CN110518360A - 双s-pin固态等离子体结构及采用该结构的缝隙天线 - Google Patents

双s-pin固态等离子体结构及采用该结构的缝隙天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双S‑PIN固态等离子体结构及采用该结构的缝隙天线，包括自下而上依次设置的衬底基板、绝缘层和固态等离子体区，该固态等离子体区包括由重掺杂P+区、重掺杂N+区和本征层I区构成的2个相互对称的PIN结构，每一重掺杂P+区上方铺设有一正极金属电极，每一重掺杂N+区上方铺设有一负极金属电极。本发明中两个重掺杂N+区位于重掺杂P+区两侧，减少了重掺杂P+区的数量，扩大了本征层I区的长度，同时正极金属电极的数量也相应减少，简化了馈电网络。

Description

双S-PIN固态等离子体结构及采用该结构的缝隙天线
技术领域
本发明属于天线和半导体工艺领域，尤其涉及一种双S-PIN固态等离子体结构及采用该结构的缝隙天线。
背景技术
随着科学技术的日新月异，人们对无线通信要求越来越高。一方面人们希望提高无线通信的容量、增加整个系统的功能，另一方面又希望降低成本。因此，这也对其中关键部分的天线系统的性能要求越来越高。缝隙天线具有体积小、剖面低、重量轻、成本低、加工容易以及易于实现宽带、多频以及圆极化工作等众多的优点。同时再结合通信系统的小型化、轻型化的发展趋势和需求，缝隙天线在移动通信领域的应用具有很强的吸引力。
固态等离子体可采用电或光激励的形式在半导体本征层形成的，当形成的固态等离子体内载流子浓度达到一定值时，其电导性可与金属相比拟。固态等离子体天线是使用固态等离子体来构成天线的辐射体以及馈电网络。当未激发成固态等离子体时，其就是半导体材料表现出介质的特性；而当激励成固态等离子体时，其类金属特性发挥作用。
在对采用半导体材料制作的PIN管两端施加激励电压,可在I区产生固态等离子体。利用PIN单元构造的固态等离子体可重构天线，具有工作频段切换灵活、辐射方向范围宽、良好的隐身特性、与微电子工艺兼容、可同时实现频率与方向图重构等众多优势，是实现天线小型化和提升雷达与通信系统性能的有效技术途径，已经成为了国内外的研究热点。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种可减少重掺杂P+区数量或减少重掺杂N+区数量从而扩大本征层I区长度的双S-PIN固态等离子体结构。
本发明的第二目的是提供采用该双S-PIN固态等离子体结构的缝隙天线，独立控制每一双S-PIN固态等离子体结构的特性，实现缝隙天线的可重构。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种双S-PIN固态等离子体结构，包括自下而上依次设置的衬底基板、绝缘层和固态等离子体区，该固态等离子体区包括由重掺杂P+区、重掺杂N+区和本征层I区构成的2个相互对称的PIN结构，每一重掺杂P+区上方铺设有一正极金属电极，每一重掺杂N+区上方铺设有一负极金属电极。
其中，所述重掺杂N+区为2个，对称分布于重掺杂P+区两侧，重掺杂P+区和重掺杂N+区之间隔有本征层I区。本发明中两个重掺杂N+区位于重掺杂P+区两侧，减少了重掺杂P+区的数量，扩大了本征层I区的长度，同时正极金属电极的数量也相应减少，简化了馈电网络。
优选的，所述重掺杂P+区为2个，对称分布于重掺杂N+区两侧，重掺杂P+区和重掺杂N+区之间隔有本征层I区。本发明中两个重掺杂P+区位于重掺杂N+区两侧，减少了重掺杂N+区的数量，扩大了本征层I区的长度，同时负极金属电极的数量也相应减少，简化了馈电网络。
再者，所述负极金属电极通过金属化过孔或与金属底板相接触进行接地。本发明负极金属电极接地可简化馈电网络。
进一步，所述衬底基板为硅衬底。本发明中硅材料作为衬底，掺杂浓度较低。
优选的，所述绝缘层为SiO2层。本发明采用SiO2层，位于上层固态等离子体区与下层衬底基板中间，使得上层的载流子无法扩散到硅衬底中，只在上层的固态等离子体区中运动，容易达到浓度指标，保证浓度分布均匀。
再者，所述重掺杂P+区和重掺杂N+区的掺杂浓度高于本征层I区的掺杂浓度。
进一步，所述正极金属电极上施加偏置电压，用于改变固态等离子体的载流子浓度，使双S-PIN固态等离子体结构呈现介质特性或者类金属特性。
本发明一种采用双S-PIN固态等离子体结构的缝隙天线，包括介质基板、位于介质基板上的若干个依次排列开设的凹槽以及填充在该凹槽内的若干个相互独立的双S-PIN固态等离子体结构，所述介质基板和双S-PIN固态等离子体结构上铺设有金属地板，该金属地板沿双S-PIN固态等离子体结构排列方向开设缝隙，其中重掺杂N+区位于缝隙外的介质基板内。
本发明另一种采用双S-PIN固态等离子体结构的缝隙天线，包括介质基板、位于介质基板上的若干个依次排列开设的凹槽以及填充在该凹槽内的若干个相互独立的双S-PIN固态等离子体结构，所述介质基板和双S-PIN固态等离子体结构上铺设有金属地板，该金属地板沿双S-PIN固态等离子体结构排列方向开设缝隙，其中重掺杂P+区位于缝隙外的介质基板内。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
(1)、本发明中两个重掺杂N+区位于重掺杂P+区两侧，减少了重掺杂P+区的数量，扩大了本征层I区的长度，同时正极金属电极的数量也相应减少，简化了馈电网络；
(2)、本发明中两个重掺杂P+区位于重掺杂N+区两侧，减少了重掺杂N+区的数量，扩大了本征层I区的长度，同时负极金属电极的数量也相应减少，简化了馈电网络；
(3)、本发明中双S-PIN固态等离子体结构纵向填充在介质基板中，最外侧的重掺杂N+区和负极金属电极位于缝隙外侧，不影响缝隙长度，当双S-PIN固态等离子体结构呈介质特性时，不会对天线性能造成干扰；
(4)、本发明中双S-PIN固态等离子体结构纵向填充在介质基板中，最外侧的重掺杂P+区和正极金属电极位于缝隙外侧，不影响缝隙长度，当双S-PIN固态等离子体结构呈介质特性时，不会对天线性能造成干扰；
(5)、本发明中可独立控制每一个双S-PIN固态等离子体结构使其呈现介质特性或者类金属特性，实现双S-PIN固态等离子体结构的截止状态或导通状态，从而动态调节缝隙的长度，实现天线的可重构，还可改变每一个双S-PIN固态等离子体结构的尺寸大小，实现缝隙长度的变化，满足不同频段的要求。
附图说明
图1为本发明实施例1中双S-PIN固态等离子体结构的结构示意图；
图2为本发明实施例2中双S-PIN固态等离子体结构的结构示意图；
图3为本发明中缝隙天线的结构示意图；
图4为本发明中缝隙天线的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明一种双S-PIN固态等离子体结构，包括衬底基板1、绝缘层2和固态等离子体区，其中衬底基板1、绝缘层2和固态等离子体区三者自下而上依次设置。固态等离子体区包括重掺杂P+区3、重掺杂N+区4和本征层I区5，重掺杂N+区4为2个，对称分布于重掺杂P+区3两侧，重掺杂P+区3和重掺杂N+区4之间隔有本征层I区5，构成的2个相互对称的PIN结构，重掺杂P+区3和重掺杂N+区4的掺杂浓度高于本征层I区5的掺杂浓度。每一重掺杂P+区3上方铺设有一正极金属电极6，每一重掺杂N+区4上方铺设有一负极金属电极7。本发明中两个重掺杂N+区位于重掺杂P+区两侧，减少了重掺杂P+区的数量，扩大了本征层I区的长度，同时正极金属电极的数量也相应减少，简化了馈电网络。
本发明的衬底基板1为硅衬底，本发明中硅材料作为衬底，掺杂浓度较低。本发明的绝缘层2为SiO2层，本发明采用SiO2层，位于上层固态等离子体与下层衬底基板中间，使得上层的载流子无法扩散到硅衬底中，只在上层的固态等离子体区中运动，容易达到浓度指标，保证浓度分布均匀。
本发明的负极金属电极7通过金属化过孔或与金属底板相接触进行接地，可简化馈电网络。当施加在正极金属电极6上的偏置电压较小时，整个固态等离子体内载流子浓度分布不均匀，且浓度较低，本征层I区5的载流子浓度达不到1018cm-3，此时整个结构呈现为介质特性，处于截止状态；随着偏置电压增大到一定值时，整个固态等离子体内载流子浓度升高，均达到1018cm-3,此时电导率可以与金属相比拟，双S-PIN固态等离子体结构处于导通状态，呈现为类金属特性。
如图3和图4所示，本发明采用双S-PIN固态等离子体结构的缝隙天线，包括介质基板8和金属地板9，该介质基板上依次排列开设有若干个凹槽，双S-PIN固态等离子体结构填充在每一凹槽内。金属地板9铺设在介质基板8和双S-PIN固态等离子体结构上，该金属地板沿双S-PIN固态等离子体结构排列方向开设缝隙10，其中重掺杂N+区4和其上的负极金属电极位于缝隙外的介质基板内。本发明中双S-PIN固态等离子体结构纵向填充在介质基板中，最外侧的重掺杂N+区和负极金属电极位于缝隙外侧，不影响缝隙长度，当双S-PIN固态等离子体结构呈介质特性时，不会对天线性能造成干扰。
本发明中可独立控制每一个双S-PIN固态等离子体结构使其呈现介质特性或者类金属特性，实现双S-PIN固态等离子体结构的截止状态或导通状态，从而动态调节缝隙的长度，实现天线的可重构，还可改变每一个双S-PIN固态等离子体结构的尺寸大小，实现缝隙长度的变化，满足不同频段的要求。
实施例2
如图2所示，本发明一种双S-PIN固态等离子体结构，包括衬底基板1、绝缘层2和固态等离子体区，其中衬底基板1、绝缘层2和固态等离子体区三者自下而上依次设置。固态等离子体区包括重掺杂P+区3、重掺杂N+区4和本征层I区5，重掺杂P+区3为2个，对称分布于重掺杂N+区4两侧，重掺杂P+区3和重掺杂N+区4之间隔有本征层I区5，构成的2个相互对称的PIN结构，重掺杂P+区3和重掺杂N+区4的掺杂浓度高于本征层I区5的掺杂浓度。每一重掺杂P+区3上方铺设有一正极金属电极6，每一重掺杂N+区4上方铺设有一负极金属电极7。本发明中两个重掺杂P+区位于重掺杂N+区两侧，减少了重掺杂N+区的数量，扩大了本征层I区的长度，同时负极金属电极的数量也相应减少，简化了馈电网络。
本发明的衬底基板1为硅衬底，本发明中硅材料作为衬底，掺杂浓度较低。本发明的绝缘层2为SiO2层，本发明采用SiO2层，位于上层固态等离子体与下层衬底基板中间，使得上层的载流子无法扩散到硅衬底中，只在上层的固态等离子体区中运动，容易达到浓度指标，保证浓度分布均匀。
本发明的负极金属电极7通过金属化过孔进行接地，可简化馈电网络。当施加在正极金属电极6上的偏置电压较小时，整个固态等离子体内载流子浓度分布不均匀，且浓度较低，本征层I区5的载流子浓度达不到1018cm-3，此时整个结构呈现为介质特性，处于截止状态；随着偏置电压增大到一定值时，整个固态等离子体内载流子浓度升高，均达到1018cm-3,此时电导率可以与金属相比拟，双S-PIN固态等离子体结构处于导通状态，呈现为类金属特性。
如图3所示，本发明采用双S-PIN固态等离子体结构的缝隙天线，包括介质基板8和金属地板9，该介质基板上依次排列开设有若干个凹槽，双S-PIN固态等离子体结构填充在每一凹槽内。金属地板9铺设在介质基板8和双S-PIN固态等离子体结构上，该金属地板沿双S-PIN固态等离子体结构排列方向开设缝隙10，其中重掺杂P+区3和其上的正极金属电极位于缝隙外的介质基板内。本发明中双S-PIN固态等离子体结构纵向填充在介质基板中，最外侧的重掺杂P+区和正极金属电极位于缝隙外侧，不影响缝隙长度，当双S-PIN固态等离子体结构呈介质特性时，不会对天线性能造成干扰。
本发明中可独立控制每一个双S-PIN固态等离子体结构使其呈现介质特性或者类金属特性，实现双S-PIN固态等离子体结构的截止状态或导通状态，从而动态调节缝隙的长度，实现天线的可重构，还可改变每一个双S-PIN固态等离子体结构的尺寸大小，实现缝隙长度的变化，满足不同频段的要求。

Claims (10)

1.一种双S-PIN固态等离子体结构，其特征在于：包括自下而上依次设置的衬底基板(1)、绝缘层(2)和固态等离子体区，该固态等离子体区包括由重掺杂P+区(3)、重掺杂N+区(4)和本征层I区(5)构成的2个相互对称的PIN结构，每一重掺杂P+区(3)上方铺设有一正极金属电极(6)，每一重掺杂N+区(4)上方铺设有一负极金属电极(7)。
2.根据权利要求1所述的双S-PIN固态等离子体结构，其特征在于：所述重掺杂N+区(4)为2个，对称分布于重掺杂P+区(3)两侧，重掺杂P+区(3)和重掺杂N+区(4)之间隔有本征层I区(5)。
3.根据权利要求1所述的双S-PIN固态等离子体结构，其特征在于：所述重掺杂P+区(3)为2个，对称分布于重掺杂N+区(4)两侧，重掺杂P+区(3)和重掺杂N+区(4)之间隔有本征层I区(5)。
4.根据权利要求1所述的双S-PIN固态等离子体结构，其特征在于：所述负极金属电极(7)通过金属化过孔或与金属地板相接触进行接地。
5.根据权利要求1所述的双S-PIN固态等离子体结构，其特征在于：所述衬底基板(1)为硅衬底。
6.根据权利要求1所述的双S-PIN固态等离子体结构，其特征在于：所述绝缘层(2)为SiO2层。
7.根据权利要求1所述的双S-PIN固态等离子体结构，其特征在于：所述重掺杂P+区(3)和重掺杂N+区(4)的掺杂浓度高于本征层I区(5)的掺杂浓度。
8.根据权利要求1所述的双S-PIN固态等离子体结构，其特征在于：所述正极金属电极(6)上施加偏置电压，用于改变固态等离子体区的载流子浓度，使双S-PIN固态等离子体结构呈现介质特性或者类金属特性。
9.采用权利要求1、2、4至8任一所述的双S-PIN固态等离子体结构的缝隙天线，其特征在于，包括介质基板(8)、位于介质基板上的若干个依次排列开设的凹槽以及填充在该凹槽内的若干个相互独立的双S-PIN固态等离子体结构(11)，所述介质基板(8)和双S-PIN固态等离子体结构(11)上铺设有金属地板(9)，该金属地板(9)沿双S-PIN固态等离子体结构排列方向开设缝隙(10)，其中重掺杂N+区(4)位于缝隙外的介质基板内。
10.采用权利要求1、3、4至8任一所述的双S-PIN固态等离子体结构的缝隙天线，其特征在于，包括介质基板(8)、位于介质基板(8)上的若干个依次排列开设的凹槽以及填充在该凹槽内的若干个相互独立的双S-PIN固态等离子体结构(11)，所述介质基板(8)和双S-PIN固态等离子体结构(11)上铺设有金属地板(9)，该金属地板(9)沿双S-PIN固态等离子体结构排列方向开设缝隙(10)，其中重掺杂P+区(3)位于缝隙外的介质基板内。
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