Шашкін В І, Дрягин Ю А *, Закамье В Р, Кривов С В *, Кукін Л М *, Мурель А В, Чеченін Ю І Інститут фізики мікроструктур Російської Академії Наук * Інститут прикладної фізики Російської Академії Наук м Нижній Новгород, ГСП-120, 603950, Росія тел: +7 (8312) 38-55-36 e-mail: sha@ipmsci-nnovru

Анотація – Обговорюються принципи побудови детекторів міліметрового діапазону довжин хвиль на основі планарних щілинних антен і нізкобарьерних діодів Шоттки Розроблено конструкцію щілинної антени з високим опором хвильовимопором -800 Ом на частоті 94 ГГц і смугою близько 8 ГГц Проведено дослідження характеристик детектування при включенні в антену діодів з диференціальними опорами переходу Rj = 1 ^ 1000 кОм На підставі експериментальних даних зроблено висновки про оптимальні параметри використовуваних нізкобарьерних діодів для отримання високої чутливості> 10 * В / Вт і мінімальної порогової потужності NEP і 10 ^ ^ Вт Гц ^ ^

I                                       Введення

Традиційна область застосування міліметрового діапазону довжин хвиль (діагностика плазми, спектроскопія) за останній час істотно розширилася, оскільки розвинулися нові технології (Пикосекундная оптоелектроніка), зявилися пріоритетні прікпадние задачі (протидія тероризму, діагностика в медицині та ін) Більшість завдань вимагають пристроїв, які можуть детектувати сигнал від джерела випромінювання невисокою потужності (-100 мВт) на невеликих відстанях (-10 м) Останнім часом для таких систем стали застосовуватися детектори на основі діодів з барєром Шоттки [1,2] Для забезпечення високої чутливості необхідно зменшувати ефективну висоту барєру Шоттки, працювати при нульовому зсуві, що спрощує конструкцію детектора і призводить до зниження рівня шумів (7 / f та ін)

Для забезпечення гарної чутливості в міліметровому діапазоні довжин хвиль діоди монтуються безпосередньо в антени В якості прийнятих антен найчастіше використовуються планарниє: логоперіодічеськие і спіральні антени (широкосмугові), рідше резонансні (дипольні або щілинні) [1, 2]

У роботі представлені результати з дослідження характеристик детектування нізкобарьерних діодів Шоттки с (5-легированием приповерхневої області напівпровідника [3] в планарної антени на частоті 94 ГГц

II                               Основна частина

Відомо, що на частотах трьохміліметрового діапазону діод із зниженою висотою барєру добре описується найпростішою еквівалентною схемою з паралельним зєднанням опору Я Уі ємності С переходу і опором розтікання г, включеним до них послідовно [3] Для дослідження були взяті діоди з ємністю переходу З «7н-10фФ, г і 30н-50 0м і з різною ефективною висотою барєру Шоттки (02н-04 еВ), що мають диференціальний опір переходу при нульовому зміщенні в діапазоні 1н-1000 кОм

Комплексну провідність діода на частоті ω в короткохвильовій частині міліметрового діапазону можна наближено записати в наступному вигляді:

звідки видно, що дійсна частина провідності детектора на цих частотах визначається величиною пана {ТСУ – 1/1000 Ом ^ ДЛЯ діодів з Rj »

1000 Ом і ємнісного імпедансу 170Н-240 0м Зроблені оцінки дозволили вибрати тип планарної антени і розробити її конструкцію узгоджену з діодом Вимогу досить високого вихідного опору задовольняють щілинні планарниє антени, розташовані над металізованої площиною [4]

Як джерело випромінювання використовувався перестроюваний генератор з лампою зворотної хвилі потужністю -20 мВт Висновок випромінювання в простір здійснювали за допомогою стандартного рупора Випрямлений сигнал з детектора вимірювався вольтметром або осцилографом з вхідним опором 0,5 н-1 МОм

З виміряної діаграми спрямованості антени по сигналу детектора і відомої діаграми спрямованості рупора за формулами для передачі потужності антен [5] була визначена потужність, падаюча на діоди Після цього були проведені вимірювання чутливості детекторів залежно від висоти барєру діодів Шоттки, що визначена технологічними параметрами зростання структур [3]

На верхньому графіку рис 1 представлені результати вимірювань вольт-ватної чутливості кде-текторов залежно від Я У діодів Величина кімеет тенденцію зростання із збільшенням Я, До тих пір, поки не суттєво вплив навантажувального опору При порівнянних значеннях опорів спостерігається падіння γ Максимальні значення γ> 10000 В / Вт досягаються в діапазоні Rj = 10-100 кОм

Певні значення γ і Rj, дозволяють оцінити величину порогової потужності детектора NEP Експериментальні значення NEP залежно від Rj представлені на рис 1 (нижній графік) Видно, що кращі значення NEP «10′ ^ Вт Гц” ^ досягаються для діодів з малою величиною Rj в діапазоні одиниць кОм

III                                   Висновок

Проведені дослідження показують можливість досягнення високої вольт-ватної чутливості і малої величини порогової потужності в детекторах міліметрового діапазону на основі планарних антен з безпосередньо включеними нізкобарьернимі діодами Шотткі Експериментальні дані з детектування в діапазоні 94 ГГц дозволили виявити оптимальні значення параметрів нізкобарьерних діодів Виміряні значення γν \ Л / ЕР для цього діапазону відповідають або перевершують відомі результати для діодів, виготовлених іншими методами [6,7] Отримані результати свідчать про перспективність застосування детекторів з планарними антенами і безпосередньо включеними нізкобарьернимі діодами в якості елементів матричного приймача в фокальній площині

Рис 1 Вольт-ватна чутливість / і ΝΕΡ детекторів на частоті 94 ГГц в залежності від величини Rj

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

Робота виконана за підтримки програми Президії РАН та гранту Президента РФ МК223420068

IV                            Список літератури

[1] я в Волков, В Є Любченко, О А Тихомиров Двовимірні матриці антенно-повязаних діодів з барєром Шоттки для формування зображень в ММ діапазоні хвиль Радіотехніка та електроніка, т 40, вип 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 І Шашкін В Л Вакс, В М Данильцев, А В Масловський, А В Мурель, С Д Никифоров, О І Хрикін,

А В Масловський, Ю І Чеченін Мікрохвильові детектори на основі нізкобарьерних діодів Шоттки і їх характеристики Изв вузів Радіофізика, т XLVIII, № 6, с 544 (2005)

[4] Б А Панченко, Є І Нефедов Мікрополоскові антени М: Радіо і звязок 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@ipmsci-nnovru

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&quot^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 З 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 (02 ^ 04 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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р