линия передачи

Формула изобретения

1. Линия передачи, содержащая несколько двухпроводных линий передачи, у которых один из проводников общий, а другие проводники, в том числе выполненные с различной длиной, соединены с проводящими участками, образующими омический контакт к первому полупроводниковому слою электронного либо дырочного типа проводимости с сформированным невыпрямляющим контактом, проводящие участки выполнены в начале либо в конце линии передачи, либо в начале и в конце линии передачи, на поверхности первого полупроводникового слоя выполнен полупроводниковый или металлический слой с другим невыпрямляющим контактом, образующий с первым полупроводниковым слоем p-n переход или барьер Шоттки с неоднородным вдоль направления пересекающего проводящие участки примесным профилем, при этом выбор волнового сопротивления и длины линии передачи определен величинами напряжений на p-n переходах или барьерах Шоттки.

2. Линия передачи по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые другие проводники и проводящие участки соединены через другой полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости с сформированным невыпрямляющим контактом, на поверхности которого сформирован p-n переход или барьер Шоттки с неоднородным вдоль направления пересекающего проводящие участки примесным профилем с другим невыпрямляющим контактом.

3. Линия передачи по п.1, отличающаяся тем, что изолирующий слой выполнен между контактами к полупроводниковым областям.

4. Линия передачи по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые другие проводники и проводящие участки соединены через другой полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости с сформированным невыпрямляющим контактом, на поверхности которого сформирован другой p-n переход или барьер Шоттки с неоднородным вдоль направления пересекающего проводящие участки примесным профилем с другим невыпрямляющим контактом, причем изолирующий слой выполнен между контактами к полупроводниковым областям.

5. Линия передачи по п.1, отличающаяся тем, что изолирующий слой выполнен над проводящими участками и контактами к полупроводниковым областям.

6. Линия передачи по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые другие проводники и проводящие участки соединены через другой полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости с сформированным невыпрямляющим контактом, на поверхности которого сформирован другой p-n переход или барьер Шоттки с неоднородным вдоль направления пересекающего проводящие участки примесным профилем с другим невыпремляющим контактом, причем над проводящими участками и контактами к полупроводниковым областям выполнен изолирующий слой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электронной техники и микроэлектроники, а именно к линиям передачи. Изобретение может быть использовано при построении линий передачи с регулируемым волновым сопротивлением и длиной, а также в качестве переключателя.

Предшествующий уровень техники

Под линией передачи обычно понимают устройство, позволяющее направленно транспортировать электрическую энергию либо передавать сигналы от одного объекта к другому. Обычно линия передачи в электротехнике и радиотехнике представляет собой систему проводов либо кабелей. Наиболее часто в СВЧ микроэлектронике используется микрополосковая линия передачи, представляющая из себя двухпроводную линию, содержащую две проводящие полоски, между которыми сформирован изолирующий либо полуизолирующий слой. См., например, "Электроника", Энциклопедический словарь, М.: Сов. Энциклопедия, 1991 г., стр. 253, 254, 491, М.Шур. Современные приборы на основе арсенида галлия М.: Мир, 1991, стр. 405. К недостаткам всех линий передач относится то, что параметры линии передачи, такие как волновое сопротивление и длина, не регулируются внешним источником напряжения, что затрудняет микроминиатюризацию, настройку, частотную перестройку и согласование большого числа СВЧ устройств.

Задачей данного изобретения является создание линии передачи, не имеющей аналогов, с регулируемым при помощи внешнего электрического напряжения волновым сопротивлением и с регулируемой при помощи внешнего электрического напряжения длиной линии а также создание линии передачи, позволяющей регулировать при помощи внешнего электрического напряжения число подключаемых к линии передачи нагрузок и осуществлять подключение к линии передачи при помощи внешних электрических напряжений необходимой нагрузки, а также модулировать величину нагрузки, подключенной к линии передачи, управляющим напряжением.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что линия передачи, содержащая несколько двухпроводных линий передачи, у которых один из проводников общий, а другие проводники, в том числе выполненные с различной длиной, либо соединены с проводящими участками 1, образующими с полупроводниковым слоем электронного либо дырочного типа проводимости омический контакт, либо выполнены с зазором относительно проводящих участков 1, сформированных в начале либо в конце линии передачи либо в начале и в конце линии передачи, на поверхности полупроводникового слоя электронного либо дырочного типа проводимости с сформированным невыпрямляющим контактом, выполнена полупроводниковая или (и) металлическая область с другим невыпрямляющим контактом образующая с полупроводниковым слоем p-n переход или (и) барьер Шоттки с неоднородным вдоль направления пересекающего участки 1 примесным профилем, при выполнении проводников с зазором относительно проводящих участков 1 над зазором выполнен другой полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости с сформированным невыпрямляющим контактом, на поверхности которого сформирован p-n переход или (и) барьер Шоттки с неоднородным вдоль направления пересекающего участки 1 примесным профилем с другим невыпрямляющим контактом, при этом выбор волнового сопротивления и длины линии передачи определен величинами напряжений на p-n переходах или (и) барьерах Шоттки. Кроме того, линия передачи может отличаться тем, что над проводящими участками и контактами к полупроводниковым областям выполнен изолирующий слой, либо изолирующий слой выполнен между контактами к полупроводниковым областям.

То есть суть изобретения заключается в использовании возможности изменения при помощи внешнего смещения числа двухпроводных линий, образующих линию передачи.

В последующем изобретение иллюстрируется чертежами и графиками на которых:

на фиг. 1 приведена линия передачи с изменяемым волновым сопротивлением с источником входного сигнала и с источником управляющего напряжения;

на фиг. 2 - линия передачи с изменяемым волновым сопротивлением, изготовленная по планарной технологии;

на фиг. 3 - линия передачи с изменяемым волновым сопротивлением, у которой p-n переход (барьер Шоттки) сформирован на входе и выходе линии;

на фиг. 4 - линия передачи с изменяемым волновым сопротивлением и длиной;

на фиг. 5 - часть устройства линии передачи с регулируемым волновым сопротивлением и длиной;

на фиг. 6 - вариант устройства линии передачи с регулируемым волновым сопротивлением и длиной;

на фиг. 7 - часть устройства линии передачи с p-n переходом в виде клина;

на фиг. 8 - устройство клиновидного p-n перехода в линии передачи, выполненного над зазорами между проводящими участками и проводниками;

на фиг. 9 - линия передачи с p-n переходом на неоднородно легированной подложке;

на фиг. 10 - один из вариантов использования линии передачи в качестве переключателя;

на фиг. 11 - возможный вариант использования линии передачи в качестве переключателя;

на фиг. 12 - часть устройства изготовленной линии передачи с регулируемым волновым сопротивлением и длиной;

на фиг. 13 - устройство изготовленной линии передачи с регулируемым волновым сопротивлением и длиной;

на фиг. 14 - расчетная зависимость волнового сопротивления линии от числа включенных в нее полосок;

На фиг. 15 - экспериментальная зависимость коэффициента стоячей волны линии передачи от напряжения.

Для пояснения работы управляемой линии передачи обратимся к фиг. 1, на которой приведен один из вариантов предлагаемой линии передачи, содержащей (см. фиг. 1) проводящие полоски 1, проводящую полоску 2, которая образует с участками 1 двухпроводные линии, слой диэлектрика 3, неоднородно легированный вдоль ширины линии примесями n-типа полупроводниковый слой 4 с омическим контактом, область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n переход либо барьер Шоттки. На фиг. 1 изображены также источник управляющего напряжения 6, подключенный p-n переходу через дроссель 7, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала 8. Поверх проводящих полосок 1 сформирован n-типа слой 4, образующий с полосками 1 омический контакт. Причем слой 4 неоднородно легирован вдоль ширины линии (вдоль направления, пересекающего проводящие полоски 1 (Z)). Причем степень легирования уменьшается с ростом Z. Поверх слоя 4 сформирована область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n переход либо барьер Шоттки. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 6) на переходе размер вдоль Z области нейтральности в полупроводнике n-типа H(U) непрерывно уменьшается. При этом эффективная ширина линии W с дискретностью, равной ширине полосок 1, повторяет H(U), что приводит к пропорциональному увеличению волнового сопротивления линии ~ 1 H(U)).

При производстве полупроводниковых приборов посредством планарно-эпитаксиальной технологии все контакты, как правило, формируются на одной из поверхностей полупроводниковой пластины, причем контакты отделены друг от друга диэлектрической прослойкой (SiO₂). На фиг. 2 представлена управляемая линия передачи выполненная посредством планарно-эпитаксиальной технологии. Линия содержит (см. фиг. 2) проводящие полоски 1, проводящую полоску 2, слой диэлектрика 3, неоднородно легированную вдоль ширины линии примесями n-типа область 4 с омическим контактом, область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n переход. На фиг. 2 изображены также источник управляющего напряжения 6, подключенный p-n переходу через дроссель 7, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала 8. Причем полоски 1 выполнены из сплава золота и сурьмы (для формирования омического контакта с полупроводником n-типа). В качестве диэлектрика использована двуокись кремния. Омический контакт к p-области 5 выполнен из алюминия. Омический контакт к n-области 4 (сильнолегированной в районе контакта) выполнен также из алюминия, полоска 2 выполнена также из алюминия. Все контакты друг от друга отделены защитным слоем двуокиси кремния 9. Для исключения нежелательного влияния емкостной связи между областями 1 и 5 p-n переход (барьер Шоттки) может быть сформирован над частью полосок 1. См. фиг. 3, на которой приведен один из вариантов предлагаемой линии передачи, которая содержит проводники 11 (продолжениями которых являются проводящие участки 1), выполненные с различной длиной, проводящую полоску 2 (общий проводник, образующий с проводниками 11 двухпроводные линии), слой диэлектрика 3, неоднородно легированную вдоль ширины линии примесями n-типа область 4 с омическим контактом, область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n переход либо барьер Шоттки. На фиг. 3 изображены также источник управляющего напряжения 6, подключенный p-n переходу через дроссель 7, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала 8, сопротивление нагрузки 10, подключенное к выходу линии. Причем p-n переход (барьер Шоттки) выполнен в начале и в конце линии. Причем степень легирования пленки 4 возрастает на выходе линии вдоль Z (по мере роста Z) и падает на входе линии вдоль Z. Второй способ исключения нежелательного влияния емкостной связи между областями 1 и 5 заключается в том, что у p-n перехода неоднородно вдоль Z легируются как n-область, так и p-область. При этом по мере роста управляющего напряжения размер области нейтральности вдоль Z в p-области уменьшается, так же как и в n-области.

Для рассмотрения работы линии передачи, у которой изменяется как волновое сопротивление, так и длина линии, обратимся к фиг. 4, на которой представлен пример выполнения такой линии передачи. Линия содержит проводники 11, которые на входе и выходе линии соединены с проводящими участками 1, проводящую полоску 2 (общий проводник, образующий с 11 двухпроводные линии), слой диэлектрика 3, неоднородно легированную вдоль ширины линии z примесями n-типа (вдоль направления, пересекающего проводящие участки 1), область 4 с омическим контактом, область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n переход либо барьер Шоттки. На фиг. 4 изображены также источник управляющего напряжения 6, подключенный p-n переходу через дроссель 7, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала 8, сопротивление нагрузки 10, подключенное к выходу линии. Причем p-n переход (барьер Шоттки) выполнен в начале и в конце линии. Причем степень легирования пленки 4 возрастает на выходе линии вдоль Z (по мере роста Z) и падает на входе линии вдоль Z. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 6) на переходе размер вдоль Z области нейтральности в полупроводнике n-типа H(U) непрерывно уменьшается. При этом эффективная ширина линии W с дискретностью, равной ширине полосок 1, повторяет H(U), что приводит к пропорциональному увеличению волнового сопротивления линии ( ~ 1/H(U)). Длина линии по мере увеличения запирающего напряжения постепенно увеличивается до размеров максимальной по длине из полосок 1. При этом область пространственного заряда (ОПЗ) постепенно заполняет всю пленку 4.

Для одновременного управления как длиной, так и волновым сопротивлением линии, необходимо проводящие участки 1 выполнять с зазором относительно проводников 11, а поверх зазора сформировать p-n переход или барьер Шоттки с неоднородным по площади распределением примеси. См. фиг. 5, 6, на которых представлено устройство такой линии передачи. Линия содержит проводящие участки 1, продолжениями которых являются проводники 11, проводящую полоску 2 (общий проводник, образующий с 11 двухпроводные линии), слой диэлектрика 3, неоднородно легированную вдоль ширины линии примесями n-типа область 4 с омическим контактом, область 5 с омическим контактом, которая образует с областью 4 p-n переход либо барьер Шоттки. На фиг. 6 изображены также источник управляющего напряжения 6, подключенный p-n переходу через дроссель 7, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала 8, сопротивление нагрузки 10, подключенное к выходу линии. Причем p-n переход (барьер Шоттки) выполнен в начале и в конце линии. Причем степень легирования пленки 4 возрастает на выходе линии вдоль Z (вдоль направления, пересекающего проводящие участки 1) (по мере роста Z) и падает на входе линии вдоль Z. Проводящие участки 1 выполнены с зазором относительно проводников 11 (фиг. 5), над зазором сформирован p-n переход или барьер Шоттки с неоднородным по площади (вдоль направления, пересекающего проводящие участки 1) профилем распределения примеси (фиг. 6). P-n переход, сформированный над зазором, содержит неоднородно легированную вдоль ширины линии примесями n-типа область 12 с омическим контактом, область 13 с омическим контактом, которая образует с областью 12 p-n переход либо барьер Шоттки. К p-n переходу подключен источник управляющего напряжения 14. Степень легирования пленки 12 возрастает (над зазором) у входа линии вдоль Z (по мере роста Z) и падает у выхода линии вдоль Z. В промежутках между проводниками 11, которые образуют с пленкой омический контакт, пленка 12 легирована слабо и обеднена основными носителями заряда. В промежутках между проводниками 11 при нулевом значении управляющего напряжения источника 14 область пространственного заряда (ОПЗ) распространяется на всю толщину пленки 12. В зависимости от величин напряжений управляющих источников с входом и выходом линии передачи соединяются через область нейтральности полупроводниковых пленок 4, 12 те или иные полоски 1 (на фиг. 6 такая полоска одна в середине линии). Очевидно, что пленки 4, 12 могут быть изготовлены в виде одной пленки (так же, как и пленки 5, 13).

Заметим также, что p-n переход с неоднородным примесным профилем, образованный 4 и 5 (или 12 и 13) может быть выполнен с однородно легированным слоем 4 (12) при неоднородно легированном вдоль направления пересекающего участки 1 слое 5 (12 за исключением участков между проводниками 11, которые либо легированы слабо, либо выполнены из диэлектрического материала.). В рассмотренных и рассматриваемых далее примерах для определенности слой 4 и 12 сформированы с электронным типом проводимости. Очевидно, что слой 4, так же как и слой 12, может выполнен также с дырочным типом проводимости, при этом слой 5 (13) должен быть выполнен из полупроводника электронного типа либо металла, образующего со слоем 4 p-n переход либо барьер Шоттки, кроме того, слой 3 может быть выполнен как из диэлектрика так и из полупроводника или полуизолирующего полупроводника. В ряде случаев слой 3 может отсутствовать (при выполнении проводников 11 с изолирующим покрытием и в случае изготовления проводников 11 достаточно жесткими (при этом в качестве изолирующего слоя между проводниками может быть воздушный зазор). Очевидно, что слой 4 или 12 может иметь как однородную, так и неоднородную по площади толщину, выбор профиля легирования и толщины слоя 4 (12) ограничен условием полного обеднения слоя 4 (12) либо его части основными носителями заряда до пробоя p-n перехода либо барьера Шоттки при подаче на него внешнего смещения:



где Ui- напряжение пробоя полупроводникового слоя 4 (12); y - координата, отсчитываемая от металлургической границы p-n перехода или барьера Шоттки в направлении вдоль толщины слоя 4 (12), q - элементарный заряд; Ni(x, y, z) - профиль распределения примеси в пленке 4 или 12; d(x,z) - толщина слоя 4 (12); z, х - координаты на поверхности слоя 4 (12); _s - диэлектрическая проницаемость слоя 4 (12); Uk - встроенный потенциал. Причем область 5 (13) может быть легирована как однородно, так и неоднородно вдоль поверхности. Очевидно, что барьер на поверхности слоя 4, так же как и на поверхности слоя 12, может быть сформирован составным (на части поверхности слоя 4(12) выполнен p-n переход а на другой части той же поверхности барьер Шоттки), а p-n переход может быть выполнен также в виде гетероперехода.

P-n переход с неоднородным примесным профилем вдоль поверхности может быть реализован, в частности, при выполнении пленки 4 (12) в виде клина. На фиг. 7 приведена часть устройства линии передачи с p-n переходом в виде клина, которое содержит p-n переход, выполненный на клиновидной пленке p-типа 4, выполненной на n-типа подложке 5, омический контакт к пленке выполнен из алюминия, на поверхности пленки выполнены проводящие участки 1, над которыми сформирован слой диэлектрика 9 с сформированным на нем проводником 2. Толщина пленки уменьшается вдоль направления Z. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 6) на переходе размер вдоль Z области нейтральности в полупроводнике p-типа H(U) непрерывно уменьшается. На фиг. 8 приведено устройство линии передачи с двумя управляющими напряжениями, которое содержит p-n переход с клиновидной пленкой n-типа 12, выполненной на подложке p+ - типа 13, омический контакт к пленке выполнен из алюминия, на поверхности пленки выполнены проводящие участки 11, над которыми сформирован слой диэлектрика 9 с сформированным на нем общим проводником 2. Между проводниками 11 пленка либо слабо легирована, либо между проводниками сформированы диэлектрические участки, изолирующие проводники 11 друг от друга. На фиг. 9 приведен пример линии передачи с p-n переходом на неоднородно легированной подложке. P-n переход с неоднородным примесным профилем вдоль поверхности может быть реализован, в частности, при выполнении пленки, однородно легированной вдоль поверхности при неоднородно легированной вдоль поверхности подложке (фиг. 9). На фиг. 9 приведен p-n переход с неоднородно легированной подложкой, используемый в линии передачи. P-n переход включает в себя подложку, причем степень легирования подложки увеличивается вдоль поверхностного направления Z. Однородная пленка 4 выполнена на подложке 5 противоположного типа проводимости. Толщина области пространственного заряда проникает сильнее в ту часть подложки, которая слабее легирована, вследствие чего в пленке формируется неоднородная по толщине область нейтральности. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 6) на переходе размер вдоль Z области нейтральности в полупроводнике p-типа H(U) непрерывно уменьшается. И все меньшее число проводящих участков 1 соединены через область нейтральности.

Линия передачи может быть использована в качестве переключателя при соединении каждой из полосок 1 на выходе линии передачи через отдельную нагрузку с источником входного сигнала, который соединен с омическим контактом к 4 и проводником 2. В качестве примера приведена линия передачи, используемая в качестве переключателя, на фиг. 10. Линия содержит полупроводниковый слой 4, сформированный на подожке противоположного типа проводимости 5. На поверхности слоя 4 выполнены проводящие участки 1, которые через проводники 11 соединены с проводником 2. Проводник 2 отделен от 1 диэлектрическим слоем 9. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника управляющего напряжения 6) на p-n переходе (размер вдоль направления, пересекающего полоски 1) области нейтральности в полупроводнике 4 непрерывно уменьшается, вследствие чего число нагрузок, которые соединены с источником входного сигнала (в том числе и постоянным) через область нейтральности полупроводниковой пленки 4 и полоски 1, также уменьшается. В частности переключатель при выполнении нагрузок 10 индуктивными может быть использован как регулируемая управляющим напряжением индуктивность, при выполнении нагрузок 10 емкостными может быть использован как регулируемая управляющим напряжением емкость, при выполнении нагрузок 10 омическими может быть использован как регулируемый управляющим напряжением резистор. В качестве нагрузки может быть использована нагрузка с распределенными параметрами (например, пластина, имеющая объемное сопротивление). Линия передачи, представленная на фиг. 6, может быть использована в качестве переключателя (фиг. 11) при соединении каждой из полосок 1 на выходе линии передачи через отдельную нагрузку с источником входного сигнала, причем выбор той или иной нагрузки либо определенного числа нагрузок задается управляющими напряжениями U и U₂ источников 6 и 14. Можно модулировать величину нагрузки, используя переменные источники управляющего напряжения.

Примеры осуществления изобретения.

На подложке 3 с толщиной 0.5 мм (D=0,5 мм) из двуокиси кремния были сформированы 100 полосок 1 с шириной каждой 40 мкм. Длина наибольшей составляла 40 мм, длина наименьшей составляла 15 мм. В полосках были выполнены отверстия шириной 50 мкм (фиг. 12). Над полосками в начале и в конце линии был сформирован слой поликремния 4 толщиной 0,6 мкм с донорной концентрацией примесей ~ 10¹⁵ 1/см³. В слое посредством ионной имплантации фосфора при энергии 200 КЭВ сформирован неоднородно легированный примесный профиль, причем имплантационная доза линейно изменялась вдоль ширины линии (вдоль z) от 110¹² ион/см² до 2,510¹¹ ион/см². Причем степень легирования пленки возрастала на выходе линии вдоль Z (по мере роста Z) и падала на входе линии вдоль Z. Над отверстиями степень легирования пленки возрастала у входа линии вдоль Z (по мере роста Z) и падала у выхода линии вдоль Z от 110¹² ион/см² до 2,510¹¹ ион/см², причем в промежутках между полосками пленка дополнительно не легировалась. Барьер Шоттки 5 формировался поверх слоя поликремния нанесением металлизации из алюминия. Омический контакт к поликремнию был выполнен также из алюминия путем нанесения последнего на предварительно сформованный сильнолегированный участок слоя поликремния. После изготовления проволочных контактов поверхность прибора покрывалась защитным слоем 9 (SiO₂). Проводящий участок 2 был выполнен на другой стороне подложки из алюминия. На фиг. 13 представлено устройство изготовленной линии передачи с регулируемым волновым сопротивлением и длиной.

Волновое сопротивление линии передачи (Zc) определялось по формулам (см. К. Гупта, Р. Гардж, Р. Чадха. Машинное проектирование СВЧ устройств. - М.: Радио и связь, стр. 41-42), где W - ширина линии передачи.

Z_c = C/(2^1/2)ln(8D/W+0,25W/D) для W/D 1



= (₁+1)/2+(₁-1)/2((1+10D/W)^-1/2)

₁ - относительная диэлектрическая проницаемость SiO₂, C=120 Ом. Расчетная зависимость волнового сопротивления линии от числа включенных в нее полосок 1 представлена на фиг. 14.

Измеренная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) при величине запирающего напряжения на источнике 14 ~ 0,5 вольт в измерительной линии с характеристическим сопротивлением 50 Ом, один конец которой подключен к источнику входного сигнала с частотой 1,2 гГц и внутренним сопротивлением 50 Ом, а второй соединен с линией передачи, нагруженной на нагрузку в 50 Ом, представлена на фиг. 15. Длина линии передачи при изменении напряжения источника 14 от 0 до 3 вольт изменялась в 1,8 раза.

Изобретение простыми технологическими средствами позволяет создавать линии передачи с регулируемым волновым сопротивлением и длиной.

Промышленная применимость. Изобретение может быть использовано в электронной промышленности.