ДЕТЕКТОРЫ С НИЗКОБАРЬЕРНЫМИ ДИОДАМИ ШОТТКИ ДЛЯ МАТРИЧНЫХ СИСТЕМ ВИДЕНИЯ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

January 23, 2013 by admin Комментировать »

Шашкин В. И., Дрягин Ю. А.*, Закамов В. Р., Кривов С. В.*, Кукин Л. М.*, Мурель А. В., Чеченин Ю. И. Институт физики микроструктур Российской Академии Наук *Институт прикладной физики Российской Академии Наук г. Нижний Новгород, ГСП-120, 603950, Россия тел.: +7(8312) 38-55-36; e-mail: sha@ipm.sci-nnov.ru

Аннотация – Обсуждаются принципы построения детекторов миллиметрового диапазона длин волн на основе планарных щелевых антенн и низкобарьерных диодов Шоттки. Разработана конструкция щелевой антенны с высоким сопротивлением волновым сопротивлением -800 Ом на частоте 94 ГГц и полосой около 8 ГГц. Проведены исследования характеристик детектирования при включении в антенну диодов с дифференциальными сопротивлениями перехода Rj=1^1000 кОм. На основании экспериментальных данных сделаны выводы об оптимальных параметрах используемых низкобарьерных диодов для получения высокой чувствительности > 10’* В/Вт и минимальной пороговой мощности NEP и 10’^^ Вт Гц’^’^.

I.                                       Введение

Традиционная область применения миллиметрового диапазона длин волн (диагностика плазмы, спектроскопия) за последнее время существенно расширилась, поскольку развились новые технологии (пикосекундная оптоэлектроника), появились приоритетные прикпадные задачи (противодействие терроризму, диагностика в медицине и др.). Большинство задач требуют устройств, которые могут детектировать сигнал от источника излучения невысокой мощности (-100 мВт) на небольших расстояниях (-10 м). В последнее время для таких систем стали применяться детекторы на основе диодов с барьером Шоттки [1,2]. Для обеспечения высокой чувствительности необходимо уменьшать эффективную высоту барьера Шоттки, работать при нулевом смещении, что упрощает конструкцию детектора и приводит к снижению уровня шумов (7/f и др.).

Для обеспечения хорошей чувствительности в миллиметровом диапазоне длин волн диоды монтируются непосредственно в антенны. В качестве принимаемых антенн чаще всего используются планарные: логопериодические и спиральные антенны (широкополосные), реже резонансные (дипольные или щелевые) [1, 2].

В работе представлены результаты по исследованию характеристик детектирования низкобарьерных диодов Шоттки с (5-легированием приповерхностной области полупроводника [3] в планарной антенне на частоте 94 ГГц.

II.                               Основная часть

Известно, что на частотах трёхмиллиметрового диапазона диод с пониженной высотой барьера хорошо описывается самой простой эквивалентной схемой с параллельным соединением сопротивления Я?уи емкости С перехода и сопротивлением растекания г, включённым к ним последовательно [3]. Для исследования были взяты диоды с ёмкостью перехода С « 7н-10фФ, г и 30н-50 0м и с различной эффективной высотой барьера Шоттки (0.2н-0.4 эВ), имеющие дифференциальное сопротивление перехода при нулевом смещении в диапазоне 1н-1000 кОм.

Комплексную проводимость диода на частоте ω в коротковолновой части миллиметрового диапазона можно приближённо записать в следующем виде:

откуда видно, что действительная часть проводимости детектора на этих частотах определяется величиной г-{тСУ – 1/1000 Ом’^ ДЛЯ диодов с Rj »

1000 Ом и емкостного импеданса 170н-240 0м. Сделанные оценки позволили выбрать тип планарной антенны и разработать ее конструкцию согласованную с диодом. Требованию достаточно высокого выходного сопротивления удовлетворяют щелевые планарные антенны, расположенные над металлизированной плоскостью [4].

В качестве источника излучения использовался перестраиваемый генератор с лампой обратной волны мощностью -20 мВт. Вывод излучения в пространство осуществляли с помощью стандартного рупора. Выпрямленный сигнал с детектора измерялся вольтметром или осциллографом с входным сопротивлением 0,5н-1 МОм.

Из измеренной диаграммы направленности антенны по сигналу детектора и известной диаграммы направленности рупора по формулам для передачи мощности антенн [5] была определена мощность, падающая на диоды. После этого были проведены измерения чувствительности детекторов в зависимости от высоты барьера диодов Шоттки, определяемой технологическими параметрами роста структур [3].

На верхнем графике рис. 1 представлены результаты измерений вольт-ваттной чувствительности ;кде- текторов в зависимости от Я?у диодов. Величина ;кимеет тенденцию роста с увеличением Я?, до тех пор, пока не существенно влияние нагрузочного сопротивления. При соизмеримых значениях сопротивлений наблюдается падение γ. Максимальные значения γ > 10000 В/Вт достигаются в диапазоне Rj= 10-100 кОм.

Определенные значения γ и Rj, позволяют оценить величину пороговой мощности детектора NEP. Экспериментальные значения NEP в зависимости от Rj представлены на рис. 1 (нижний график). Видно, что лучшие значения NEP «10”’^Вт Гц’’’^ достигаются для диодов с малой величиной Rj в диапазоне единиц кОм.

III.                                   Заключение

Проведённые исследования показывают возможность достижения высокой вольт-ваттной чувствительности и малой величины пороговой мощности в детекторах миллиметрового диапазона на основе планарных антенн с непосредственно включёнными низкобарьерными диодами Шоттки. Экспериментальные данные по детектированию в диапазоне 94 ГГц позволили выявить оптимальные значения параметров низкобарьерных диодов. Измеренные значения γν\ Л/ЕР для этого диапазона соответствуют или превосходят известные результаты для диодов, изготовленных другими методами [6,7]. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения детекторов с планарными антеннами и непосредственно включёнными низкобарьерными диодами в качестве элементов матричного приёмника в фокальной плоскости.

Рис. 1. Вольт-ваттная чувствительность /и ΝΕΡ детекторов на частоте 94 ГГц в зависимости от величины Rj.

Fig. 1. Voltage-watt sensitivity γ and detectors’ΝΕΡ at 94 GI4z vs differential resistance Rj

Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН и гранта Президента РФ МК2234.2006.8.

IV.                            Список литературы

[1]  я в. Волков, В. Е. Любченко, О. А. Тихомиров. Двумерные матрицы антенно-связанных диодов с барьером Шоттки для формирования изображений в ММ диапазоне волн. Радиотехника и электроника, т. 40, вып. 3, 322 (1995).

[2]  Е. R. Brown. А system-level analysis of Schottky diodes for incoherent THz imaging arrays. Solid-State Electronics, 48, 2051 (2004).

[3]  B. И. Шашкин В. Л. Вакс, В. М. Данильцев, А. В. Масловский, А. В. Мурель, С. Д. Никифоров, О. И. Хрыкин,

А. В. Масловский, Ю. И. Чеченин. Микроволновые детекторы на основе низкобарьерных диодов Шоттки и их характеристики. Изв. вузов. Радиофизика, т. XLVIII, № 6, с. 544 (2005).

[4]  Б. А. Панченко, Е. И. Нефедов. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь. 1986. 144 с.

[5]  С. А. Balanis. Antenna theory. Analysis and design. John Wiley and Sons, 1982, 791 p.

[6]  R. G. Meyers, P. Fay, J. N. Schulman, S. Thomas, III,

D.       H. Chow, J. Zinck, Y. K. Boegeman, P. Dilman. Bias and temperature dependence of Sb-based heterostructure milli- meter-wave detectors with improved sensitivity. IEEE Electron Devices Letters, v. 25, N1, 4 (2004).

[7]  P. Chahal, F. Morris, and G. Frazier Zero bias resonant tunnel Schottky contact diode for wide-band direct detection. IEEE Electron Device Letters, v. 26, N12, p. 894 (2005).

DETECTORS WITH LOW-BARRIER SCHOTTKY DIODES FOR MILLIMETER- WAVE IMAGING ARRAY

V.             I. Shashkin, Y. A. Drjagin*, V. R. Zakamov,

S. V. Krivov*, L. M. Kukin*, A. V. Murel, Y. I. Chechenin Institute for Physics of Microsrtuctures RAS Institute of Applied Physics, RAS GSP-105, Nizhny Novgorod, 603950, Russia Ph.: +7(8312) 38-55-36, e-mail: sha@ipm.sci-nnov.ru

Abstract – The principles of millimeter-wave detectors based on planar slot antennas and low-barrier Schottky diodes are discussed. 94 GHz slot antenna with 8-GHz wide frequency band and 800 Ω impedance has been developed. Detector characteristics of antenna coupled with diodes of various junction resistances within the range Rj = 1^1000 kQ at zero bias is investigated. Based on experimental investigations, the optimal values of diode resistance for obtaining high value of voltage sensitivity > 10"^V/Wand NEP^ 10’^^W/Hz^^^have been determined.

I.                                         Introduction

The majority of problems regarding millimeter-wave imaging require collectors in order to receive radiation generated by low- power source (~ 100 mW) located at relatively small distance (~ 10 meters). Recently, detectors based on Schottky diodes have been applied in such systems [1, 2]. In order to provide high detection sensitivity, avoid biasing, simplify circuits and reduce noise level {1/f and others), it is necessary to decrease the effective height of Schottky barrier. The characteristics of detectors based on planar antennas coupled with original low-barrier Schottky diodes [3] at the frequency band of 94 GHz are discussed in this paper.

II.                                        Main Part

As is known, at frequencies of millimeter wavelength range a low barrier Schottky diode is well described by a simple equivalent circuit with parallel connection of resistance Rj, junction capacitance С and the series resistance r, connected in series [3]. Diodes with the following parameters С = 7^10 fF, r = 30^50 Ω and various effective barrier heights (0.2 ^ 0.4 eV) corresponding Rj= U1000 kQ have been used.

In order to provide optimum matching of low-barrier diodes with antennas and obtain maximum sensitivity of the detector, slot antenna has been used. Their sizes approximately correspond to the effective wavelength. The results have shown that wave impedance of the antenna was in the range of 700^1000 Ω [4].

Measurements of voltage sensitivity χ have been carried out. Formulae [5] for received power determination have been used. Calculation of noise equivalent power Λ/ΕΡ was based on assumption that only thermal noise is sufficient.

Dependencies of both values on Rj are presented in Fig. 1 (upper graph is for / and lower – for NEP). Voltage sensitivity χ > 10000 V/W for diodes with the differential resistance Rj = 10-^100 kQ. The best values of NEP » 10’^^W Hz’^^^ correspond to the lower differential resistance in the range of several kQ.

III.                                       Conclusion

The investigations carried out show the right way to obtain high sensitivity and small threshold power in detectors of millimetre wavelength range on the basis of planar antennas with directly coupled low-barrier Schottky diodes. The data obtained experimentally for detection at 94 GHz declare high detector sensitivity and low noise equivalent power values. Values / and NEP are comparable or superior to those published in the last time [6,7]. Planar antenna detectors designed are prospective as the sensitive element of millimetre-wave imaging array.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты