Пассивные элементы на основе волноводов

Пассивные элементы с сосредоточенными параметрами на высоких частотах взаимодействуют между собой не только через проводники, но и через электромагнитное поле. Электрическая схема становится неуправляемой. На частоте 10 ГГц длина волны в диэлектрике 10¸15 мм.

В структуре микросхемы можно создать распределенные электромагнитные элементы на основе волноводов.

Волновод – это двухпроводная линия связи, один из проводников которой заземлен для высокочастотных составляющих сигнала и экранирует другой. Скорость сигнала в волноводе равна скорости электромагнитной волны в окружающем диэлектрике. В интегральной технологии используются два типа волноводов: копланарные (все проводники в одном уровне металлизации) и микрополосковые (сигнальные и экранирующие проводники в разных уровнях металлизации). В микросхемах на изолирующих подложках (сапфир, арсенид галлия) преобладают более простые и лучше воспроизводимые копланарные структуры. На кремниевых подложках требуется экранирование от потерь и преобладают микрополосковые волноводы.

Отметим некоторые свойства волноводов. Разомкнутый волновод длиной менее четверти длины волны ведет себя как конденсатор. Волновод, замкнутый на удаленном конце по высокочастотной составляющей, длиной в четверть длины волны действует как высокочастотный изолятор. Разомкнутый на конце волновод длиной в половину длины волны действует как резонатор. Известно множество структур на основе волноводов.

Снижение потерь в волноводах достигается использованием металлизации на основе меди или золота. Стабилизация параметров требует снижения индуктивности экрана (заземления). Для снижения индуктивности заземления используются два основных приема: соединение шины заземления с основанием корпуса обычной ультразвуковой сваркой, но большим числом проводников (не менее 10); соединение шины заземления с металлизированной обратной стороной кристалла сквозными металлизированными отверстиями в подложке. Совместно с волноводами в составе микросхем иногда используются интегральные конденсаторы небольшой емкости (единицы пикофарад). Интегральные индукторы и волноводы совместно не применяются.

Варакторы

Варакторы – это переменные конденсаторы, управляемые напряжением. Используются варакторы в перестраиваемых LC - резонаторах, фильтрах и линиях задержки. Их основные параметры – максимальная емкость, отношение максимальной и минимальной емкостей, крутизна ВФХ, последовательное сопротивление. Требования к параметрам варакторов для резонансных узлов схемы необходимо согласовывать с параметрами используемых индукторов. Паразитные последовательные сопротивления индукторов и варакторов одинаково уменьшают добротность резонансного контура. В управляемых линиях задержки требования к последовательному сопротивлению ослаблены, и это дает возможность улучшить другие параметры, например, отношение максимальной и минимальной емкостей.

Емкость любого p – n - перехода зависит от приложенного напряжения. Емкость будет изменяться быстрее, если концентрация легирующей примеси убывает с увеличением расстояния от металлургической границы, в которой концентрация доноров равна концентрации акцепторов. Если ОПЗ нескольких       p – n - переходов смыкаются, то изменение емкости будет еще больше. Варакторы с удовлетворительными параметрами получаются на основе коллектор - базовых переходов биполярных транзисторов. Отношение максимальной и минимальной емкостей достигает 10 при величине последовательного сопротивления в несколько ом. В КМОП - технологии изменение емкости затвора МОП - транзистора в открытом и закрытом состоянии достигает 20¸30 раз. ВФХ очень крутая. Именно на крутом участке ВФХ последовательное сопротивление многократно возрастает, так как уменьшение емкости непосредственно связано с увеличением сопротивления канала МОП - транзистора. МОП - варактор можно использовать в ключевом режиме, когда управляющие импульсные сигналы резко меняют емкость отдельных параллельно подключенных секций. Без использования специальных эпитаксиальных структур и формирования p – n - переходов на рельефе поверхности одновременно улучшить все параметры невозможно. Проблема создания универсальных интегральных варакторов до сих пор не решена.

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки (ДШ) реализуются на основе барьерных выпрямляющих переходов металл - полупроводник. В схемотехнике используются следующие свойства ДШ: меньшее напряжение на диоде при протекании прямого тока и практическое отсутствие инжекции неосновных носителей в полупроводник. Например, ДШ, включенный параллельно коллекторному переходу биполярного транзистора, ограничивает паразитную инжекцию неосновных носителей в коллектор. Высокочастотные детекторные ДШ применяются для регистрации радиосигналов на частотах более 1 ГГц.

Электростатический потенциальный барьер всегда возникает на границе полупроводника с металлом. Внутри кристалла потенциальная энергия электронов меньше, чем в вакууме, так как они притягиваются ионами кристаллической решетки. Средняя разность энергий электронов в вакууме и в веществе называется химическим потенциалом. При контакте металла и полупроводника с разными химическими потенциалами происходит переход части электронов в вещество с большим химическим потенциалом, а на границе образуется двойной заряженный слой. Заряд в металле локализирован в моноатомном слое вблизи поверхности, а в полупроводнике ОПЗ простирается в глубь кристалла, так как концентрация заряженных частиц равна концентрации ионизированной примеси (рис. 14.1). В идеальном случае величина потенциального барьера равна разности химических потенциалов. Однако в реальных ДШ на границе присутствуют дефекты структуры в виде поверхностных электронных состояний в запрещенной зоне полупроводника и диэлектрический зазор (окисный слой) между металлом и полупроводником. Величина потенциального барьера при этом несколько отличается от разности химических потенциалов. Типовые значения для величины потенциального барьера в контакте разных металлов со слаболегированным кремнием приведены в табл. 14.1. Сумма высот барьеров определенного металла с кремнием n - и p - типа равна ширине запрещенной зоны (1,12 эВ). Плотность тока в ДШ описывается формулой

                                   ,                              (14.1)

где T – абсолютная температура; j_б – барьерный потенциал; m – коэффициент идеальности ВАХ; j_Т – температурный потенциал; А* – постоянная Ричардсона, зависящая от свойств полупроводника. Для кремния А*= 9,6 ×10⁵ А/(м²×К²); для арсенида галлия А*= 4,4×10⁴ А/(м²×К²). Коэффициент идеальности m увеличивается с ростом концентрации примеси в полупроводнике и величины диэлектрического зазора в контакте. Практически используются диоды с m от 1,05 до 1,15.

В технологии кремниевых микросхем для ДШ используются те же металлы и процессы, что и для омических контактов – алюминий, силицид платины, силицид титана. Выбор определяется требуемой величиной потенциального барьера.

Дискретные детекторные диоды создаются на основе германия, а высоковольтные выпрямительные ДШ – на основе арсенида галлия. В отличие от диффузионного диода на основе p–n - перехода, край структуры ДШ получается острый. На краю резко возрастают напряженность электрического поля и плотность тока утечки. Для снижения напряженности поля на краю контакта создаются защитные элементы структуры ДШ. Первый вариант – это кольцевой диод на основе p–n - перехода, включенный параллельно ДШ (рис. 14.2). Второй вариант – это полевой электрод с МОП - структурой, расширяющий ОПЗ на краю ДШ и снижающий напряженность поля.

Таблица 14.1

Высота барьера Шоттки j_б

15. Физические структуры микросхем на основе гетеропереходов соединений A₃B₅ и кремний - германий