CC BY
6
УДК 621.372.41
Д.Д. Татарчук, В.1. Молчанов, Ю.В. Дщенко, А.С. Франчук РЕЗОНАНСН1 ВЛАСТИВОСТ1 ^-/-и-ДЮД1В У НВЧ Д1АПАЗОН1
Вступ. У останш роки значна увага придiляeться npo6neMi створення пристро!в мшметрового дiапазoну довжин хвиль (атeнюатopiв, фiльтpiв, фазooбepтачiв, тощо). Защкавленнють в oсвoeннi короткохвильово! частини мшметрового дiапазoну пов'язана i3 спробами створення штегральних напiвпpoвiдникoвих структур, що включають лiнiю пepeдачi НВЧ сигналу й елементи, яш забезпечують керування цим сигналом: p-i-n-структури, структури на oснoвi бар'еру Шоттк1. Так1 структури цiкавi тим, що з одного боку вони мають досить високу дieлeктpичну пpoникнiсть i досить мат дieлeктpичнi втрати, а з шшого боку iснуe принципова мoжливiсть електронного керування параметрами таких систем [1, 2].
Проведет нами дослвдження показали, що безкорпусш p-i-n-дюди, вигoтoвлeнi на oснoвi кремнш, мають у мшметровому дiапазoнi довжин хвиль досить високу добротшсть, достатню для виникнення резонансу. Це дозволяе використовувати ix як резонансш елементи при ствopeннi пристро!в НВЧ з електричним керуванням резонансною частотою. Одночасно з широкими функцюнальними можливостями, приваблюе також мoжливiсть виготовлення таких пристро1в на oснoвi добре вщпрацьовано! нашвпровщниково! технологи. Хоча дослщження в цiй oбластi ведуться досить штенсивно, все ж дотепер недостатньо повно вивчено вплив зoвнiшнix фактopiв на eлeктpoдинамiчнi властивoстi напiвпpoвiдникoвиx резонансних структур, що приводить до необхвдносп подальшого ix вивчення.
Тому, метою дано! роботи е дослвдження резонансних систем з електронним керуванням частотою на oснoвi напiвпpoвiдникoвиx p-i-n-дioдiв.
Резонансш натвпровщников1 структури з електронним керуванням. За своею внутршньою структурою (рис. 1) та характером взаемоди з електромагнггним полем так1 структури е типовими представниками резонансних систем з ¿-типом коливань [3].
Рис. 1. Схематичне зображення структури iдeальнoгo p-i-n-дюду (а) та розподш носив у ньому (б)
Як видно з рис. 1 у стpуктуpi p-i-n-дюду е область власного (нелегованого) нашвпроввдника з низькою концентращею носив заряду (i-область). Елeктpoфiзичнi властивoстi власного кpeмнiю наведено в таблиц 1.
Таблиця 1. Елeктpoфiзичнi властивoстi власного кремтю
Параметр Значення
Дделектрична пpoникнiсть у НВЧ дiапазoнi 11,6
Питомий oпip, (Ом м) за температури 20 °С у НВЧ дiапазoнi 2,3•105
Тангенс кута дieлeктpичниx втрат за температури 20 °С у НВЧ дiапазoнi 0,0006 - 0,0025
З таблицi 1 видно, що власний кремнш мае досить високий питомий oпip i низьк1 втрати на НВЧ, що робить принципово можливим створення на його oснoвi резонансних систем НВЧ.
Розглянемо задачу про власш коливання для безкорпусного рч-п-дюду (рис. 1, а). Математично ця задача зводиться до розвязку р1внянь Гельмгольця [4, 5]:
Щ - цц0еео
д1 Е;
АЯУ-цц0880
&2 д2Н
= 0;
(1)
дг1
= о,
за граничних умов
= 0
на металиних контактах /?-/-я-дюду. 1 за граничних умов
п Н;
/К Нп
= 0
(2) (3)
на б1чних (не металпо ван их) стшках, де Л,, Н1 - вектори електричного й магштного полв у внутрпншх
областях /?-/-я-дюду. Нд - вектор магштного поля в облает! що межуе з нсмсталпованими поверхнями
/>-/-/7-дюду, вг-,[Л,г- - вцщосш д1електрична й магштна проникносп внутрпншх областей /?-/-я-дюду
вццювцщо, п - вектор нормал1 до поверхш под1лу.
Результати розрахунк1в та експериментальних дослiджень резонансних систем на основi безкорпусних рч-п-дюд^в наведено в таблиц 2. Типову частотну залежнiсть коефщенту проходження прямокутного безкорпусного р-/-п-дюду наведено на рисунку 2.
Таблиця 2. Результати визначення резонансно! частоти й добротносл кремнieвих р-/-п-дюд1в
Поперечш розмiри, мм Товщина, мкм Мода Резонансна частота/0, ГГц Власна добротшсть Q0
теорiя експеримент теорiя експеримент
1,3X2,4 « 250 Е210 65,93 63,2 301 320
1,3 х 1,3 « 250 Е210 68,7 66,7 330 310
1,2 х 2,4 « 250 Е210 69,4 68,3 274 315
1,4 х 1,4 « 250 Е210 66,04 63,1 294 350
0,8х0,8 « 250 Е110 67,3 68,2 390 360
Рис. 2. Частотна залежшсть коефiцieнту проходження (5"21) для безкорпусного кремнieвого р-/-п-дюду
прямокутно! форми розмiрами 1,3x2,4 мм2
Отже, так1 структури можна використовувати для створення резонансних систем. Крiм того, проведет нами дослвдження показали, що !х резонансна частота суттево залежить вiд величини прямого струму (рис. 3).
Рис. 3. Залежшсть резонансно! частоти безкорпусного кремшевого р-г-п-дюду прямокутно! форми розмiром 1,3x2,4 мм2 ввд прямого струму, пропущеного через нього
Як видно з рисунку 3 частота резонансу зростае iз збшшенням прямого струму через р-г-п-дюд. Одночасно iз зростанням частоти зменшуеться добротнiсть структури (рис. 4).
Рис. 4. Залежшсть нормовано! добротностi ввд прямого струму для безкорпусного кремшевого р-г-п-дюду прямокутно! форми розмiрами 1,3x1,3 мм2
Пояснити таку залежшсть резонансно! частоти вщ прямого струму змшою емностей р-г-п-дюду не вдаеться, оск1лькн за прямого включення емностi збiльшуються зi збшшенням прямо! напруги, а, отже, i зi збiльшенням струму, що повинно приводити до зменшення резонансно! частоти. Характер залежностей (рис. 3, 4) дозволяе зробити припущення, що у мшметровому дiапазонi довжин хвиль така структура схемотехнiчно може бути представлена у виглядi паралельного контуру iз втратами (рис. 5).
Рис. 5. Екшвалентна схема р-г-п-дюду Резонансна частота (/) i добротнiсть (<2) такого контуру описуеться виразами (4) i (5):
2
(4)
б = К
(5)
де Ь, С - емшсть та iндуктивнiсть рч-п-дюду вщповвдно, - опiр рч-п-дюду.
З виразу (4) видно, що до збшьшення частоти приводить зменшення опору р-/-п-дюду, спричинене збiльшенням iнжекцi! носив заряду в /-область за збшшення прямого струму. Таким чином у першому наближенш збiльшення резонансно! частоти за збшшення прямого струму р-/-п-дюду можна пояснити сумарною дiею двох конкуруючих процеав: зменшенням опору рч-п-дюду та збiльшенням його емностей за збшьшення прямого струму.
Одночасно iз збшьшенням частоти за зменшення опору р-/-п-дюду вiдбуваеться зменшення власно! добротносп p-/-n-дiоду (рис. 4), що можна пояснити виходячи з виразу (5). Це обмежуе можливий дiапазон перестроювання частоти таких систем, однак проведет нами дослвдження показали, що можна отримати перестроювання частоти бiльш шж на 1,5 % за допустимого зниження добротностi (рис. 3), що е достатшм для практичного використання.
Висновки. У p-/-n-дiодах можливе виникнення високодобротного резонансу в мiлiметровому дiапазонi довжин хвиль.
Резонанснi частоти й власна добротшсть p-/-n-дiодiв суттево залежать ввд величини прямого струму, що дозволяе реалiзувати електронне перестроювання частоти бшш нiж на 1,5 % за допустимого зниження добротносп.
Отримаш результати дають змогу зробити висновок про принципову можливiсть створення на основi p-/-n-дiодiв резонансних пристро!в НВЧ з електронним керуванням, що вказуе на необхвдшсть подальшого дослiдження таких структур.
Л1ТЕРАТУРА:
1. Молчанов В.1. Напiвпровiдниковi резонанснi структур iз електронним керуванням. / В.1. Молчанов, В.М. Пашков, Д.Д. Татарчук, А.В. Еременко // Электроника и связь. - 2003. -№19. - С.17-19.
2. Мачулянський О.В. Селективш пристро! НВЧ на основi неоднорiдних структур. / О.В. Мачулянський, Д.Д. Татарчук, Д.А. Шмипн // Техшчна електродинамжа. - Вересень 2010 р.
- Ч.3. - С. 159-160.
3. Молчанов В.1. Напiвпровiдниковi комбiнованi структури з дiелектричним резонансом £-типу. / В.1. Молчанов, В.М. Пашков, Д.Д. Татарчук // Электроника и связь. - 2000. - №9. - С.55-58.
4. Татарчук Д.Д. Власш коливання прямокутних комбiнованих дiелектричних резонаторiв з Е-типом коливань. / Д.Д. Татарчук // Электроника и связь. - 1999. - №7. - С.42-44.
5. Татарчук Д.Д. Добротность составных диэлектрических резонаторов с Е-типом колебаний. / Д.Д. Татарчук // Электроника и связь. - 1998. - №5. - С.117-119.
ТАТАРЧУК Дмитро Дмитрович - к.т.н., доцент кафедри мжроелектрошки Нацюнального техшчного ушверситету Укра!ни «Ки!вський полггехшчний iнститут». Науковi iнтереси:
- НВЧ електрошка, моделювання технологiчних процесiв електрошки.
МОЛЧАНОВ Вiталiй 1ванович - к.т.н., доцент кафедри мшроелектрошки Нацiонального техшчного ушверситету Укра!ни «Ки!вський полiтехнiчний шститут». Науковi iнтереси:
- НВЧ електрошка, матерiали електронно! технiки.
Д1ДЕНКО Юрш Вiкторович - iнженер кафедри мжроелектрошки Нацiонального технiчного унiверситету Укра!ни «Ки!вський полiтехнiчний iнститут». Науковi iнтереси:
- НВЧ електрошка, наноматерiали.
ФРАНЧУК Антон Сергшович - студент кафедри м^оелектрошки Нацiонального технiчного унiверситету Укра!ни «Ки!вський полiтехнiчний iнститут». Науковi iнтереси:
- НВЧ електрошка.
