УПРАВЛЯЕМАЯ  МИКРОПОЛОСКОВАЯ  ЛИНИЯ  ДЛЯ  РЕАЛИЗАЦИИ  ЭЛЕМЕНТОВ  ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ  СВЧ  НАНОСХЕМ

Копылов  Алексей  Филиппович

канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  Радиотехника  Института  инженерной  физики  и  радиоэлектроники  Сибирского  федерального  университета,

г.  Красноярск

E-mail:  kopaph@yandex.ru

Копылова  Наталья  Алексеевна

инженер-программист  Межшкольного  методического  Центра  Октябрьского  района,  г.  Красноярск

E-mail: 

CONTROL  MICROSTRIP  LINE  FOR  NANO-CHIPS  SOLID  STATE  COMPONENTS  REALIZATION

Alexei  Kopylov

candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  Professor  of  Radio  Technical  Department  of  Physicists  and  Radio  Technicians  Engineering  of  Siberian  Federal  University,  Krasnoyarsk

Natalia  Kopylova

part-programming  engineer  Methodological  centre  of  October  district,  Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

Обсуждается  возможность  использования  отрезков  управляемой  микрополосковой  линии  передачи  на  полупроводниковой  подложке  с  активным  слоем  полупроводника  (УМПЛ)  в  качестве  универсального  элемента  в  составе  СВЧ  аналоговых  микросхем  с  наноразмерами  (СВЧ  наносхем).  Отрезки  УМПЛ  могут  выполнять  функции  электрически  управляемых  линий  передачи,  резонаторов,  фильтров,  смесителей,  весовых  устройств  фазированных  антенных  решеток,  корректоров  группового  времени  запаздывания.  Приведена  конструкция  УМПЛ,  управляемой  наведенным  электрическим  полем  и  не  содержащей  управляющих  контактов  по  постоянному  току.

ABSTRACT

In  this  paper  we  discuss  the  use  of  Control  Micro-Strip  transmission  Line  made  on  Semiconductor  Substrate  (CMSLSS)  sections  in  the  capacity  of  universal  components  in  composed  of  analogue  microwave  nano  chips.  MSLSS  made  on  active  semiconductor  layer.  Sections  of  MSLSS  can  perform  next  functions:  the  electrical  control  transmission  lines;  resonators;  filters;  frequency  mixers;  weight  devices  for  phase  area  and  delay  time  equalizers.  In  this  paper  show  the  structure  of  CMSLSS  which  control  by  induced  electric  field  and  not  contained  control  contacts  to  active  semiconductor  layer.

Ключевые  слова:  управляемая  микрополосковая  линия  передачи  на  полупроводниковой  подложке  (УМПЛ);  СВЧ  наносхемы.

Keywords:  Control  Micro-Strip  transmission  Line  made  on  Semiconductor  Substrate  (CMSLSS);  microwave  nano  chips.

В  любой  области  науки  и  техники  важным  вопросом  всегда  является  вопрос  об  объектах,  подлежащих  реализации  в  этой  области,  иными  словами,  об  элементной  базе  рассматриваемой  области.  Аналогичный  вопрос  актуален  и  для  современной  наноэлектроники.  Целью  настоящей  работы  является  информирование  научной  общественности  СФУ,  интерес  которой  лежит  в  области  нанотехнологий,  о  некоторых  возможностях  реализации  большого  класса  радиоэлектронных  устройств  с  использованием  этих  технологий.

Дело  в  том,  что  в  области  сверхвысоких  частот  (СВЧ),  в  частности,  в  миллиметровом  и  субмиллиметровом  диапазонах  длин  волн,  существуют  определенные  проблемы  при  реализации  тех  или  иных  элементов  устройств,  связанные  с  выполнением  размеров  этих  элементов,  а  также  подложек  устройств  с  размерами,  которые  относятся  к  классу  «наноразмеров»  —  от  1  мкм  и  менее.  Эти  проблемы,  на  наш  взгляд,  как  нельзя  лучше,  могут  быть  решены  с  использованием  различных  элементов  нанотехнологических  процессов.  В  частности,  частотный  диапазон  наиболее  удобной  и  часто  используемой  на  СВЧ  линии  передачи  —  микрополосковой  —  можно  увеличить  до  100  ГГц  при  использовании  диэлектрических  подложек  толщиной  100  нм  и  менее.  Частотный  диапазон  работы  активных  элементов  традиционного  типа  (транзисторы,  диоды,  микросхемы  традиционных  схемотехнических  решений)  также  очень  существенно  увеличивается,  что  дает  дальнейшую  возможность  использовать  хорошо  отработанную  относительно  низкочастотную  схемотехнику  при  реализации  этих  элементов  и  устройств.

На  рисунке  1  мы  показали  возможную  классификацию  направлений  развития  схемотехники  в  области  СВЧ  наноэлектроники.  Термин  «наноэлектроника»  (и  соответственно  «наносхемы»,  «наносхемотехника»)  мы  используем  для  обозначения  множества  элементов  и  схем  с  геометрическими  размерами  менее  микрона  по  аналогии  с  термином  «микроэлектроника»  (и  соответственно  «микросхемы»,  «микросхемотехника»),  которое  обозначает  множество  элементов  и  схем  с  геометрическими  размерами  порядка  100-1  мкм.  На  наш  взгляд,  возможны  три  направления  развития  СВЧ  наносхемотехники:

·на  основе  переноса  принципов  микросхемотехники  в  область  наносхемотехники  для  хорошо  известных  традиционных  элементов  (транзисторов,  диодов  и  др.);

·на  основе  переноса  принципов  микросхемотехники  нетрадиционных  элементов  СВЧ  схем  в  область  наносхемотехники  для  устройств,  выполненных  на  основе  модифицированных  или  оригинальных  схемотехнических  подходов  (например,  ряд  устройств  на  основе  электромагнитных  волн  в  полупроводниковых  СВЧ  структурах,  или  на  основе  каких-либо  иных  принципов  —  с  использованием  магнитных  полей  и  т.  п.);

·на  основе  переноса  принципов  микросхемотехники  в  область  наносхемотехники  для  устройств,  использующей  принципы  функциональной  электроники  (волны  носителей  заряда,  геликоновые  и  иные  волны  в  полупроводниках  или  других  материалах  с  особыми  свойствами).

Первое  из  этих  направлений  (традиционные  схемы  СВЧ  и  их  элементы  с  нанометрическими  размерами)  широко  реализуется  в  настоящее  время  при  разработке  СВЧ  транзисторов  и  диодов,  а  также  наносхем  на  их  основе  [8].  Успех  этого  направления  основан  на  том,  что  оно  использует  простое  уменьшение  размеров  активных  элементов  до  нанометрических  величин  на  базе  хорошо  отработанных  схемотехнических  решений  для  СВЧ  микросхем,  что  позволяет  существенно  улучшить  широкополосность,  увеличить  верхние  значения  диапазона  рабочих  частот  и  быстродействие  изготавливаемых  наносхем.  Также  значительному  успеху  этого  направления  способствует  широкое  использование  СВЧ  наносхем  в  области  вычислительной  техники,  что  обеспечивает  его  коммерческий  успех.

Рисунок  1  Схема  классификации  направлений  развития  наносхемотехники

Второе  направление  (нетрадиционные  схемы  СВЧ  и  их  элементы  с  нанометрическими  размерами)  использует  несколько  нетрадиционно  известные  свойства  материалов  и  известную  схемотехнику  СВЧ  аналоговых  микросхем.  Примером  такого  использования  могут  быть  линии  передачи  на  полупроводниковой  подложке  [1—4,  6,  7,  9—12].

Третье  из  возможных  направлений  развития  наносхемотехники  (схемы  СВЧ  и  их  элементы  с  нанометрическими  размерами  функционально-волнового  принципа),  основано  на  применении  волновых  или  иных  процессов  в  теле  или  на  поверхности  образцов  материалов,  обладающих  некими  особыми  свойствами.  К  таким  свойствам  можно  отнести,  например,  пьезокристаллы,  обладающие  пьезоэффектом,  материалы,  поддерживающие  поверхностные  и  объемные  акустические  волны,  полупроводники  с  теми  или  иными  эффектами  типа  эффекта  Ганна  и  волн  носителей  заряда,  магнитные  материалы,  поддерживающие  магнитостатические  волны  и  т.  п.  Это  последнее  направление,  очевидно,  следует  определить  как  «функциональная  наноэлектроника»  по  аналогии  с  «функциональной  микроэлектроникой»  [5].  Оно  является  наиболее  сложным,  дорогостоящим  и  длительным  по  отношению  к  реальному  выходу  устройств  направление  реализации  СВЧ  наносхем.  Представляется,  что  оно  невозможно  без  масштабных  фундаментальных  исследований,  которые  в  обозримом  будущем  вряд  ли  будут  по  средствам  нашей  стране,  особенно  в  свете  последних  событий  фактической  ликвидации  в  нашей  стране  академической  науки  в  существующем  виде.

Нам  представляется,  что  наиболее  близким  к  практической  реализации,  за  исключением  первой  группы  направления  наносхемотехники,  оказывается  вторая  группа,  в  частности  линии  передачи  на  полупроводниковой  подложке  [1—4,  6,  7,  9—12].  На  рисунке  2  показана  конструкция  управляемой  микрополосковой  линии  (УМПЛ),  содержащей  полупроводниковую  полуизолирующую  подложку  1,  на  которой  сформирован  активный  n-слой  полупроводника  2,  омические  или  Шоттковские  управляющие  контакты  3  и  4  для  подачи  напряжения  управления  на  УМПЛ.  Между  омическими  контактами  расположена  металлическая  полоска  5  линии  передачи,  которая  образует  к  активному  n-слою  2  контакт  Шоттки  или  имеет  структуру  металл-диэлектрик-полупроводник  (МДП)  при  условии  использовании  тонкого  слоя  диэлектрика  6.  Обратная  сторона  подложки  1  имеет  металлизацию  7.  На  входе  УМПЛ  включен  генератор  ЭДС    с  внутренним  сопротивлением  ,  на  выходе  включена  нагрузка  .  Такую  линию  мы  называем  УМПЛ  с  управляющими  контактами.  Изменение  параметров  распространяющейся  в  УМПЛ  электромагнитной  волны  осуществляется  подачей  постоянного  напряжения    на  управляющие  контакты  3  и  4  за  счет  наведенного  на  полоске  5  потенциала.  Подробно  конструкция  УМПЛ  с  управляющими  контактами  описана  в  [4,  9,  12].  Там  же  приведена  эквивалентная  схема  линии,  методика  её  расчета  [12]  и  результаты  исследования  физики  механизмов  управления  её  параметрами  [4,  9].

Рисунок  2.  Управляемая  микрополосковая  линия  передачи  на  полупроводниковой  подложке  (УМПЛ)  с  управляющими  контактами

Используя  УМПЛ  [1,  2,  6,  7,  9—12],  возможно  реализовать  целый  ряд  СВЧ  устройств:  частотоизбирательные  структуры  типа  резонаторов  и  фильтров  с  управляемой  добротностью  [2,  7];  смесителей  сигналов  СВЧ  в  интегральном  исполнении  [6];  электрически  управляемые  аттенюаторы,  фазовращатели  и  весовые  устройства  управления  амплитудами  и  фазами  для  фазированных  антенных  решеток  (ФАР)  [1];  корректоры  фазочастотных  характеристик  и  частотных  характеристик  дельта-ГВЗ  (изменения  группового  времени  запаздывания)  [10,  11].

Кроме  УМПЛ  с  управляющими  контактами  [1,  2,  4,  6,  7,  9,  11,  12],  существует  разновидность  УМПЛ  без  управляющих  контактов  [10].  Исключить  управляющие  контакты  3  и  4  (рисунок  2)  позволяет  тот  факт,  что  параметры  линии  передачи  изменяются  под  действием  электрического  поля,  наведенного  на  полоске  5  (рисунок  2),  и  наличие  управляющих  контактов  не  является  обязательным  условием  работы  УМПЛ.  Кроме  того,  по  той  же  причине  протекание  в  линии  управляющего  тока  не  является  обязательным.

Бесконтактная  управляемая  микрополосковая  линия  (БУМПЛ)  показана  на  рисунке  3.  Обозначения  конструктивных  элементов  БУМПЛ,  совпадающих  с  конструктивными  элементами  УМПЛ  (рисунок  2),  приняты  одинаковыми,  а  управляющие  контакты  3  и  4  (рисунок  2)  на  рисунке  3  просто  исключены.  Позиция  8  на  рисунке  3  обозначает  управляющую  пластину,  расположенную  над  полоской  БУМПЛ.

Рисунок  3.  Бесконтактная  управляемая  микрополосковая  линия  передачи  на  полупроводниковой  подложке  (БУМПЛ)

Нам  представляется,  что  УМПЛ  и  БУМПЛ  могут  быть  использованы  в  качестве  базовых  элементов  «функциональной  СВЧ  наноэлектроники»,  позволяющих  строить  ряд  элементов  СВЧ  наносхем  [1,  2,  6,  7,  10,  11],  имеющих  одинаковую  (универсальную)  конструкцию  и  отличающихся  режимами  работы  и  значениями  электрофизических  параметров  активного  n-слоя  (позиция  2  на  рисунках  2  и  3)  под  полоской  линии  передачи.  Для  решения  этой  задачи  ведутся  работы  по  оптимизации  параметров  управляемой  линии  с  целью  реализации  заданной  ей  функционального  назначения  [3],  однако,  основной  проблемой,  сдерживающей  реализацию  устройств  такого  типа,  является  наше  технологическое  отставание  от  общемирового  уровня.

Список  литературы:

1.Копылов  А.Ф.  Использование  управляемой  линии  передачи  для  реализации  весового  устройства  ФАР  //  Материалы  46-й  научно-технич.  конф.,  посвящ.  Дню  радио  «Актуальные  проблемы  развития  радиотехники,  электроники,  связи».  Ленинград.  1991.  —  С.  16—17.

2.Копылов  А.Ф.  Усиление  колебаний  в  СВЧ  резонаторе  на  арсениде  галлия  /  А.Ф.  Копылов,  А.Р.  Попов,  В.И.  Ризуненко,  А.В.  Лукичев  //  Известия  вузов  МВ  и  ССО  СССР.  Радиоэлектроника.  —  Т.  28,  —  №  5.  Киев  —  1985.  —  С.  64—65.

3.Копылов  А.Ф.,  Ярыгина  О.Л.  Оптимизация  электрофизических  параметров  управляемой  микрополосковой  линии  передачи  на  полупроводниковой  Красноярск:  Сибирский  федеральный  университет;  2009.  —  С.  148—150.

4.Копылова  Н.А.,  Копылов  А.Ф.  Механизм  управления  характеристиками  микрополосковой  линии  передачи  на  полупроводниковой  подложке  //  Int.  Siberian  Conf.  on  Control  and  Communications  SIBCON.  September  15—16,  2011,  Krasnoyarsk,  Russia.  —  978-1-4577-1070-4/11.  —  2011  IEEE.  —  С.  425—428.

5.Попов  А.Р.,  Копылов  А.Ф.,  Никитин  В.В,  Дегилевич  С.Н.  Функционально-волновые  устройства  обработки  информации  на  СВЧ  /  В  кн.:  Автоматизация  устройств  и  систем  сверхвысоких  частот.  Материалы  Всесоюзного  совещания-семинара.  Красноярск,  1984,  —  с.  70—75.

6.Попов  А.Р.,  Копылов  А.Ф.,  Пеньков  В.М.,  Фенькова  Н.Б.  Интегральный  СВЧ  смеситель  на  арсениде  галлия  //  Сб.  тез.  докл.  Всесоюзной  научно-технич.  конф.  “Проблемы  интегральной  электроники  СВЧ”.  Ленинград,  1984,  —  С.  183.

7.Попов  А.Р.,  Копылов  А.Ф.,  Шестаков  А.А.  Интегральный  СВЧ  фильтр  с  управляемой  АЧХ  //  Сб.  тез.  докл.  Всесоюзной  научно-технич.  конф.  «Проблемы  интегральной  электроники  СВЧ»,  Ленинград,  1984,  —  С.  85.

8.Hung  S.-H.,  Cheng,  K.-W.,  Wang,  Y.-H.  An  Ultra-Broadband  Subharmonic  Mixer  With  Distributed  Amplifier  Using  90-nm  CMOS  Technology  /  IEEE  Transactions  on  Microwave  Theory  and  Techniques,  —  V.  61,  —  №  10,  —  P.  3650—3657.  —  2013.

9.Kopylov  A.F.,  Kopylova  N.A.  Investigation  into  Factors,  Affecting  the  Control  of  Microstrip  Transfer  Line  Characteristics  on  a  Semiconductor  Substrate  //  2011  21_st  Int.  Crimean  Conference  “Microwave  and  Telecommunication  Technology”  (CriMiCo’2011).  Conference  Proceeding.  September  12—16.  Sevastopol:  Weber  Publishing,  2011,  P.  256.  ISBN  978-966-335-351-7.  IEEE  Catalog  Number:  CFP  12788.

10.Kopylov  A.F.,  Kopylova  N.A.  Investigation  of  Frequency  Dependents  of  Contactless  Control  Microstrip  Line  on  Semiconductor  Substrate  //  2012  22^nd  Int.  Crimean  Conference  “Microwave  and  Telecommunication  Technology”  (CriMiCo’2012).  Conference  Proceeding.  September  10-14.–Sevastopol:  Weber  Publishing,  2012,  P.  531.  ISBN  978-966-335-370-8.  IEEE  Catalog  Number:  CFP  12788.

11.Kopylov  A.F.,  Kopylova  N.A.  Numerical  Simulation  of  Frequency  Dependent  on  Group  Delay  Time  of  Control  Microstrip  Line  on  Semiconductor  Substrate  //  2012  22^nd  Int.  Crimean  Conference  “Microwave  and  Telecommunication  Technology”  (CriMiCo’2012).  Conference  Proceeding.  September  10—14.  Sevastopol:  Weber  Publishing,  2012,  P.  529.  ISBN  978-966-335-370-8.  IEEE  Catalog  Number:  CFP  12788.

12.Kopylov  A.  The  Microstrip  Transmission  Line  on  Semiconductor  Substrate.  Numerical  Simulation  Technique  for  Modeling  of  Control  Mechanism  and  Parameters  //  A.  Kopylov,  N.  Kopylova  /  LAP  Lambert  Academic  Publishing,  Saarbrucken,  2012  —  52  P.  —  ISBN  978-3-659-22648-9.