книги из ГПНТБ / Микроминиатюризация высокочастотных радиоустройств

20

При этом тангенс угла потерь будет равен

($6 = tfyöA* b}SM = * ü)C(>f/v, *Kß).

Анализируя выражение(І.Э), замечаем, что соответствущим подбором индуктивности L g можно обеспечить Х Эд = 0 , при

этом модуль полного сопротивления будет минимальным и равным активному сопротивлению конденсатора, т .е .

что в последнем случае модуль полного сопротивления меньше

Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании .

фильтровых, блокировочных и переходных конденсаторов гибрид­ ных пленочных микросхем, работающих в диапазоне частот выше

100 МГц. Представляется также возможным получать передающие цепи в виде последовательных контуров, обладающих избиратель­ ностью.

Полученные формулы ( I .3 —1 .10) позволяют вычислять актив­

ное и реактивное сопротивления, емкость и добротность реаль­ ного пленочного конденсатора с учётом потерь анергии в об­ кладках и диапеаграке во всем практическом диапазоне частот

избирательные цепи с машшаньша* ослаблением передаваемого с и г н п і .

21

3 , ВЛИЯНИЕ МАТЕРИАЛА ДИЭЛЕКТРИКА И ОБКЛАДОК ПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ НА ИХ ДОБРОТНОСТЬ

Задача получения пленочных конденсаторов с шсокой добротностью на частотах порядка 100 МГц и выше является весьма актуальной. Отсутствие в литературе сведений о пара­ метрах пленочных конденсаторов, пригодных для использования в микросхемах на частотах выше 100 МГц, потребовало проведе­ ния дополнительных экспериментальных исследований, основной

целью которых служило получение оценки добротности трехслой­ ных пленочных конденсаторов в зависимости от материала при­ мененного в них диэлектрика на частотах 200-400 МГц. Из ана­

800адЬ.

Зависимость добротности пленочных конденсаторов структу­

ры A P S iO ~ Â P от толщины электродов и частоты изобретена

на р и с.1 .1 2 . Д ан те обраяцов I , 2 и 3 приведены в т а б л Д .І.

Толщина обкладок и диэлектрика измерялась с гтшищмл прибора ИДО-4.

23

конденсаторов наиболее часто применяют алюминий. Однако на

поверхности алюминиевой пленки образуется тонкий слой окисла,

который увеличивает поверхностное сопротивление, что сопровож­ дается снижением добротности. Известны рекомендации о нанеое-

нии на алюминиевую пленку слабоокисляющихся металлов, таких как серебро, родий, ниобий, золото, рений.

Были проведены исследования трехслойных пленочных конден­

саторов из различных материалов обкладок с целью выявления их частотных свойств. Исследовались конденсаторы- с диэлектриком из моноокиси кремния. Обкладки напылялись из меди, золота, алю­ миния, а также применялось сочетание пленок алюминия и серебра.

Верхняя обкладка имела толщину около 0 ,1 нм.

Активное сопротивление в партии пленочных конденсаторов,

измеренное на частоте 300 МГц, имело следующие средние значе­ ния для различных материалов обкладок: золота - 1 ,0 Ом;

меди - 1,37 Ом; алюминия - 1,57 Ом; алюминия и серебра - І,І8 0 м .

Установлено, что более высокую добротность имеют конденса­ торы со структурой № S iO -№ , Aß. Добротность конденсаторов структуры Au -S lO-Au оказалась ниже, хотя активное сопротивле­

ние меньше, чем с обкладками из пленок алюминия и серебра. Эта особенность объясняется образованием на границе металл-диэлек­ трик запорных и антизапоргіых слоев. При измерении сопротивления пленочных конденсаторов постоянному току при разной полярности

24

Уменьшения потерь в обкладках пленочных конденсаторов можно достигнуть уменьшением их площади за счёт применения диэлектри­ ческих пленок, обеспечивающих получение конденсаторов с большой удельной емкостью. Однако необходимо при этом учитывать потери,

вносимые диэлектрическими пленками.

Для установления возможности применения в высокочастотных пленочных конденсаторах диэлектрических материалов, обеспечиваю­ щих получение больших удельных емкостей, было проведено иссле­ дование партий пленочных конденсаторов одинаковой емкости

(60 пф), изготовленных о диэлектрическими пленками из полипарак-

силилена и моноокиси кремния. Измерениями на частоте 395 МГц установлены средние значения активного сопротивления: у пер­ вых - 3 ,1 Ом, у вторых - 1 ,6 Ом.

Результаты измерений показывают, что, несмотря на уменьше­ ние площади обкладок, у пленочных конденсаторов с диэлектриче­ ским слоем из подипараксилилена добротность оказалась ниже,

чем у конденсаторов с диэлектриком из.моноокиси кремния, что объясняется большими потерями в диэлектрическом слое из поли-

параксилилена по сравнению с моноокисью кремния.

Общим выводом по результатам проведенных исследований • может служить заключение о том, что в пленочных микросхемах для частот до 300 МГц трехслойные пленочные конденсаторы с

25

диэлектрическим слоем из моноокисикремния и с обкладками из пленок алюминия, меди и алюминия, покрытого серебром,

обладают наименьшими потерями по сравнению с конденсаторами,

изготовленными с использованием других известных материалов.

4 . СВОЙСТВА ПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

На частотах более 40-50 МРҢ сопротивление пленочных ре­

зисторов заметно зависит от частоты. Частотные погрешности сопротивления резисторов на ВЧ и СВЧ обусловлены собственной

индуктивностью, зависящей от формы и размеров, а также емко­ стью, зависящей от диэлектрической проницаемости подложйи и зернистости структуры пленки, т .е . технологического режима напыления.

Полная схема пленочного резистора при работе на ВЧ пред­ ставлена на р и с .І .ІЗ о Анализ этой схемы достаточно сложен.

Для его упрощения предполагаем, что резонансная частота пле­ ночного резистора много выше рабочей. Тогда распределенные параметры можно заменить сосредоточенными, и схема упрощает­ ся ( р и с .I .1 4 ).

Исходя из этой схемы, определим условия частотной незави­ симости пленочных резисторов. Полное сопротивление X пленоч­ ного резистора в общем случае равно:

z = ß x + j X X ,

-При условии, что

ХзГ7 • Rn

^ Ro,

Хзл * Xл

26

Rn

Скп- емкость между контактными площадками;

R0 - сопротивление резистора на постоянном токе;

R„ - сопротивление подложки;

27

Ra - сопротивлеше диэлектрических слоев;

Цъп - сопротивлеше защитного покрытия пленочного резистора;

R ' - приведенное сопротивлеше;

С - приведенная емкость.

Пленочные резисторы по преобладавшему влиянию собствен­

ной емкости или индуктивности на активную составляющую пол­ ного сопротивления условно подразделяем на низкоомные и высокоомные.

Низкоомный пленочный резистор считается частотнонезависи­

мым в том случае, если величина его активного сопротивления

на порядок больше реактивного. Так как пленочные низкоомные резисторы в микросхемах имеют обычно малые размеры (длиной не более 3-5 мм), то реактивное сопротивлеше их много меньше активного в широком диапазоне частот.

Условие частотной независимости шзкоомных пленочных

Для пленочных резисторов сопротивлением более 300 Ом обычно

т . е . для высокоомных пленочных резисторов, влиянием их соб ­ ственной индуктивности можно пренебречь.

Обычно длина высокоомных пленочных резисторов не превы­ шает 10-15 мм, и реактивное сопротивлеш е, обусловленное собственной индуктивностью, мало по.сравнению с активным сопротивлением. В то же время порядок величины реактивного

сопротивления, обусловленного ооботвенной емкостью, на высоких частотах приближается к активному. В этом случае наивысшая частота, до которой полное сопротивление практи­

чески равно R0 , определяется выражением:

/ < Â L J-MOKC " £ С ' .

Одним' из наиболее часто употребляемых материалов для

получения пленочных резисторов является сплав нихром. В

связи со сложностью определения составляющих полного сопро­ тивления пленочного резистора были экспериментально иссле­ дованы зависимости изменения активного сопротивления пле­ ночных резисторов от частоты, материалом резистивной пленки

которых служил нихром. Удельное сопротивление пленки

J)0 = 804-100 Om/q . При напылении резисторов выдерживался

рекомендованный технологический режим, что обеспечивало однородность структуры пленок в исследованных образцах пленоч­ ных резисторов. Резисторы напылялись на подложку из стекла марки C - 4 I - I . Сопротивление резисторов на постоянном токе R0

измерялось с помощью цифрового вольтомметра BK7-I0A. Данные сопротивлений каждого образца резистора на постоянном токе приведены в таб л .1 .2 .

Три резистора (4 , 8 , 12) имели форму меандра, остальные

прямоугольной формы. Зависимость изменения отношения -4 -

г<о

29