CC BY
21ностью, заключающийся в подмагничивании ферромагнитного сердечника катушки [4]. Однако при этом в конструкцию катушки вводится дополнительная подмагничиваю-щая обмотка, не способствующая миниатюризации изделия в целом.
Предлагаемый в настоящей работе способ электронного управления индуктивностью пассивной катушки заключается во введении в ее конструкцию специфического сердечника, свойства которого изменяются под воздействием приложенного электрического поля, оказывая при этом влияние на индуктивность. В качестве такого сердечника используется кремниевая структура п-/—р—/—п-типа, обладающая протяженными /-областями.
Если объект помещен внутри катушки, то первичное переменное магнитное поле вызывает в нем вихревые токи. Электромагнитное поле катушки при этом изменится под действием поля вихревых токов. Это изменение поля вызывает такой эффект, какой получился бы, если изменить характеристики самой катушки. Анализ изменения свойств катушки под влиянием объекта, тем более имеющего неоднородную структуру и параметры, изменяющиеся под воздействием внешнего смещения, как отмечено в [5], чрезвычайно сложен.
В общем случае на индуктивность оказывают влияние физические характеристики материала объекта - электрические и магнитные свойства, определяемые его составом и структурой: электропроводность, магнитная проницаемость, геометрические размеры, наличие неоднородностей [5, 6].
Для проверки возможности создания индуктивного элемента с электронной перестройкой изготовлена двухсекционная катушка (рис.1), сердечник 1 которой представляет собой кремниевую п-г—р—г—п-структуру с толщиной /-областей 200 мкм. В качестве такой структуры использовался выпускаемый промышленностью бескорпусный диод типа 2А505, конструктивно объединяющий в себе две р-/—п-структуры с общей р-областью, имеющей гибкий соединительный вывод. Контакты п-областей диода 2 имеют вид металлических площадок из материала с хорошей проводимостью. Диод, длина которого вместе с контактами составляет ~0,8 мм, размещался между двумя секциями катушки 3, намотанными виток к витку в форме плоской спирали на оправке диаметром 0,9 мм, причем изолированный вывод р-области 4 пропускался наружу между плоскостями секций, а р-/—п-структуры заполняли области внутри секций. Сам диод центрировался по оси катушки с помощью тонкой изолирующей диэлектрической прокладки 5.
а б
Рис.1. Конструкция катушки индуктивности, перестраиваемой электрическим полем: а - вид сбоку; б - вид сверху
4
Обе секции содержали по три витка медного провода в лаковой изоляции диаметром 0,5 мм. Электрический контакт с п-областями диода осуществлялся с помощью прижимных графитовых электродов 6, не оказывающих влияние на индуктивность катушки (рис.2). ^^ лХ Я? ,Ш Таким образом, магнитное поле изготов-
■ , ленной катушки сосредоточено во внутрен-
нем объеме секций, преобладающую часть которого занимали протяженные /-области (базы) диода, размер которых значительно превышал размеры р- и п-областей. В отсутствие прямого смещения базовые области р-/-п-структур представляют собой по сути диэлектрик с магнитной проницаемостью ц = 1.
Добротность катушки при введении в нее п—/—р-/—п-структуры без смещения снижалась на 15-18%, значение индуктивности уменьшалось на величину порядка 0,5%.
При подаче на р-/-п-диод напряжения прямого смещения происходит процесс ин-жекции носителей заряда в высокоомную /-область диода, в результате чего концентрация носителей заряда в базе возрастает на несколько порядков и, соответственно, увеличивается проводимость базы [7, 8]. В таком случае говорят, что база диода «заливается» носителями заряда или «металлизируется».
Диод, находящийся в магнитном поле исследуемой катушки индуктивности, представляет собой объект, проводимость которого изменяется в широком диапазоне в зависимости от величины приложенного напряжения.
Зависимость параметров катушки от величины напряжения прямого смещения, прикладываемого к п-/-р-/-п-структуре, выполняющей роль управляемого электрическим полем сердечника, исследовалась с помощью измерителя добротности (0-метра)
Рис.2. Внешний вид катушки индуктивности с подключенными угольными контактными прижимными электродами
е
Ь, нГн
50
48
46
44. 0
• >— >——1 г
\ /
\ 1
__* 1—* Л \
ч» — — — — ч» —
124,4
124,2
124,0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 и, В
Рис.3. Экспериментальные характеристики исследуемой катушки индуктивности: зависимость добротности от величины напряжения смещения (—•—), зависимость индуктивности от величины напряжения смещения (—«—)
типа Е4-11, позволяющего определить резонансным методом как значение индуктивности, так и величину потерь.
Из приведенных на рис.3 зависимостей добротности е и индуктивности Ь исследуемой катушки от напряжения смещения и видно, что добротность начинает заметно снижаться непосредственно с появлением тока через п-/-р-/-п-структуру.
Уменьшение добротности с ростом приложенного к п-/-р-/-п-структуре напряжения может быть объяснено увеличением мощности потерь, связанным с ростом числа инжектированных носителей заряда. Наблюдающийся участок «насыщения» на зависимости е от и может
быть объяснен возрастанием токов «утечки» через переходы при высоких напряжениях смещения на переходах и связанным с этим уменьшением уровня инжекции носителей заряда через переходы.
Форма графика зависимости индуктивности катушки от напряжения смещения обнаруживает сходство с ВАХ p-i-n-структуры, что позволяет предположить пропорциональность изменения величины индуктивности значению проходящего через структуру тока.
Следует отметить, что обнаруженный эффект в значительной мере зависит от соотношения геометрических размеров катушки и n-i-p-i-n-структуры. Так, при диаметре намоточного провода 1 мм зависимость индуктивности от напряжения смещения выражена весьма слабо. Большое значение имеет также выбор конкретного экземпляра n-i-p-i-n-структуры. Как показала практика, диоды имеют значительный разброс характеристик в пределах партии, причем возможна заметная неидентичность характеристик p-i-n-диодов отдельно выбранной n-i-p-i-n-структуры. Не последнюю роль, оказывающую влияние на величину как индуктивности, так и добротности, играет качество изготовления самой катушки.
В связи с этим можно рекомендовать для изготовления управляемой катушки индуктивности материалы, обладающие хорошей проводимостью, что повысит начальное значение добротности и позволит выбрать диаметр намоточного провода, сравнимый с размерами /-областей диода. Геометрия индуктивного элемента определяется преимущественно размерами используемого диода и должна обеспечивать концентрацию магнитного поля катушки в объеме p-i-n-структуры.
С целью исследования возможности практического применения предложенного электронного элемента сконструирован простой маломощный УКВ ЧМ-радиопередатчик вещательного диапазона частот 88-108 МГц (FM2) [9,10], в резонансном контуре которого применена катушка индуктивности описанной выше конструкции. Принципиальная электрическая схема разработанного устройства приведена на рис.4.
Uw
C2
HF
Ci
R.
VD1 -й-
R2 JC3 C4k
WA
Т.
VD2
_£з №
Рис.4. Принципиальная электрическая схема УКВ ЧМ-радиопередатчика, в резонансном контуре которого используется катушка индуктивности предложенной конструкции
ЭДС источника питания Е1 и включенный параллельно источнику резистивный делитель напряжения Я1, К1 определяли положение рабочей точки на ВАХ туннельного диода при котором возникает устойчивая высокочастотная генерация, причем резистор К1 определял величину внутреннего сопротивления цепи питания диода, в связи с чем его номинал был выбран достаточно малым. Конденсатор С3, включенный па-
раллельно нижнему плечу делителя Ш, К2, образовывал фильтр цепи питания туннельного диода, а емкость С1 осуществляла блокировку источника питания Е1 по высокой частоте.
Катушка индуктивности Ь и включенный параллельно ей конденсатор С4 представляли собой колебательный контур, резонансная характеристика которого определяла частоту ВЧ-несущей передатчика. Для согласования величины отрицательного дифференциального сопротивления туннельного диода с сопротивлением потерь контура, а также с целью уменьшения влияния активного элемента на резонансные характеристики было применено частичное подключение диода к контуру генератора, что не вызвало конструктивных трудностей, поскольку управляемая катушка Ь, намотанная поверх п-/-р-/-п-структуры (УБ2), имела две секции с общим отводом (см. рис.1). Триммер С4 позволял осуществлять предварительную настройку передатчика на частоту диапазона БМ2, не занятую вещательной станцией.
Через разделительную емкость С2 в схему передатчика подавался низкочастотный синусоидальный модулирующий сигнал ивх от звукового генератора типа Г3-112, причем амплитуда сигнала подбиралась по минимуму искажений синусоиды на выходе приемника. Низкочастотный сигнал ивх, складываясь с постоянным смещением в цепи питания диода, приводил к изменению положения рабочей точки на падающем участке ВАХ туннельного диода, что вызывало девиацию частоты высокочастотного генератора и, соответственно, частотную модуляцию ВЧ-несущей, излучаемой посредством штыревой антенны А.
Диод УБ2 представлял собой п-/-р-/-п-структуру типа 2А505, и питание его осуществлялось от отдельного источника ЭДС Е2 типа Б5-43, гальванически не связанного со схемой передатчика. Конденсатор С5 емкостью 47 нФ блокировал источник питания Е2 по высокой частоте. В качестве активного элемента передатчика был использован туннельный диод типа АИ101, остальные элементы схемы имели следующие номиналы: Я1 = 220 Ом, К2 = 20 Ом , С1 = 68 нФ, С2 = 10 мкФ, С3 = 10 нФ, С4 от 8 до 30 пФ. Источник питания Е1 представлял собой гальванический элемент типа 373, ЭДС = 1,2-1,5 В.
Прием частотно-модулированного сигнала осуществлялся приемником КАГКО Б28В, имевшим опцию автоматического поиска станций и цифровой индикатор настройки на принимаемую станцию (встроенный частотомер).
При изменении напряжения источника питания п-/-р-/-п-структуры, управляющей перестройкой индуктивности Ь, в диапазоне 0-0,9 В несущая частота передатчика сдвигалась в среднем на 150 кГц в сторону уменьшения. Графики зависимостей несущей частоты и индуктивности от напряжения на различных участках диапазона (88, 89 и 90 МГц) приведены на рис.5. Значения индуктивности рассчитаны по графику изменения частоты несущей, исходя из известной величины емкости контура, постоянной в каждом частотном диапазоне.
Поскольку источник питания имел дискретное управление с шагом 0,01 В, а разрешение индикатора частоты приемника составляло 0,01 МГц, измерения проводились следующим образом: точное значение частоты выставлялось по индикатору, после чего передатчик перестраивался на эту частоту изменением величины напряжения смещения. Далее приемник включался в режим автопоиска сигнала передатчика, и если найденная частота отличалась от изначально выставленной, то она корректировалась подстройкой величины напряжения на п-/-р-/-п-структуре. После чего процесс повторялся до наиболее точного совпадения заданной частоты и частоты, определенной в режиме автопоиска. Поскольку в процессе поиска станции приемник подходит к не-
Рис.5. Графики экспериментальных зависимостей несущей частоты (—•—) и индуктивности катушки (—ф—) от напряжения
сущей со стороны низких частот, погрешность определения частоты носит систематический характер, вследствие чего общий вид зависимости можно считать достоверным, что подтвердилось при проведении измерений на разных участках диапазона.
Из полученного графика видно (см. рис.5), что зависимость индуктивности от напряжения смещения на п—/—р—/—п-структуре хорошо коррелирует с аналогичной экспериментальной характеристикой катушки индуктивности (см. рис.3), измеренной прибором Е4-11.
Диапазон изменения величины индуктивности весьма просто увеличить, изготовив многосекционную катушку, поскольку геометрия п—/—р—/—п-структуры позволяет это сделать без значительных конструктивных трудностей. Катушки индуктивности предложенной конструкции удобны для изготовления в планарной форме, когда витки формируются напылением или травлением материала поверхности вокруг р—/—я-структуры, расположенной в объеме. Несомненным преимуществом конструкции является также то, что цепь управления индуктивностью гальванически развязана от схемы, в которую катушка включена.
Таким образом, проведенные исследования показали, что катушка, выполненная на сердечнике, являющемся р—/—я-структурой с толстой базой, представляет собой индуктивный элемент, обладающий способностью к перестройке под воздействием потенциала, приложенного к выводам р—/—я-структуры, что позволяет считать доказанной возможность создания миниатюрного пассивного индуктивного элемента, перестраиваемого под воздействием электрического поля. Катушки такого типа в качестве миниатюрных управляемых индуктивностей могут представлять интерес при конструировании современной радиоэлектронной аппаратуры, в схемах генераторов, модуляторов, фильтров, частотно-избирательных усилителей высокочастотного диапазона.
Литература
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1983. - Т. 1. - С. 151-153.
1. Микроэлектронные устройства СВЧ / Г.И.Веселов, Е.Н.Егоров, Ю.Н.Алехин и др. - М.: Высш. шк., 1988. - 180 с.
3. Голубев И. Высококачественные индуктивные элементы компании ТОКО // Компоненты и технологии. - 1006. - № 1. - С. 14-16.
4. Шольц Н.Н., Пискарев К.А. Ферриты для радиочастот. - М.: Энергия, 1966. - C. 223.
5. Баранов В.М., Карасевич А.М., Сарычев Г.А. Испытания и контроль качества материалов и конструкций. - М.: Высш. школа, 2004. - C. 186-189.
6. Баранов В.М., Карасевич А.М., Сарычев Г.А. Диагностика материалов и конструкций. -М.: Высш. шк., 2007. - C. 293-294.
7. Дзехцер Г.Б., Орлов О.С. P-i-n-диоды в широкополосных устройствах СВЧ. - М.: Сов. радио, 1970. - 200 с.
8. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь. -1987. - 120 с.
9. ЯнчукЕ.В. Туннельные диоды в приемно-усилительных устройствах. - М.: Энергия. - 1967. - 56 с.
10. Морозов В. Некоторые схемы на туннельных диодах // Радио. - 1965. - № 4. - C. 37-39.
Статья поступила 12 апреля 2009 г.
Семёнов Андрей Андреевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики твердого тела СГУ. Область научных интересов: физика полупроводников, твердотельная электроника, микросхемотехника, применение нелинейной динамики в полупроводниковой электронике, радиофизика. E-mail: semenovAA@info.sgu.ru
Усанов Дмитрий Александрович - доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой физики твердого тела, проректор по научной работе СГУ. Область научных интересов: твердотельная СВЧ-электроника, радиоволновые и оптические методы контроля, применение нелинейной динамики в полупроводниковой электронике СВЧ.
Издательско-полиграфический комплекс Московского государственного института электронной техники
информирует
Вышло в свет учебное пособие
Б.М. Симонов, A.B. Заводян
Технологические основы микроэлектроники. Ч. 2 / Под. ред. проф. С.П. Тимошенкова. -М.: МИЭТ, 2009.
Вторая часть пособия является продолжением первой части и включает сведения о технологиях создания селективно легируемых областей в полупроводнике, формирования рисунка в функциональных слоях СБИС, а также о требованиях к чистоте поверхностей полупроводников в субмикронной технологии и помещений. Представлены наиболее важные теоретические положения, раскрывающие сущность рассматриваемых процессов и направлений их развития.
Материал пособия основан на опыте преподавания дисциплин "ТИКИМС", "Физические основы МЭ", "Технология МЭ", "Физико-химические основы технологии ЭС", "Технологические и защитные среды ЭС", "Технология компонентов ЭВС" и предназначен для студентов факультетов МП и ТК, ЭТМО, ПрИТ МИЭТ. Может быть ISBN 978-5-7256-0541-9 полезен студентам, обучающимся по смежным специальностям других Формат 60 х 841/16, факультетов, аспирантам и специалистам, занятым в сфере
объем 164 е.: ил. микроэлектроники, в частности субмикронных технологий.
УДК 621.372.01
Расчет частотных характеристик электронных схем методом
предельных состояний
А.В.Гуреев, В.А.Кустов
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Предложен эффективный метод определения аналитических соотношений для частотных характеристик линейных цепей. В отличие от известных методов символьных вычислений функций электрической цепи, направленных на получение конечных формул, расчет проведен с использованием упрощенных схем, соответствующих предельным состояниям исследуемой линейной цепи
Автоматизированные методы и средства расчета важнейших характеристик электронных цепей в настоящее время достигли такого уровня, что при определении требуемого параметра для схемы любой сложности, как правило, если и возникают затруднения, то связанные лишь с вводом в компьютер исходных данных. Вместе с тем при использовании машинных методов исследования электрических схем конечные результаты отображаются в численном или графическом виде, вследствие чего разработчик не имеет аналитического выражения, описывающего зависимость рассматриваемых параметров от интересующих факторов, и лишается возможности применять хорошо разработанный математический аппарат для изучения интересующих явлений и процессов. Получение подобного рода зависимостей с помощью известных подходов (метода графов [1], метода структурных чисел [2] и других [3, 4]) сопряжено с необходимостью проведения громоздких преобразований и для сложных схем практически неприменимо.
В настоящей работе предложен простой и эффективный способ нахождения аналитических соотношений для частотной характеристики пассивной или активной цепи.
Понижение порядка рассчитываемой схемы. Рассмотрим электрическую цепь п-го порядка, равного количеству входящих в нее реактивных элементов (случаи последовательного или параллельного соединения реактивных элементов одного типа, когда они могут быть заменены одним эквивалентным, не рассматриваются). Пусть Е (ш) - комплексная функция, описывающая один из параметров рассматриваемой цепи: коэффициент передачи по напряжению или току, входной или выходной импеданс, напряжение на каком-либо из элементов, ток через этот элемент и другие параметры, при воздействии на исследуемую систему источников гармонического сигнала. Частотная зависимость указанной функции имеет вид
р(ш) = ат ОГ + ат-1 ОГ^ + к + а (, /СО) + а0 (1)
К) ъп (]ш)п + Ъп-1(]ш)п-1 + ... + ¿10) + Ъ '
где ат,...,а1, а0 и Ъп,.,Ъ1, Ь0 - действительные коэффициенты, определяемые номиналами элементов и способом их соединения; п > т; ] - мнимая единица.
Для определения функции Е(ш) необходимо найти коэффициенты ат,...,а1, а0 и
Ъп,...,Ъ1, Ь0. Это можно сделать, не прибегая к трудоемким методам [1-4] и используя простые эквивалентные схемы, не содержащие реактивных элементов.
© А.В.Гуреев, В.А.Кустов, 2009
