Кремниевые р - i - «-структуры, выполненные без патрона, могут непосредственно впаиваться в различные волноводные конструкции (в резонансные щели, в низкие волноводы, в полосковые линии и т. д.), что позволяет резко уменьшить габариты и вес СВЧ коммутационных устройств. Проектирование коммутационных устройств с р - i - и-диодами производится так же, как и с р - п-диодами.

Техника коммутационных устройств с р - i - «-элементами является еще очень молодой; здесь еще явно не использованы до конца физические, технологические и конструктивные возможности.

Конструкции коммутационных устройств с р - i - «-элементами показаны на рис. 15, 16, стр. 141.

4. Коммутационные устройства

с распределенными p - i - л-структурами

Описанные в предыдущем разделе р - i - «-структуры эффективно используются до длин волн не короче 2-3 см. На более коротких волнах в коммутационных устройствах наблюдается существенный рост потерь. В обесточенном состоянии потери дополнительно увеличиваются из-за поглощения СВЧ энергии в легированных Р- и N- областях р - i- «-структур.

Так как на коротких волнах глубина проникновения СВЧ токов в i-область в режиме инжекции становится меньше размеров кристалла, то эффективная величина сопротивления R2 (см. рис. 11) увеличивается, что снижает величину качества и увеличивает потери в устройствах. На еще более коротких волнах - в миллиметровом диапазоне - технологически выполнимые кристаллы (с размерами в десятые доли миллиметра) уже не могут быть эквивалентно представлены схемами вида рис. И; структуры по существу работают как отрезки линии передачи и для их описания должны использоваться волновые параметры.

В режиме положительного смещения волновые параметры (постоянная распространения и коэффициент отражения от среды, заполненной полупроводником) вычисляются по элементарным формулам, если известна проводимость i-области о.

В обесточенном состоянии важнейшей характеристикой структуры является постоянная затухания, причем для ее определения уже недостаточно знать величину проводимости о/.

В постоянной затухания можно выделить три составляющие, которые учитьшают поглощение СВЧ энергии свободными носителями Со, диэлектрические потери в полупроводниковом кристалле при отсутствии носителей и контактные потери из-за скин-эффекта Oft. Измерение суммы двух первых составляющих (а 4- сц,) для кремния с 0/ = 5.,10~* oм~cм~ дало практически постоянную величину (- 0,3 дб/см) в диапазоне волн > 0,2 см; этот результат

косвенно характеризует кремний как материал с относительно малыми диэлектрическими потерями (tg6 заведомо меньше 10").

Рис. 13 иллюстрирует зависимость составляющей а* от длины волны для кремниевых р - i - «-структур с d = 0,4 мм и с различной толщиной и свойствами легированных областей. Точками отмечены экспериментальные данные; кривые построены на основании расчета, который проводился в предположении, что проводимость в легированных слоях толщиной d изменяется по экспоненциальному (кривая а) или прямоугольному (кривые б и б) закону от максимального значения о*. = 10

Рис. 13. Зависимость погонных потерь вр-i-«-структурах с толщиной легированных областей 32 мк (о), 12,5 мк (б), 3 мк (в) и при нулевой толщине (г)

10 ОМ~-СМ~ до 0/ И ЧТО проводимость примыкающих к легированным слоям металлических контактов (см. рис. 10) равна Ол, = 5 • 10* ом- см~. Толщина легированных слоев t для структур трех типов (а, б и в), измеренная методом косого шлифа, дала значения 25, 10 и 1 мк. Теоретические кривые Oft удовлетворительно аппроксимируют эксперементальные данные при толщинах t = 32; 12,5 и 3 л<к соответственно. Увеличение значений t, по данным измерений а* на СВЧ, по сравнению с действительной толщиной может быть объяснено, по-видимому, наличием слоя с повышенной концентрацией дырок около стыка области р" и р.

Пунктирная прямая г на рис. 13 характеризует минимально достижимые значения а. при а, = 5 . 10* ом~ см~ и нулевой толщине легированных областей. Из приведенных данных видно, что р - i - п-структуры с малыми значениями =(13)- 10~* сл< и большими значениями Ом имеют относительно малые значения постоянной затухания в миллиметровом диапазоне.

Конструкция простейшего коммутационного устройства с использованием распределенной р - i - «-структуры изображена на рис. 14.

По высоте p - i - «-структура (или несколько р - i - «-структур) равна высоте волновода в или другой линии передачи (Я-образный волновод, полосковая линия и т. д.). Ширина р - i-.n-структуры при учете различных требований может составлять малую долю ширины волновода а или быть близкой к нему. Длину p - i - «-структуры можно брать равной половине длины волны;

Рис. 14. Конструкция полуволнового волноводного включателя

В этом случае р - i - п-структура в обесточенном состоянии вносит малые отражения. Для расширения полосы рабочих частот используются также диэлектрические согласующиеся устройства на входе и выходе р - i - п-структуры. Выключатели с согласованными р - i - п-структурами имеют на длинах волн Л, = 0,4 2 см. потери /,„ ~ 0,4 -f- 1 дб при затухании La - 25 ч- 50 дб в полосе рабочих частот 30% н более. Подобные устройства могут работать как согласованные электрически управляемые аттенюаторы.

Мощность управления устройств относительно мала -0,1 - 0,5 вт.

На рис. 15 дана фотография различных коммутационных СВЧ устройств с сосредоточенными (Я, = 80 -f- 3 см) и распределенными (Я, = 1,6 ч- 0,2 см) р - i - п-структурами; показаны переключатели на два канала для длин волн: а - Я, = 80 см, б - Я, = 8 см, в -Я. = 3 ш; выключатели для длин волн: г - Я,= 3гл<, й - Я,= = 1,6 см, е - Я, = 8 мм, ж - Я, = 4 мм, з - Я, = 2 мм.

На рис. 16 показан участок волноводного тракта двухсантиметрового диапазона с включенным сложным коммутационным устройством - восьмиканальным распределителем на р - i - п-элементах. Распределитель соединяет друг с другом два любых волновода.

Рис. 15. Конструкция СВЧ коммутационных устройств с р - i - п-элементами: переключатели дчя длин волн 80 СЧ (а), 8 см, (б), 3 см (в), выключатели для длин волн 3 см (г), 1,6 см (д), 0,8 см (е), 0,4 см (ж) и 0,2 см (з)

5. Коммутационные устройства,

работающие при низких температурах

В связи с разработкой коммутационных устройств для систем, работающих совместно с малошумящими приемниками, потребовались полупроводниковые элементы, которые вносят в тракт СВЧ сигнала не только малые потери, но и малую шумовую температуру. При тех же потерях шумовую температуру можно уменьшить, охлаждая полупроводниковые элементы. Однако при охлаждении, например, кремниевых р- i -п-структур из-за роста подвижности носителей наблюдается увеличение о/, что приводит к существенному увеличению потерь.

Для того чтобы охлаждение не сопровождалось ростом о/ в р - i - п-структурах, можно применять полупроводниковый материал, легированный специальными металлами, которые образуют глубокие примесные центры (ловушки). При наличии таких устройств время жизни носителей в г-области обесточенной р - i - п-структуры оказывается резко сниженным, а величины о/ малыми. По мере роста тока ловушкп «забиваются» носителями и время жизни носителей в i-области растет. В результате при положительном смещении t/ могут быть получены относительно большие значения

Рис. 16. Конструкция восьмнканального распределителя двухсантиметрового диапазона модульного типа с р - i - п-элементами

0.. в описанных р - i - л-структурах изменение проводимости основано в значительной мере на эффекте изменения времени жизни носителей, в результате чего онн носят название т-струк-тур [5].

Коммутационные устройства могут создаваться с использованием примесного пробоя.

Если полупроводниковый монокристалл с примесной проводимостью охладить до очень низкой температуры, то носители (дырки или электроны) оказываются связаннымп с атомами примеси (акцепторами или донорами). При низких температурах колебания кристаллической решетки полупроводника не могут передать примесному атому энергии (для германия и кремния эта энергия - 0,01 эв) достаточной, чтобы перевести носитель в проводящее состояние.

В результате сильно охлажденный полупроводник (например, германий при 4° К) имеет очень малую величину о/ - (10~* -

- \{Г олГ-см). Подведение небольшого внешнего электрического поля (-5 ejcM) позволяет оторвать значительную часть (порядка %) носителей от атомов примеси. Увеличение концентрации свободных носителей происходит за очень короткое время (порядка ХОГсек) в результате ряда последовательных актов ионизации, образующих лавинообразный процесс. В результате указанного процесса (носящего название примесного низкотемпературного пробоя) проводимость кристалла изменяется на много порядков, причем могут быть получены значения о порядка 1 олГ • слГ.

Примесный пробой дает хорошие результаты при температуре жидкого гелия (4° К). При более высоких температурах (40 - 80" К) резко увеличиваются пробивное поле (- 10 - 10 в/см) и время переходных процессов (- 10"* - 10"* сек).

1ри работе на промежуточных температурах (40 - 80° К) для снижения пробивных полей целесообразно использовать не примесный пробой, а эффект, который называется межзонным пробоем. В этом случае под действием электрического поля происходит ионизация атомов полупроводника. При такой ионизации возникает пара носителей (электрон и дырка). Для уменьшения пробивного поля используются полупроводники типа А3В5 (например, сурьая-нистый индий InSb) с малой шириной запрещенной зоны. Для InSb при температуре 70° К пробивные поля близки к 100 в/см.

Наибольшая трудность при создании СВЧ элементов с использованием пробоя зона - зона состоит в получении малых значений <Г, для InSb получены величины 0/~2 • 10" ом- см~ и 0

- 1 ом -см".

С использованием описанных эффектов на СВЧ могут создаваться коммутационные элементы как сосредоточенного, так и распределенного типа. В устройствах для защиты квантовых парамагнитных усилителей в ряде случаев требуется применять защитные устройства (выключатели) с вносимым затуханием 80-100 дб. Для

решения задачи выгодно применять распределенные элементы при полном заполнении веществом линии передачи. Защитные устройства, работающие при 4" К, потребляют малую мощность (- 0,1 eni) и могут защищать квантовые парамагнитные усилители от мощных СВЧ импульсов (10= - 10* em).

i • £0

Рис. 17. Конструкция низкотемпературных выключателей полоскового (а) и коаксиального (б, в) типов

На рис. 17 дана"фотография полосковых (а) и коаксиальных (б в) охлаждаемых выключателей распределенного типа, предназначенных для работы в дециметровом и сантиметровом диапазонах.

В закрытом состоянии устройства вносят затухание 40-80 дб; время переключения менее 10" сек.

Заключение

В данной статье дан краткий обзор состояния техники СВЧ полупроводниковых коммутационных устройств. Основное внимание уделялось изложению результатов, полученных в направлениях миниатюризации устройств, повышения рабочей импульсной и средней мощности, уменьшения потерь и шумовой температуры, а также в направлении продвижения в более короткие диапазоны волн.

Можно ожидать, что в ближайшие годы полупроводниковые переключатели, как более экономичные и миниатюрные, заменят ферритовые переключатели в бортовой аппаратуре сантиметрового и дециметрового диапазона при импульсных мощностях 10*

10 вт. В антенных решетках с электрическим сканированием луча бортовых систем указанные преимущества полупроводников должны выявиться в еще большей степени при работе на импульсных мощностях до 10" - 10* вт.

Полупроводниковые модуляторы, выключатели и электрически управляемые аттенюаторы, по-видимому, будут иметь преимущества по многим параметрам (ии1рокополосность, мощность управле-