па и температуре катода 1000 °С образование оксида бария ВаО термодинамически разрешено.
Теория роста компактных толстых слоев оксидов была построена Вагнером. Для таких слоев перенос реагентов происходит диффузионным образом. Это приводит к параболическому закону изменения массы растущего оксида при постоянной температуре. Однако если растущий оксид не является компактным, то процесс переноса не
лимитирует скорость окисления, что приводит к линейному закону изменения массы. Компактность оксидного слоя определяется объемным отношением х, показывающим, как изменяется объем металла при окислении, и представляющим собой отношение объема оксида к объему металла, из которого этот оксид образовался. При х < 1 оксид не может покрыть металл сплошной пленкой. Пленка имеет пористую, ячеистую структуру и не оказывает существенного сопротивления дальнейшему окислению металла. К металлам, имеющим такую пленку, относится барий (хВа = 0,78). Таким образом, временная зависимость изменения массы растущего оксида бария ВаО при постоянной температуре подчиняется линейному закону.
При испарении ВаО основным компонентом газовой фазы является ВаО, т.е. основным процессом перехода оксида бария в газовую фазу является процесс возгонки, или конгруэнтного испарения. По данным [7], для температуры 1000 °С скорость испарения оксида бария ВаО составляет ^спр = 3,527-10-9 г/см2 -с. Временная зависимость изменения массы испаряющегося оксида бария ВаО при постоянной температуре подчиняется линейному закону.
Отношение скорости испарения палладия к скорости испарения оксида бария для двухфазной поверхностной структуры составляет:
: ^спрВаО = 1,624-10-8 : 3,527-10-9 = 4,604.
Полученные предварительные экспериментальные данные результатов вакуумного отжига при температуре 1000 °С показали сложный колебательный характер изменения массы и рельефа поверхности при активировании катода [3, 4]. Можно предположить, что увеличение или уменьшение массы катода связано с окислением бария и последующим испарением образовавшегося оксида ВаО. Такие химические реакции конденсирующихся компонентов не рассматривались в публикациях по химической кинетике. Однако известны работы по каталитическому окислению неконденсирующихся (газофазных) компонентов, которые должны быть приняты во внимание при изучении колебательного характера химической реакции с участием конденсирующихся компонентов (Ва, ВаО).
Колебательный режим каталитического окисления метана на поверхности никелевого катализатора обнаружен в экспериментах по определению изменения массы газофазных реагирующих веществ [9]. На рис.2 представлены кинетические кривые изменения концентрации газофазных компонентов метана СН4 и кислорода О2. Реакция протекает в колебательном режиме: при постоянной температуре активная фаза реакции заканчивается периодом индукции, период индукции заканчивается неактивной фазой и т.д. Периоды индукции проявились на двух уровнях: точки 1-2 и 3-4 (см. рис.2). На рис.3 показаны коррелирующие периодические изменения температуры катализа-
200 300 Время, с
Рис.2. Характерный вид колебаний концентраций кислорода и продуктов реакции окисления пропана на никеле
тора, протекающие синхронно с изменениями концентрации кислорода. Из сопоставления концентрационной и температурных кривых следует, что тепловой эффект реакции окисления периодически повышает температуру катализатора, а десорбция - понижает. Каждый элемент колебательной кривой может быть аппроксимирован трапецией, в которой тангенс угла наклона к оси абсцисс левой стороны пропорционален скорости активного участка реакции (скорости окисления). Тангенс угла наклона к оси абсцисс правой стороны пропорционален скорости неактивного участка реакции (скорости десорбции), горизонтальный участок характеризует период индукции, в процессе которой скорость реакции близка к нулю. Такой метод обработки экспериментальных кривых называется «разделение времен» [10].
Механизм формирования автоколебаний в реакции окисления пропана на никеле связан с процессом синхронизации микропроцессов, приводящим к формированию макроскопических колебаний. В результате каталитического окисления исходная гладкая неравновесная поверхность никелевого катализатора, после многократной атомной перестройки с образованием наноразмерных поверхностных структур, приходит в равновесное состояние с образованием микроразмерных поверхностных структур (рис.4).
а 6
Рис.4. РЭМ-изображение поверхности никелевой проволоки до (а) и после (б) реакции окисления
Для изучения каталитического окисления газофазных продуктов на поверхности палладия во внешнем электрическом поле применялись методы автоэлектронной микроскопии (АЭМ) - автоэлектронная эмиссия из занятых электронных состояний в металле и автоионной микроскопии (АИМ) - автоэлектронная эмиссия в незанятые электронные состояния в металле) [11]. Методами АЭМ и АИМ на поверхности платиновых и палла-
Время. с
Рис.3. Изменение температуры двух независимых никелевых проволок при проведении реакции окисления пропана в режиме автоколебаний
диевых острий под действием электрического поля с напряженностью Е = 3,5 В/А обнаружено и на атомарном уровне исследовано периодическое появление химических волн при изотермических автоколебаниях скорости реакций Н2 + О2, СО + О2, N0 + Н2.
На рис. 5,а представлен рассчитанный методом Монте-Карло характер распространения спиральных волн в момент образования молекул СО2 в реакции СО + О2 на грани Pd (110). На рис. 5,6 приведено изображение поверхности металла методом фотоэлектронной микроскопии при распространении спиральной волны в ходе реакции окисления СО на Pd (110). Темные области соответствуют адсорбированным слоям С0адс, светлые - 0адс.
Рис.5. Изображение спиральных волн для грани Pd (110): теоретическое (а) и экспериментальное (6)
Можно предположить, что в отличие от окисления газофазного компонента СО, когда поверхность катализатора очищается при десорбции продуктов реакции, при каталитическом окислении бария на поверхности палладия образуются конденсированные частицы с кристаллической решеткой ВаО и формируется островковая гетероструктура Рё-Ва0. Кроме того, частицы порошка фазы-активатора Рё5Ва в объеме и на поверхности палладиевой порошковой матрицы после окончания процесса спекания превратятся в гетероструктурные образования Рё-Рё5Ва. На открытой в вакуум поверхности частиц Рё5Ва формируется островковая пленка ВаО и возникает еще одна гетероструктура Рё5Ва-Ва0. Под каталитическим окислением бария на поверхности палладиевого катализатора подразумевается увеличение скорости окисления атомов бария до ВаО по сравнению со скоростью окисления компактного образца металлического бария.
Если исходные компоненты колебательной каталитической реакции находятся в разных фазах, например в диффузионно-подвижной в виде примеси в катализаторе и газовой фазе, то можно предположить, что диффузионный поток из объема на поверхность будет модулироваться поверхностной колебательной реакцией. При этом происходят периодические изменения граничных условий в диффузионной модели для термодинамической системы Рё - Ва: поверхность будет или «связывающей границей» или «отражающей границей». Это объясняется тем, что при окислении температура поверхностных наноразмерных островковых образований повышается (экзотермическая реакция), возрастает поток диффузии и образуется связывающая граница. Напротив, при испарении островковые образования охлаждаются (эндотермическая реакция), поток диффузии снижается и образуется отражающая граница. Если каталитическое окисление бария и испарение ВаО проводить в вакуумном диоде, временная зависимость тока эмиссии при постоянной температуре будет носить принципиально колебательный характер. При окислении ток термоэлектронной
эмиссии возрастет из-за локального повышения температуры данного эмиссионного центра, при испарении - снизится из-за охлаждения.
Таким образом, для разработки технологии активирования палладий-бариевого катода необходимо определить особенности колебательного процесса как в условиях только термического воздействия, так и в условиях термического воздействия во внешнем электрическом поле. Технологическими характеристиками изотермического активирования будут временная зависимость плотности тока термоэлектронной эмиссии, константа скорости каталитического окисления бария, константа скорости каталитического испарения ВаО, периоды окисления, испарения, индукции, а также изменение поверхностного рельефа в результате термического травления.
Литература
1. Дмитриева В.Н., Есаулов Н.П., Журавлев Н.Н., Рождественский В.М. Благородные металлы и их применение // Тр. Ин-та физики металлов УНЦ АН СССР. - 1971. - Вып. 28. - С. 56-68.
2. Okamoto H., Massalski T.B. Thermodynamically impossible phase diagrams // J. Phase Equilibria. -1991. - Vol.12, № 2. - P.148-168.
3. Полевой термогравиметрический метод исследования испарения компонент с поверхности прессованных палладий-бариевых катодов / А.Д. Силаев, И.П. Ли, В.С. Петров и др. // Вакуумная наука и техника: материалы XVIII науч.-техн. конф. / Под ред. Д.В. Быкова. - М.: МИЭМ, 2011. - С. 24-27.
4. Исследование поверхности палладий-бариевых катодов в растровом электронном микроскопе после вакуумного термического активирования / В.С. Поляков, И.П. Ли, АД. Силаев и др. // Вакуумная наука и техника: материалы XVIII науч.-техн. конф. / Под ред. Д.В. Быкова. - М.: МИЭМ, 2011. -С. 20-23.
5. Магнетрон с безнакальным катодом / И.П. Ли, Б.Ч. Дюбуа, Н.В. Каширина и др. // Пат. РФ № 2380784, приоритет от 24.10.2008.
6. Байбурин В.Б., Волков Ю.П., Ильин Е.М., Семенов С.В. Туннельная спектроскопия палладий-бариевых эмиттеров // Письма в ЖТФ. - 2002. - Том 28, вып. 23. С. 19-22.
7. Казенас Е.К., Цветков Ю.В. Термодинамика испарения оксидов. - М.: Изд-во ЛКИ, 2008. - 480 с.
8. Куликов И.С.Термодинамика оксидов: справ. изд. - М.: Металлургия, 1986. - 344 с.
9. Гладкий А. Ю. Автоколебания в реакции окисления пропана на никеле: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. - Новосибирск, 2010. - 116 с.
10. Тропин А.В., Масленников С.И., Спивак С.И. Новый подход к решению нелинейных систем дифференциальных уравнений химической кинетики // Кинетика и катализ. - 1995. Т. 36, № 5. - С. 658-664.
11. Городецкий В.В. Наблюдение и природа химических волн в реакциях окислительного катализа на платиновых металлах: Автореф. дис. д.х.н. - Новосибирск, 2001. - 36 с.
Статья поступила 21 декабря 2011 г.
Ли Илларион Павлович - начальник отдела разработки катодов ОАО «Плутон» (г. Москва). Область научных интересов: исследование физико-химических свойств эффективных катодов, модификация структуры и эмиссионной поверхности катодов, исследование и конструирование катодно-подогревательных систем электровакуумных приборов СВЧ-техники.
Поляков Владимир Сергеевич - инженер-технолог ОАО «Плутон» (г. Москва). Область научных интересов: исследование и разработка новых эмиссионных материалов для электровакуумных приборов ионно-плазменными методами.
Силаев Александр Дмитриевич - инженер-технолог ОАО «Плутон» (г. Москва). Область научных интересов: исследование и разработка плотных композиционных покрытий для электровакуумных приборов миллиметрового диапазона длин волн.
Харитонова Наталья Евгеньевна - инженер-технолог ОАО «Плутон» (г. Москва).
Область научных интересов: исследование тепловых, механических и эмиссионных характеристик Pt-Pd-Ba-катодов в магнетронах миллиметрового и сантиметрового диапазонов длин волн с воспроизводимыми и стабильными параметрами.
Петров Владимир Семёнович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФГБУ «НИИ МЭИИТ» (г. Москва). Область научных интересов: физико-химические процессы на межфазных поверхностях раздела «твердое тело - газ (вакуум)», термогравиметрия и масс-спектрометрия. E-mail: [email protected]
МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.3.049.77
Методика расчета конструктивно-технологических параметров мощного СВЧ LDMOS-транзистора
А.В. Шемякин НПК «Технологический центр» (г. Москва)
Представлена методика расчета конструктивно-технологических параметров LDMOS-транзистора, с целью получения согласованной пары значений пробивного напряжения Vbd и сопротивления прибора в открытом состоянии Ron.
Ключевые слова: LDMOS, напряжение пробоя, сопротивление в открытом состоянии, TCAD, трехмерная характеристическая поверхность.
До недавнего времени СВЧ-приборы с рабочими частотами до 3,5 ГГц в основном строились на базе биполярных транзисторов. В настоящее время передовые фирмы-изготовители СВЧ-приборов интенсивно развивают и активно внедряют на рынки новое поколение приборов, основанных на LDMOS-технологии (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) - МОП-транзистор с боковой диффузией канала. Транзисторы, выполненные по LDMOS-технологии, имеют такие улучшенные характеристики, как линейность, усиление, тепловые режимы, устойчивость к рассогласованию, высокий КПД, запас по рассеиваемой мощности, надежность, переключающие свойства, число возможных элементов СВЧ-схемы [1].
Усилия разработчиков по достижению качественных технических характеристик производимых LDMOS-транзисторов стимулируются расширением рынка, связанного с базовыми станциями сотовой связи. В настоящее время ведущими фирмами-производителями (NXP, ST Microelectronic, Infineon и т.д.) анонсируются следующие типовые эксплуатационные характеристики для дискретных СВЧ LDMOS-транзисторов: удельная мощность порядка 0,82 Вт/мм [2], достигнутое усиление при этом 14,5 дБ, пиковая эффективность 52%; удельная мощность до 1,0 Вт/мм с усилением до 16,5 дБ и пиковой эффективностью 62% [3].
Высокая линейность усилителя [4, 5], построенного на основе LDMOS-технологии, позволяет использовать его в базовых станциях сотовой связи, а также в беспроводных компьютерных сетях передачи информации (Wireless Networks). LDMOS-транзисторы хорошо зарекомендовали себя в авиарадарах S- и Z-диапазона, а оптимизация работы усилителя для класса B положила начало вытеснению биполярных устройств с рынка технологий по производству радарной техники.
Ключевой проблемой, требующей решения на стадии проектирования LDMOS-транзистора, является получение согласованной пары значений пробивного напряже-
© А.В. Шемякин, 2012
