СВЧ МДМ КОНДЕНСАТОРЫ НА ОСНОВЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОНКИХ ПЛЁНОК

January 10, 2013 by admin Комментировать »

Козырев А. Б., Гайдуков М. М., Гагарин А. Г., Тумаркин А. В., Разумов С. В., Алтынников А. Г. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ) ул. проф. Попова 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия Тел.: (812) 2344809, e-mail: mcl@eltech.ru

Аннотация – Рассмотрена конструкция плоскопараллельного конденсатора на основе сегнетоэлектрической тонкой плёнки. Представлена СВЧ эквивалентная схема конденсатора. Рассчитаны СВЧ параметры конденсатора и проведено их сравнение с экспериментальными результатами.

I.                                       Введение

в настоящее время активно ведутся работы по созданию перестраиваемых СВЧ устройств (фазовращатели, фильтры, линии задержки [1]) на основе сегнетоэлектрических (СЭ) плёнок. Управляющими элементами в таких структурах являются, как правило, планарные конденсаторы [2]. Известно, что для реализации высокой управляемости СЭ плёнки необходимо создание высоких (до 100 В/мкм) управляющих электрических полей. В рамках планарной конструкции решение этой задачи представляется сложным, так как необходимость снижения управляющих напряжений до приемлемых величин (менее 50 В) вынуждает уменьшать величины зазоров, что ведёт к увеличению неуправляемых емкостей. Необходимо, таким образом, изменение конструкции самого планарного конденсатора с переносом одного из электродов под СЭ пленку и реализация плоскопараллельных структур типа металл-д и электрик- металл (МДМ). Технология получения таких конденсаторов значительно сложнее, требует введения ряда дополнительных операций и кардинального изменения конструкции с учетом влияния всех факторов, определяющих параметры конденсатора.

II.                               Основная часть

Конструкция СВЧ МДМ конденсатора представлена на рис.1. В предположении постоянства диэлектрической проницаемости по толщине СЭ пленки величину управляемой емкости можно записать

Fig. 1. Design and equivalent circuit of MDM microwave varactor

толщина СЭ плёнки (при условии а, Ь » d краевые емкости не превосходят 3 % от номинала [3]).

Рис. 1. Конструкция и эквивалентная схема МДМ СВЧ конденсатора.

где а, Ь – размеры перекрытия, d Bee остальные элементы эквивалентной схемы являются «паразитными» и необходимо оценить их влияние на СВЧ свойства разработанного конденсатора. Оценки показывают, что для представленной конструкции L <5*10”’^ Гн, Сп < 0.02 пФ.

Одной из важнейших характеристик конденсатора является величина потерь (tg6). Наличие последовательно включённого сопротивления Rpt эквивалентно увеличению tg6 конденсатора. Используя последовательную эквивалентную схему конденсатора с потерями, запишем:

где W- ширина зазора между медными электродами вокруг области перекрытия.

Видно, что для уменьшения влияния платинового электрода надо уменьшать величину w и реализовывать конструкцию с Ь « а. Уменьшение w с одной стороны лимитируется ростом Сп и возможностями технологического оборудования. Уменьшение же одного из размеров также лимитируется условием Ь » d из-за возрастающего влияния краевых емкостей. Величина d, в то же время, должна выбираться с учетом возможности проколов СЭ пленки из-за шероховатости поверхности и наличия ступени пленки платины (для данной конструкции)

Таким образом рассматриваемая конструкция перестраиваемого СВЧ МДМ конденсатора является компромиссом между его ожидаемыми параметрами и технологическими возможностями. На основе разработанной ранее технологии нанесения СЭ пленок [4] был реализован ряд МДМ конденсаторов с величиной начальной емкости 0,4н-1,5 пФ дли исследования в различных диапазонах частот.

Для использования СВЧ конденсаторов на основе СЭ пленок в различных устройствах определяющими являются вольт-фарадная характеристика (управляемость) и частотная зависимость потерь (tg6). Рассмотрим далее эти характеристики разработанных конденсаторов.

Приведенные на рис. 2 вольт-фарадные зависимости для МДМ конденсаторов с различным содержанием бария показывают, что двухкратное изменение емкости достигается при напряжениях менее ЗОВ, что на порядок меньше по сравнению с планарными конденсаторами.

Частотные зависимости потерь для тех же конденсаторов приведены на рис.З в сравнении с аналогичными зависимостями для планарных конденсаторов. Прямые линии на рисунке показывают вклад потерь за счет сопротивления пленки платины для данной конструкции. Можно отметить, что эти потери становятся сравнимыми с потерями в СЭ пленке при частотах выше ЮГГц, однако могут быть существенно уменьшены за счет совершенствования технологии фотолитографии и соответствующего изменения конструкции: уменьшения размера w и соблюдения условия Ь « а.

Fig. 3. Frequency dependence of MDM varactors

и, V

Рис. 2. Вольт-фарадные характеристики МДМ-конденсаторов.

III.                                  Заключение

Разработаны, изготовлены и исследованы МДМ конденсаторы на основе СЭ лленок. Проведена оценка влияния конструкции на СВЧ свойства элементов. Результаты экслериментальных исследований показали лерслекгивность использования подобной конструкции для реализации различных СВЧ устройств.

Работа выполнена при поддержке программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006 – 2008 годы)», проект РНП 2.1.2.7083.

IV.                           Список литературы

[1]  А. Kozyrev, А. Ivanov, V. Kelsetal. Ferroelectric Films: Nonlinear Properties and Applications in Microwave Devices. Microwave Symposium Digest IEEE MTT-S International. 1998. Vol.2, pp. 985-988.

[2]  Вендик О. Г., Лоос Г. Д., Тер-Мартиросян Л. Т. Планарные сегнетоэлектрические конденсаторы для СВЧ- устройств. // Радиотехника и электротехника, 1972, т.17, № 10, С.2241.

[3]  Ю. Я. Иоссель, Э. С. Кочанов, М. Г. Струнский. Расчёт электрической ёмкости. Л.: Энергия. 1969.

[4]  S. V. Razumov, А. V. Tumarkin, А. G. Gagarin etal. Microwave Properties of Thin BSTO Films Based Varactors for High Frequency Applications. Integrated Ferroelectrics,

2003,       Vol.55, pp.871-876.

MDM MICROWAVE VARACTORS BASED ON FERROELECTRIC THIN FILMS

Kozyrev A. B., Gaidukov M. М., Gagarin A. G.,

Tumarkin A. V., Razumov S. V., AltynnikovA. G.

Па. 2. Voltaae-capacitance cun/es of MDM

St-Petersburg Electrotechnical University (LETI)

Рис. 3. Частотная зависимость СВЧ потерь МДМ конденсаторов.

Prof Popova St. 5, St-Petersburg, 197376, Russia Ph.: (812) 2344809, e-mail: mcl@eltech.ru

Abstract – Considered in this paper is design of Metal- Dielectric-Metal (MDM) varactor based on ferroelectric thin film. Varactor equivalent circuit of is presented. Varactors’ microwave parameters are calculated and compared with experimental results.

I.                                        Introduction

Investigations regarding ferroelectric thin films microwave applications are concerned with using planar varactor design. In order to provide high tunability of ferroelectric film, high electric field strength (up to 100 V/μm) is required. Thus development of MDM structures with thin ferroelectric film between metal electrodes is very relevant. Technique of MDM structures fabrication is more complicated than planar technique and requires substantial design change taking into account all factors influencing the varactors parameters.

II.                                       Main Part

MDM microwave varactor development allows for calculation of total microwave losses which consist of dielectric losses and losses in bottom platinum electrode. Total losses are determined as

In order to provide losses minimization, the following condition should be observed: b« a and w is minimum that provides acceptable value of parasitic capacitance.

Fabricated MDM varactors have demonstrated tunability K~2 at 30 V and losses less than tan5~0.06 at 10 GHz.

III.                                     Conclusion

Ferroelectric MDM varactors have been developed, fabricated and researched. The results obtained are very promising for MDM varactors microwave application.

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