Применение промышленного часового камня в качестве корпуса полупроводникового устройства миллиметрового диапазона длин волн и генератор колебаний с таким устройством

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при разработке и производстве полупроводниковых приборов электронной техники СВЧ в миллиметровом диапазоне длин волн. Техническим результатом изобретения является создание корпуса для полупроводникового элемента СВЧ в миллиметровом диапазоне, обеспечивающего улучшение параметров этого элемента за счет увеличения уровня его выходной мощности и уменьшения собственных потерь. Генератор СВЧ-колебаний миллиметрового диапазона длин волн содержит лавинно-пролетный диод, расположенный в корпусе, который выполнен из промышленного часового камня типа втулка. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Группа изобретений относится к радиотехнике и может быть использована при разработке и производстве полупроводниковых приборов электронной техники СВЧ: генераторов, усилителей, быстродействующих устройств для управления амплитудой и фазой электромагнитных колебаний в миллиметровом диапазоне длин волн.

С целью увеличения надёжности устройств полупроводниковые устройства СВЧ монтируются в керамические корпуса (Патент РФ №2351037, опубл. 27.03.2009).

Недостатком керамических корпусов для полупроводниковых приборов СВЧ в миллиметровом диапазоне является то, что сопротивление потерь корпуса соизмеримо с омическими потерями полупроводниковых структур СВЧ-устройств (например, лавинно пролётный диод имеет величину отрицательного сопротивления ~20 Ом на частоте ~100 ГГц), а также то, что для монтажа керамического корпуса на теплоотводящую поверхность и закрытия крышки, с целью обеспечения герметичности, применяется пайка расплавленным припоем, что неизбежно вносит дополнительные потери и снижает процент выхода годных устройств из-за неидентичности геометрии этих размеров корпусов.

Кроме того, применение в миллиметровом диапазоне, металлокерамических корпусов, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, ограничивается емкостью корпуса, при этом в коротковолновой части СВЧ-диапазона размеры известных корпусов становятся соизмеримыми с длиной волны, вследствие чего корпус не может рассматриваться при разработке и расчетах схемы диода как параллельно включенная емкость сосредоточенного типа. В этом случае в конструкции полупроводникового элемента необходимо вводить дополнительные настройки, штыри, диафрагмы и т.д., что неизбежно ведет к уменьшению диапазона работы устройства, повышению потерь, сложности настройки на заданный диапазон.

Анализ частотных характеристик в коротковолновой части миллиметрового диапазона: генераторов, усилителей, модуляторов и т.д. - волноводного типа показал, что корпус диода целесообразно рассматривать как радиальную линию, расположенную на широкой стенке волновода с размерами, которые обеспечивают трансформацию входного импеданса линии передачи электромагнитной энергии к клеммам диодной структуры для реализации условий параллельного резонанса (высокоимпедансного состояния) в схеме диода. При заданных и контролируемых параметрах диодной структуры и индуктивности её монтажа достигается широкополосное согласование диода с волноводной линией передачи.

Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является создание корпуса для полупроводникового элемента СВЧ в миллиметровом диапазоне, обеспечивающего улучшение параметров этого элемента за счет увеличения уровня его выходной мощности и уменьшения собственных потерь (снижение омических сопротивлений в цепи полупроводникового прибора СВЧ).

Технический результат достигается при применении в качестве корпуса для полупроводникового элемента СВЧ в миллиметровом диапазоне готового изделия иного назначения – промышленного часового камня типа втулка, изготовленного из синтетического корунда – рубина – 10 (ГОСТ 22029-76) и применяемого в часовой промышленности в качестве опоры для оси элементов часового механизма.

Другим техническим результатом, на который направлено изобретение, является создание генератора СВЧ колебаний миллиметрового диапазона длин волн, на лавинно-пролетном диоде, с использованием в качестве корпуса диода промышленного часового камня типа втулка, изготовленного из синтетического корунда – рубина – 10.

Диэлектрическая проницаемость рубина имеет значение 9. Примерное значение диэлектрической проницаемости составляет 8,7 и 9, соответственно, для алюмооксидной (Al₂O₃) и алюмонитридной (AlN) керамики, используемых при изготовлении корпусов для элементов СВЧ в миллиметровом диапазоне (http://www.nevz-ceramics.com/ru/produktyi-i-materialyi/podlozhki.html).

Тангенс диэлектрических потерь для рубина-10 составляет 0,0002, а для указанных керамик 0,0002 и 0,0003, соответственно. Удельное объемное сопротивление 10¹⁴ у рубина-10 и 10¹⁴, 10¹⁵ у керамик, соответственно. Конструкция часового камня типа втулки представляет собой плоский цилиндр со сквозным цилиндрическим отверстием (ТУ 25-1895-005-86), что аналогично обычной конструкции керамического корпуса для полупроводникового элемента СВЧ в миллиметровом диапазоне. Технология их изготовления отработана в течение длительного использования для целей часовой промышленности, что позволяет обеспечить высокое качество идентичных изделий.

Применение в качестве корпуса полупроводникового элемента СВЧ в миллиметровом диапазоне рубиновой промышленной втулки обеспечивает снижение омического сопротивления в контактах диодов и массовую сборку диодов с высоким процентом выхода годных для применения в технике СВЧ.

Снижение потерь при применении рубиновых промышленных втулок достигается за счет металлизации торцов втулок методом напыления контактов в вакууме на торцевые поверхности. Этот метод обеспечивает исключение предварительной пайки торцов корпуса за счет применения термокомпрессионной сварки корпуса к основанию диодной втулки и закрытие корпуса крышкой. Таким образом, применение рубиновых промышленных камней для сборки полупроводниковых элементов СВЧ позволяет организовать также прочность групповой сборки элементов с повышенным процентом выхода годных.

Другой технический результат в виде создания синхронизированного генератора СВЧ-колебаний миллиметрового диапазона длин волн на лавинно-пролетном диоде (ЛПД), с использованием в качестве корпуса ЛПД промышленного часового камня типа втулка, достигается в устройстве, которое выполнено на ЛПД на основе волновода регулярного сечения 0,8×1,6 мм, работающего в диапазоне 110-180 ГГц, и коаксиальной линии, пересекающей волновод по широкой стенке.

В коаксиальной линии установлен ЛПД (1), смонтированный в рубиновую втулку на медном штифте (Ø= 0,4 мм ~ λ/4 и высотой 0,15 мм) и антипаразитная нагрузка (2). Конструкция генератора позволяет независимо перемещать в процессе настройки положение антипаразитной нагрузки вдоль коаксиальной линии относительно волноводного канала. На одном волноводном выходе конструкции установлен скользящий поршень (3), а другой соединен через ферритовый циркулятор с нагрузкой и высокостабильным источником синхронизирующего сигнала (синтезатором). При этом требуемая величина и характер реактивности для реализации на клеммах полупроводниковой структуры параллельного резонанса достигается изменением длины радиальной линии диаметра втулки. Также в устройстве обеспечивается возможность регулировки коэффициента трансформации проводимости нагрузки n при изменении смещения оси коаксиальной линии относительно центра волновода.

Возможность изменения коэффициента трансформации n позволяет обеспечить требуемое согласование импеданса диода и нагрузки без применения дополнительных реактивных неоднородностей в выходном сечении волноводной секции ГЛПД. Изменение положения отражающей антипаразитной нагрузки изменяет параметры генератора. Так при ее положении $$\mathcal{l}$$≈ λ/2 относительно диода последовательно с импульсом диода подключается импеданс последовательного контура. В таких системах обеспечивается компенсация реактивных сопротивлений, улучшающая диапазонные характеристики генератора. Основным частотно-избирательным узлом СВЧ-цепи такого генератора является диод в металлодиэлектрическом корпусе с резонансной трансформацией импеданса к полупроводниковой структуре. Запасенная энергия в рассматриваемой СВЧ-системе сосредоточена в основном в области диода в корпусе, а обобщенная добротность системы оказывается минимальной.

На фиг.1 показана схема генератора на ЛПД, где 1 - лавинно-пролетный диод в рубиновой втулке, 2 - антипаразитная нагрузка, 3 - скользящий поршень.

На фиг.2 показана p⁺–p–n–n⁺ - структура ЛПД , смонтированная внутри рубиновой втулки, где 4 – ЛПД, 5 – рубиновая втулка, 6 – позолоченный медный штифт, 7 – верхний электрод с крышкой, 8 – золотая плющена.

На фиг.3 показана упрощенная эквивалентная схема синхронизированного генератора. Пунктиром выделена схема включения ЛПД. x₁; x₂; x₃ – реактивное сопротивление, включающее в себя сопротивление включения центрального стержня и сопротивление коаксиального шлейфа, содержащегой антипаразитную нагрузку; Z_п - короткозамыкающий поршень; Z_вр - волноводная нагрузка радиальной линии; r_п - сопротивление потерь в диэлектрическом корпусе; r_с - сопротивление потерь в контактах монтажа элементов корпуса; r_s - сопротивление растекания; L_s - индуктивность контактных полосок; x_d - реактивное сопротивление диодной структуры; L_рл - толщина стенки втулки, определяющей эквивалентную длину радиальной линии; r_d - отрицательное сопротивление ЛПД.

На фиг.4 показаны частотные зависимости величины входной проводимости радиальной линии В_рл(r) в сечении r₀ = d/2, при различных D/a (где а – размер широкой стенки волновода): 1- D/a=0,31; 2 - D/a=0,27; 3 - D/a=0,23; 4 - D/a=0,19; 5 - D/a=0,58; 6 - D/a=0,54; 7 - D/a=0,5; 8 - D/a=0,46; 9 - D/a=0,42; 10 - D/a=0,38; 11 - D/a=0,39.

На фиг.5 показана схема синхронизированного генератора на ЛПД, где 1 – вход в ферритовый циркулятор со стороны высокостабильного источника синхронизирующего сигнала, 2 – соединение синхронизируемого источника на ЛПД с циркулятором, 3 – выход СВЧ к нагрузке.

Анализ импедансных амплитудно-частотных характеристик, применяемых ЛПД в миллиметровом диапазоне с оптимальным профилем легирования p⁺- p - n - n⁺ структур, показывает, что при величинах амплитуд сигнала, соответствующих максимальной электронной мощности, оптимальном диаметре p - n перехода модуль отрицательного сопротивления полупроводниковой структуры не превышает 2-3 Ома. В связи с этим при непосредственном включении ЛПД в высокочастотную цепь с нагрузкой, равной волновому сопротивлению линии передачи Wо, коэффициент трансформации активной составляющей импеданса нагрузки должен составлять $$\frac{Wo}{\left|Z\right|d}$$ > 10. Очевидно, что полные потери в трансформаторе импульсов должны быть минимальны.

В обеспечении высоких коэффициентов трансформации импеданса диода при включении его в цепь СВЧ и состоит основная особенность создания высокочастотных систем генераторно-усилительных устройств на ЛПД с минимальным энергетическими потерями в миллиметровом диапазоне. При этом наиболее целесообразным является создание трансформатора в непосредственной близости к полупроводниковой структуре. Выполнение такого трансформатора с минимальными собственными потерями и коэффициентом трансформации импедансов (К) в высокочастотную цепь устройства включает трансформированное отрицательное сопротивление диода, модуль которого значительно превышает сопротивление потерь в линии передачи.

При создании генераторов и усилителей с использованием ЛПД в миллиметровом диапазоне в качестве трансформатора импеданса целесообразно использовать металлодиэлектрические корпуса с распределенными параметрами.

В этом случае металлодиэлектрический корпус целесообразно рассматривать как радиальную линию с распределенными параметрами, обеспечивающую трансформацию входного импеданса линий передачи к клеммам включения диодной структуры для реализаций условий параллельного резонанса в схеме устройства.

Величина и характер импеданса радиальной линии, приводимой к клеммам диодной структуры, определяется выражением:

,

где Ct(x, y) – большой радиальный котангенс;

где λ- длина волны;

ε – диэлектрическая проницаемость рубиновой втулки;

r – внешний радиус втулки;

r₀ – внутренний радиус втулки;

h- высота втулки.

Видно, что изменением длины радиальной линии диаметра втулки достигается требуемая величина и характер реактивности для реализации на клеммах полупроводниковой структуры параллельного резонанса. При заданных размерах радиальной линии частота параллельного резонанса подбирается значением L_s(фиг. 3).

На практике величина L_s может задаться выбором ширины контактной плющины (5), соединяющей диодную структуру с корпусом.

ЛПД выполнен на кремниевой полупроводниковой структуре p⁺- p – n - n⁺ - типа и диаметром p-n-перехода чипа 20-30 мкм с оптимальным профилем легирования для достижения максимальных энергетических параметров:

N_p=4,0х10¹⁷ см^-3; L_p = 0,2 мкм; N_n=3,5х10¹⁷ см^-3; L_n = 0,2 мкм.

Важной особенностью разработанной конструкции генератора на ЛПД является возможность регулировки коэффициента трансформации проводимости нагрузки n при изменении смещения оси коаксиальной линии относительно центра волновода. Возможность изменения коэффициента трансформации n позволяет обеспечить требуемое согласование импеданса диода и нагрузки без применения дополнительных реактивных неоднородностей в выходном сечении волноводной секции генератора.

В результате основным частотно-избирательным узлом СВЧ-цепи ГЛПД является корпусированный диод с резонансной трансформацией импеданса к полупроводниковой структуре. Запасенная энергия в такой СВЧ-системе сосредоточена в основном в области корпусированного диода и обобщенная добротность системы оказывается минимальной.

Изменение положения отражающей антипаразитной нагрузки изменяет параметры генератора. Так при ее положении $$\mathcal{l}$$≈ λ/2 относительно диода последовательно с импульсом диода подключается импеданс последовательного контура. Известно, что в таких системах обеспечивается компенсация реактивных сопротивлений, улучшающая диапазонные характеристики генератора.

1. Применение промышленного часового камня в качестве корпуса для полупроводникового элемента СВЧ в миллиметровом диапазоне.

2. Применение по п.1, отличающееся тем, что промышленный часовой камень выполнен в форме втулки.

3. Применение по п.1, отличающееся тем, что промышленный часовой камень выполнен из синтетического корунда – рубина – 10.

4. Применение по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, один торец втулки выполнен металлизированным.

5. Применение по п.1, отличающееся тем, что металлизация, по крайней мере, одного торца втулки выполнена методом напыления в вакууме.

6. Генератор СВЧ-колебаний миллиметрового диапазона длин волн, содержащий лавинно-пролетный диод, расположенный в корпусе, антипаразитную нагрузку, отличающийся тем, что корпус выполнен из промышленного часового камня типа втулка.

7. Генератор по п.6, отличающийся тем, что камень выполнен из синтетического корунда – рубина – 10

8. Генератор по п.6, отличающийся тем, что выполнен на основе волновода регулярного сечения 0,8×1,6 мм, работающего в диапазоне 110-180 ГГц, и коаксиальной линии, пересекающей волновод по широкой стенке.

9. Генератор по п.8, отличающийся тем, что лавинно-пролетный диод установлен на медном штифте в коаксиальной линии, которая выполнена с возможностью независимого перемещения вдоль коаксиальной линии антипаразитной нагрузки относительно волноводного канала.

10. Генератор по п.8, отличающийся тем, что один волноводный выход конструкции выполнен со скользящим закорачивающим поршнем, а другой выполнен с соединением через ферритовый циркулятор с нагрузкой и высоко-стабильным источником синхронизирующего сигнала.

11. Генератор по п.8, отличающийся тем, что выполнен с возможностью изменения длины радиальной линии диаметра втулки.

12. Генератор по п.8, отличающийся тем, что выполнен с возможностью смещения оси коаксиальной линии относительно центра волновода.