СВЧ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПЛАНАРНЫЙ КОНДЕНСАТОР

Полезная модель относится к области СВЧ микроэлектроники и предназначена для работы в СВЧ устройствах в качестве нелинейного элемента (конденсатора) с электрическим управлением номинала емкости.
Известна конструкция СВЧ нелинейного планарного конденсатора на основе сегнетоэлектрической пленки (СЭ) /Авторское свидетельство № 438055 (СССР). Нелинейный планарный конденсатор. Авт. изобретения: О.Г.Вендик, Г.Д.Лоос, Л.Т.Тер-Мартиросян, Ю.Ф.Янченко-Заявл. 13.02.73; Опубл. в Б.И., 1974, № 28, кл. Н 01g. 7/02/. Подробно эта конструкция со всеми необходимыми расчетными формулами приведена в /О.Г.Вендик (ред.). "Сегнетоэлектрики в технике СВЧ". М.: Советское Радио, 1979, с 272/. Известный СВЧ планарный конденсатор содержит диэлектрическую подложку с нанесенной на нее СЭ пленкой и металлическими электродами. При подаче постоянного управляющего напряжения происходит изменение (уменьшение) емкости конденсатора из-за уменьшения величины диэлектрической проницаемости СЭ пленки. Величина (номинал) емкости приближенно рассчитывается методом конформных отображений (МКО) /О.Г.Вендик (ред.). "Сегнетоэлектрики в технике СВЧ". М.: Советское Радио, 1979, с 272/. При этом величина емкости может быть записана как сумма трех слагаемых: управляемой части емкости (емкости СЭ пленки) и неуправляемых («паразитных») емкостей подложки и воздушного промежутка над зазором. Известной конструкции присущ ряд недостатков:
0
U
0
U
1. Невозможность реализации максимальной управляемости К (К=С/C), где С - номинал емкости при нулевом управляющем напряжении, C - номинал емкости при некотором предельном напряжении (U) управления (из-за электрического пробоя воздушного зазора между планарными металлическими электродами).
2. Невозможность увеличения управляемой части емкости за счет увеличения толщины СЭ пленки и/или уменьшения величины зазора между планарными электродами вследствие неоднородности электрического поля в СЭ пленке при соизмеримости величин толщины пленки и зазора между электродами /О.Г.Вендик, М.А.Никольский. Учет нелинейности сегнетоэлектрического слоя в модели планарного конденсатора. Письма в ЖТФ, 2003, т.29, вып.5, с. 20-29/.
3. Уменьшение управляемости конденсатора за счет увеличения длины силовых линий управляющего поля в СЭ пленке /О.Г.Вендик, М.А.Никольский. Учет нелинейности сегнетоэлектрического слоя в модели планарного конденсатора. Письма в ЖТФ, 2003, т.29, вып.5, с. 20 - 29/.
Первый из перечисленных недостатков устраняется путем размещения металлических электродов под СЭ пленкой /А.М.Прудан, Е.К.Гольман, А.Б.Козырев, А.А.Козлов, В.Е.Логинов, А.В.Земцов. Влияние отжига на диэлектрическую проницаемость пленочного титаната стронция в структуре SrTi03/A1203. Физика твердого тела, 1998, т.40, №8, с.1473-1478/. При этом сохраняются все выражения для расчета параметров конденсатора и сохраняются недостатки 2 и 3, присущие планарному конденсатору на основе СЭ пленки.
Технической задачей, решаемой полезной моделью является увеличение управляемой части емкости конденсатора на основе СЭ пленки без уменьшения его управляемости.
Поставленная задача решаются за счет того, что предлагаемый конденсатор, также как и известный содержит диэлектрическую подложку с нанесенной на него сегнетоэлектрической пленкой и металлическими электродами планарной конструкции. Но, в отличие от известного, в предлагаемом конденсаторе поверх электродов нанесена вторая сегнетоэлектрическая пленка, толщина которой не превышает толщину первой.
Техническим результатом является увеличение погонной емкости при сохранении управляемости.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
На фиг.1 представлен разрез заявляемой конструкции планарного конденсатора, содержащего диэлектрическую подложку, нанесенную на нее сегнетоэлектрическую пленку, металлические электроды планарной конструкции и нанесенную поверх них вторую сегнетоэлектрическую пленку.
На фиг.2 представлено сравнение вольт-фарадных характеристик известной конструкции планарного конденсатора и заявляемой конструкции.
1
2
Заявляемая конструкция представляет собой планарный конденсатор, содержащий диэлектрическую подложку (1), нанесенную на нее сегнетоэлектрическую пленку (2) толщиной d, металлические электроды планарной конструкции (3) и нанесенную поверх них вторую сегнетоэлектрическую пленку (4) толщиной d.
1
2
1
2
С точки зрения эквивалентной схемы заявляемая конструкция представляет собой два параллельно включенных планарных конденсаторов с толщинами СЭ пленок d и d., величиной зазора s и длиной w. Для простоты можно рассмотреть случай d=d. Согласно МКО управляемая (сегнетоэлектрическая) часть емкости описывается выражением
0
где ε - диэлектрическая постоянная, ε(E) - диэлектрическая проницаемость СЭ пленки.
Однако МКО не учитывает нелинейности диэлектрической проницаемости СЭ пленки при воздействии управляющего поля. Наиболее сильно эффект поля проявляется при сравнимости величин d и s. Как было показано в /О.Г.Вендик, М.А.Никольский. Учет нелинейности сегнетоэлектрического слоя в модели планарного конденсатора. Письма в ЖТФ, 2003, т.29, вып.5, с. 20-29/ учет нелинейности СЭ приводит к тому, что поле в пленке описывается не выражением
где Е- поле в СЭ пленке, U- величина управляющего напряжения, а выражением
2
1
Сравним теперь величины полей в пленке для прототипа и предлагаемой конструкции для двух случаев: 1 - суммарная толщина СЭ слоев заявляемой конструкции равна толщине пленки прототипа, 2 - толщина каждого из СЭ слоев заявляемой конструкции равна толщине пленки прототипа. Из приведенных выражений видно, что в случае 1 остается неизменной погонная емкость, а в случае 2 практически в 2 раза возрастает погонная емкость (слои соединены параллельно) при равных значениях управляющего напряжения. Увеличение d относительно d приводит к снижению управляемости верхнего конденсатора и соответственно к снижению общей управляемости.
1
2
1
2
Экспериментальная проверка иллюстрируется фиг.2, где 1 - характеристика управляемости прототипа, 2 - характеристика заявляемой конструкции при условии d=d и d+d=d для прототипа.
Таким образом заявляемая конструкция позволяет увеличить емкость конденсатора на основе СЭ пленки без уменьшения его управляемости (за счет увеличения толщины СЭ пленки).