SE521733C2 - Variabel kapacitans, lågpassfilter samt mikroelektromekaniskt omkopplingsarrangemang - Google Patents

Description

25 30 G1 l Q ï-à \\'.l LN L J nackdel med varaktorer av halvledartyp är att de är i hög grad ickelinjära anordningar, samtidigt som in hög linjäritet krävs i vissa mikrovågstillämpningar, till exempel i inställningsbara filter. En ytterligare nackdel med varaktorer av halvledartyp är att trots att de fungerar under omvända förspänningsbetingelser, så har de vissa läckströmmar vilka ökar med ökande temperatur eller optisk belysning (i fallet då den används som en optiskt styrd varaktor).

För att förbättra kvalitetsfaktorn och linj äriteten föreslås en mikromekanisk varaktor, till exempel i ”Dec A., Suyama K, Micromechanical varactor With a wide tuning range”, Electronics Letters, Vol 33, pp. 922 - 924, 1997. I denna varaktor tillhandahålls inga halvledarskikt eller dielektriska skikt mellan plattorna i kondensatom, vilket resulterar i högre Q-faktor (begränsad endast av ledningsförluster) och frånvaro av icke-linj äritet. Dessutom inträffar enligt detta dokument inga läckströmmar i anordningen så länge de pålagda spänningarna är lägre än luftens genombrottsspänning. Ett schematiskt tvärsnitt av ett utförande av en sådan anordning l illustreras i Fig. 1. Anordningen 1 innefattar en första (övre) tunn metallisk platta 2, en andra (lägre) tunn metallisk platta 3, ett dielektriskt substrat 4 och terminalema 5 och 6, och ett dielektriskt skikt 7. De metalliska plattoma är skilda från varandra med ett avstånd d', vilket är h”a(v) + h”d~(v) där h”a(v) är luftspaltens tjocklek, och h°d är tjockleken av det dielektriska skiktet 7. En ände av den första plattan 2 är fixerad på en stödjande del av det i huvudsak L-formade substratet 4, och den andra änden av denna skjuter ut över den andra plattan 3 som tillhandahålls på en lägre (horisontellt utskj utande) del av det i huvudsak L-formade substratet. Genom att lägga på en yttre spänning genom terminalema 5 och 6 bildas laddningar på de metalliska plattorna i kondensatorn. På grund av den stora elasticiteten hos åtminstone en av plattoma, och som ett resultat av den elektrostatiska attraktionskraften som bildas genom laddningarna av motsatt tecken (negativ på den ena och positiv på den andra plattan), kommer den fria änden av den första plattan och den andra plattan att röra sig i förhållande till varandra.

En variabel kondensator liknande den senare är också ändamålet i den europeiska patentansökan Nr. 759 628.

Det tunna dielektriska skiktet ordnas för att undvika en kortslutning mellan plattoma 2 och 3.

Som resultat blir den totala kapacitansen: 10 15 20 25 30 Där Ca är kapacitansen i lufi = ((s0S)/h”a(v)), Cd är kapacitansen för det dielektriska skiktet = (ss0S)/h”d, s är dielektricitetskonstanten för det dielektriska skiktet, so är dielektricitetskonstanten för luft, h”,,(v) är luftspaltens tjocklek, och h'd är tj ockleken av det dielektriska skiktet.

Tj ockleken h'a(v) är spänningsberoende och det gäller följaktligen även Cm. I enlighet med detta erhålls den maximala kapacitansen (Cmax) när ha(v) = 0, d. v. s. Cmax = Cd. Detta betyder att det dielektriska skiktet effektivt minskar justerbarheten, d. v. s. intervallet av laddningar, av kapacitansen. Följaktligen blir det skyddande dielektriska skiktet en nackdel.

Dessutom ackumulerar det dielektriska skiktet 7 laddning, vilken försämrar varaktoms prestanda. Förutom detta utgör arrangemanget av det dielektriska skiktet ett extra moment vid fiamställningen av en varaktor.

I stora uppsättningar av kondensatorer som används i vissa elektroniska kretsar, och i synnerhet i stora uppsättningar av varaktorer (se till exempel: Drangmeister R. G. Et al., ”Fully Reconfigurable Microwave Millimetre wave Circuits Using MEMS” High Frequency Silicon Micromachining and Integration Workshop, MTT - S”98), ökar antalet kontaktband som krävs för att lägga på styrspänningar över var och en av kondensatorema med antalet kondensatorer, vilket resulterar i komplexa och mindre kostnadseffektiva utformningar. I mikrovågskretsar bryter dessutom de förbindande DC-banden avsevärt ner prestanda för kretsarna som bygger på uppsättningar av elektriskt styrda mikromekaniska kondensatorer.

Detta blir ett allvarligt problem for MEM-uppsättningar som används i mikrovågstillämpningar.

Icke mikromekaniska variabla kondensatorer styrda av belysning är också kända. US 3 911 297 lär till exempel ut en variabel kapacitansdiod som innefattar: ett substrat av halvledarrnaterial, ett skikt av glasartat amorft material deponerat på nämnda substrat och 10 l5 20 25 30 521 735 4 bildar en diodövergång. Skikten uppvisar olika sorters elektronisk konduktivitet. Dioden innefattar dessutom första och andra ledningsmedel för att åstadkomma ohmsk kontakt med nämnda substrat respektive skikt av glasartat amorfi material, och en källa till ljus med kontrollerbar intensitet optiskt kopplad till nämnda diodövergång för att förse övergången med ljus. Medel är ordnade för att variera intensiteten av ljuset från ljuskällan och därmed variera kapacitansen mellan nämnda forsta och andra ledningsmedel genom att ändra substratets karaktär. Liknande anordningar är också kända genom den intemationella patentansökan Nr. WO 92/ 04735.

Sammanfattning av uppfinningen.

Huvudändamålet med den föreliggande uppfinningen är att övervinna de förut nämnda nackdelarna förknippade med anordningar i enlighet med tidigare teknik.

Ett huvudsyfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla en mikroelektromekanisk anordning som kan utlösas optiskt.

Ett annat huvudsyfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla en optiskt styrd variabel mikroelektromekanisk kapacitans, en så kallad varaktor, i vilken ledama som är kopplade till en yttre drifikälla ( till exempel en driftkälla av likströmstyp) elimineras.

Ett annat syfte är att förbättra varaktorns elektriska prestanda, tillhandahålla en höggradi gt linjär anordning, med små eller inga läckströmmar.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att hålla mikrovågsförlustema låga (hög Q-faktor) i mikrovågstillämpningar.

Ett ytterligare huvudsakligt syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla en mikroelektromekanisk varaktor som är mindre mottaglig för kortslutning.

Dessutom är anordningen i enlighet med den föreliggande uppfinningen enkel att utforma och tillverka (företrädesvis med användning av konventionella framställningsprocesser), vilket gör anordningen mer kostnadseffektiv. 10 15 20 25 30 Av dessa skäl utgör nämnda halvledarskikt i den inledningsvis nämnda kondensatorn en spänningsgenerator, vilken när den utsätts för strålning producerar en spärming som laddar nämnda första och andra ledande skikt och inducerar nämnda elektrostatiskt genererade kraft.

Företrädesvis innefattar nämnda halvledarskikt ett halvledarskikt av typen p+ eller n+ med hög konduktivitet, ett n eller p-skikt med i huvudsak hög resistivitet och ett n+ eller p+ -skikt.

Alternativt består halvledarskiktet av en Schottky-barriär, p-n eller p-i-n ~dioder. I ett föredraget utförande är det första ledande skiktet deponerat på skiktet med hög konduktivitet och det andra ledande skiktet är deponerat på skiktet med hög resistivitet. Dessutom är det andra ledande skiktet elektriskt isolerat från skiktet med hög resistivitet genom ett dielektriskt (oxid) skikt och det andra ledande skiktet är galvaniskt kopplat till n+ eller p+ -skiktet med hjälp av en genomföring, vilken är elektrisk isolerad från n-skiktet med hjälp av omgivande väggar, vilka är tillverkade av ett dielektriskt (oxid) skikt. Företrädesvis tillhandahålls åtminstone nämnda andra skikt, vilket företrädesvis består av ett dielektriskt material, med en beläggning för att förhindra kortslutning mellan plattorna.

För att förhindra kortslutning mellan plattorna tillhandahålls i ett föredraget utförande en inre resistans mellan p+ och n+ -skikt och en inre kapacitans av p+-n-n+ -struktur, vilket resulterar i att när plattoma i den variabla kondensatorn kortsluts, så genereras en kortslutningsström vilket orsakar ett spänningsfall som i grunden är lika med en fotospänning i en öppen krets, vilket orsakar en minskning av spänningen på plattoma i kondensatom och följaktligen minskning av den elektrostatiskt bildade kraften mellan plattoma. F öreträdesvis varieras nämnda resistans åtminstone delvis genom att variera en del av ett tvärsnitt av åtminstone ett av nämnda skikt.

I ett fördelaktigt utförande består substratskiktet av halvledartyp av kisel, GaAs, InP etc., och hela den variabla kapacitansen är ordnad på ett substrat som består av metall, halvledande eller dielektriskt material.

För att exponera halvledarskiktet för strålningen är nämnda första ledande skikt genomsläppligt för strålning eller ordnat med öppningar. I ett alternativt utförande är halvledarskiktet exponerat för nämnda strålning sidosektioner eller från en bottensektion.

För att minimera förluster av optisk effekt väljs tj ockleken av p+ / n+ -skiktet företrädesvis så att det är mindre än eller jämförbart med ett optiskt penetrationsdjup för materialet vid lO 15 20 25 30 m to \1 (pl [Je våglängden av den styrande strålningssignalen. Företrädesvis definieras våglängden Ä för strålningen genom I. = 1,24 / Eg, där Eg är bandgapet för skíktet med hög resistivitet. Helst är strålningen en optisk belysning, vilken har en belysningsintensitet och nämnda intensitet och/ eller en tvärsnittsyta av en belysande stråle och/ eller ett belyst område är variabla. Den optiska belysningen har med fördel en CW (kontinuerlig våg) -komponent för att bestämma ett ingångsvärde för kapacitansen, och en variabel del av belysningen förändrar kapacitansen runt ett fast ingångsvärde.

I ett alternativt utförande är två halvledande övergångar kopplade i serie för att öka fotospänningen som tillhandahålls till kondensatorema.

I ett lågpassfilter som innefattar en variabel kapacitans i enlighet med uppfinningen och en induktans, där den variabla kapacitansen innefattar ett första ledande skikt, ett andra ledande skikt och ett halvledarskikt, nämnda första och andra skikt ordnade för att förskjutas relativt varandra under inflytandet av en elektrostatiskt genererad kraft, och nämnda halvledarskikt utgör en strålningsdetektor vilken, när den exponeras för en strålning, producerar en spänning som laddar nämnda första och andra ledande skikt och inducerar nämnda elektrostatiskt genererade kraft.

Det mikroelektromekaniska arrangemanget för omkoppling enligt uppfinningen innefattar en första kopplingsarm, en andra kopplingsarm och ett halvledarskikt, där nämnda kopplingsannar är ordnade för att förskjutas i förhållande till varandra under inflytande av en elektrostatiskt genererad kraft. Halvledarskiktet utgör en spänningsgenerator vilken, när den utsätts för strålning, producerar en spänning som laddar nämnda första och andra kopplingsarmar och inducerar nämnda elektrostatiska kraft.

Kortfattad beskrivning av ritningarna.

I det följ ande kommer uppfinningen att beskrivas ytterligare på ett icke begränsande sätt med hänvisning till de medföljande ritningarna i vilka: Fi g. l schematiskt illustrerar ett tvärsnitt genom en anordning enligt tidigare teknik; 10 15 20 25 30 F i g. 2 är ett schematiskt tvärsnitt av en variabel kapacitansdiod (varaktor) i enlighet med den föreliggande uppfinningen; Fig. 3 är ett schematiskt fágelperspektiv över varaktom i Fig. 2; Fig. 4 är ett schematiskt tvärsnitt av seriellt kopplade kapacitanser enligt uppfinningen; Fig. 5 - 11 är olika ekvivalenta kretsrepresentationer av kapacitansen i enlighet med uppfinningen; Fi g. 12 är ett schematiskt perspektiv över ett annat utförande av anordningen enligt uppfinningen; F ig. 13 är likvärdig kretsrepresentering av utförandet enligt F ig. 12; och Fig. 14 schematiskt visar ett tvärsnitt genom en mikroelektromekanisk omkopplare i enlighet med uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av utförandena.

F ig. 14 illustrerar en mikroelektromekanisk (MEM) omkopplingsanordning 100 i enlighet med uppfinningen. Anordningen 100 innefattar en första (övre) tunn metallisk platta 110, en andra (lägre) metallisk platta 120, ett substrat 130, ett halvledarskikt 140, en genomföring 150 och öppningar 160 för transmission av strålning. Halvledarskiktet 140 innefattar ett halvledarskikt av p+ -typ 170 med hög konduktivitet, ett resistivitetsskikt 180 och ett n+ -skikt 190. Skiktet 140 består av en huvuddel och ett steg som skjuter ut från huvuddelen.

Substratskiktet av halvledare är tillverkat av kisel, GaAs, InP etc., och substratet 130 består av metall, halvledande eller dielektriskt material.

De metalliska plattorna fungerar som brytararmar i omkopplaren. Den första armen 110 är deponerad ovanpå p+ -skiktet med hög konduktivitet på huvuddelen. Den andra armen 120 är deponerad på den stegforrnade sektionen av n-skiktet. Den andra armen 120 är skild från den 10 15 20 25 30 5 i? 'l 7 5 lä 8 första av ett smalt gap med vakuum eller luft. Den är elektriskt isolerad från n-skiktet genom ett dielektriskt (oxid) skikt 200. Den andra armen 120 är galvaniskt kopplad till n+ -skiktet via genomföringen 150. Genomföringen 150 år elektrisk isolerad från n-skiktet med hjälp av omgivande väggar av dielektriskt (oxid) skikt. De första och andra armama 110 respektive 120 utgör också omkopplingselementen i omkopplaren, till exempel en mikrovågsomkopplare.

Halvledarskikten av p+ och n-typ bildar en pli-n-övergång med en inre inbyggnadsspänning.

Den första armen 110 är delvis borttagen vilket tillhandahåller öppningar för passage av strålning från en källa (visas ej) till pïskiktet. När till exempel en optisk signal belyser p+- skiktets yta tränger strålningen igenom det halvledande pïskiktet och når n-skiktet 180, det genererar extra fria laddningsbårare och inducerar en (foto) spänning över plattorna i varaktom. Den inducerade fotospänningen appliceras till armarna 110 och 120, vilket genererar laddningar med olika tecken på plattorna. På grund av denna laddning bildas en elektrostatisk attraktionskraft (eller överfyllnadskraft, till exempel på grund av den mekaniska elasticiteten hos armama) mellan armarna.

Fig. 2 och 3 illustrerar en anordning i enlighet med den andra aspekten av uppfinningen. F ig. 2 är ett schematiskt tvärsnitt av en mikroelektromekanisk varaktor 10 i enlighet med uppfinningen och Fig. 3 är ett fågelperspektiv över samma varaktor. Varaktom 10 innefattar en första (övre) tunn metallisk platta 11, en andra (lägre) tunn metallisk platta 12, ett isolerande dielektriskt skikt 23, ett substrat 13, ett halvledarskikt 14, en genomföring 15 och öppningar 16 för transmission av strålning. Halvledarskiktet 14 innefattar ett halvledarskikt 17 av pïtyp med hög konduktivitet, ett n-skikt 18 med hög resistivitet och ett nïskikt 19.

Skiktet 14 är ordnat med en första huvudyta, en andra huvudyta åtskild från den första huvudytan i djupriktningen av skiktet 14 och en tredje huvudyta på andra sidan av skiktet mitt emot nämnda första och andra huvudytor.

Skiktet av halvledarsubstrat består av kisel, GaAs, InP etc., och substratet 13 består av metall, halvledande eller dielektrisk material.

Den första metalliska plattan i varaktom är deponerad på den första huvudytan, ovanpå pif- skiktet med hög konduktivitet på huvuddelen. Den andra metalliska plattan 12 är deponerad på den andra huvudytan, på n-skiktet. Den andra tunnfilms metalliska plattan 12 är åtskild 10 15 20 25 30 från den första med en smal lufispalt med avståndet d, vilket är ha(v) + hd», där ha(v) är luftspaltens tjocklek, och hd är tj ockleken av det dielektriska skiktet. Den är elektriskt isolerad från n-skiktet av ett dielektriskt (oxid) skikt 20. Det dielektriska skiktet 23 (< 0,5 um) är ordnat för att förhindra en kortslutning mellan plattorna ll och 12. Detta skikt är emellertid inte nödvändigt i alla utföranden, vilket kommer att diskuteras mer noggrant senare.

Den andra plattan 12 är galvaniskt kopplad till nïskiktet via genomföringen 15.

Genomföringen 15 är elektriskt isolerad från n-skiktet med hjälp av omgivande dielektriska (oxid) väggar.

De halvledande p+ och n-skikten bildar en pïn-övergång med en inre inbyggnadsspänning i enlighet med formel (1): v =(KT/q)111(11 p* / 1112) (1) i vilken K är Boltzmans konstant, T är arbetstemperaturen, ni, n och p+ är laddningstätheter i ni, n och pïskikt, och q är den elektroniska laddningen.

Delar av den första plattan tas bort såsom visas i Fig. 3, vilket tillhandahåller öppningar för passage av strålning från en källa (visas ej) till pïskiktet. När till exempel en optisk signal belyser ytan av pïskiktet 17 tränger den igenom p+ 17 och når n-skiktet 18 och genererar extra fria laddningsbärare, vilka inducerar en (foto) spänning över plattoma i varaktorn på grund av den fotogalvaniska effekten (se till exempel C. M. Cze, Physics of Semiconductor Devices). Den maximala fotogenererade spänningen definieras av formel ( 1). Den är i grunden mindre än 1 volt. Tj ockleken av pïskiktet väljs så att den är mindre än eller jämförbar med det optiska penetrationsdjupet i dessa material vid våglängden för den styrande optiska signalen, så att förlusterna av den optiska effekten minimeras. Av samma skäl kan plattan 11 ovanpå pïskiktet vara optiskt genomskinlig, eller så kan den, såsom visas, tillhandahållas med öppningar för att tillåta att den optiska belysningen når det halvledande pïskiktet. 10 15 20 25 30 (Il J ...à *J Os' 1:» f (_ Strålningens våglängd Ä definieras av Ä = 1,24 / Eg, där Eg är bandgapet för halvledarskiktet 18. Vitt ljus, variabel belysning, modulerad belysning etc. kan användas.

För att hålla mikrovågsförlustema låga bör dopingnivåema i p+ och n+-skikt vara så höga som möjligt, och dopingnivån i n-skikt bör vara så låg som möjligt. N-skiktets tjocklek hi anpassas till betingelsema för låg mikrovågsförlust, låg kapacitans i hela pïn-nir-strukturen och hög fotogalvanism. Tjockleken hm (z h, - d) deflnieras av given tröskelkapacitans vid nollspänning i varaktorn, och av det erforderliga minimivärdet för styrspänning (d. v. s. fotospänning). För spänningar omkring l till 50 V kan hm väljas så att luftspalten d är i intervallet omkring 0,5 till 50 um.

När pïskiktet exponeras för den optiska belysningen läggs den inducerade fotospänningen på över plattorna ll och 12 i varaktom, vilket genererar laddningar av motsatt tecken på plattorna. På grund av denna laddning bildas en elektrostatisk attraktion (eller överfyllnad) mellan plattoma i varaktorn, vilket förflyttar plattoma och varierar avståndet d mellan plattoma och följaktligen kapacitansen i enlighet med ett enkelt förhållande C = SOS / d, där so är dielektricitetskonstanten för vakuum, S är plattans yta och d är avståndet mellan plattorna.

Genom att variera intensiteten av den optiska belysningen och/ eller tvärsnittsytan av den belysande strålen och/ eller det belysta området är det möjligt att variera mängden av den fotogenererade spänningen , och därigenom varaktorns kapacitans. Den öppna kretsens fotospänning V ( i detta fall samma som spänningen över plattoma i varaktom) utvecklad över en enkel p-n-övergång ges av: V = (KT / q) ln(1 + IL / IS) (2) i vilken K är Boltzmans konstant, T är arbetstemperaturen, q är den elektroniska laddningen, IS är mättnadsströmrnen och kännetecknar given p-n-övergång, och , . ,. ....... .. .. , . -_l_ , . .. f .t »~ , _. .... - - .. , t... i _- _ ,., . .. . .i 10 . L. ._ ._ . , . . .. .- 10 15 20 25 30 512 'l 755 11 . . » ~ . w IL är en parameter ( i strömenheter) som är proportionell till den absorberade optiska effekten.

Den optiska belysningen kan innehålla en CW (kontinuerlig våg) komponent för att sätta ett ingångsvärde för kapacitansen. Sedan kommer den variabla delen av belysningen att ändra kapacitansen, d. v. s. att modulera kapacitansen runt det fasta ingångsvärdet.

I utförandet som visas i F ig. 4 är två halvledande pïn-övergångar kopplade i serie för att öka fotospänningen som levereras till varaktorerna l0a och l0b. Dessutom demonstrerar Fig. 4 att samma pïn-övergångar 21 kan användas för att utlösa två (eller flera) varaktorer samtidigt.

Var och en av varaktorerna l0a och l0b har samma konfiguration som varaktom som beskrivs i samband med beskrivningen av Fig. 2.

Representationerna av varaktom med ekvivalenta kretsar visas i Fig. 5 och 6b. I F i g. 5 innefattar kretsen en strålningsdetektor, såsom en fotodetektor, till exempel en fotodiod, parallellt med varaktorn. Fi g. 6b visar i större detalj en ekvivalent mikrovågskrets i vilken kapacitansen och resistansen över fotodetektorn har beaktats. Kretsens terminaler antas vara mikrovågsterrninaler.

Företrädesvis är varaktom utformad på ett sådant sätt att villkoren (i) och (ii) uppfylls: XV << XD (i) XV << R (ii) där XV = 1 / (coCv), XD = 1 / (coCD), u) = 21rfl f är frekvensen för en mikrovågssignal, Cv är varaktoms kapacitans, CD är kapacitansen hos pïn-nïstrukturen, och R är den ekvivalenta mikrovågsresistansen i fotodetektom. 10 15 20 25 30 5121 7255 12 Som tidigare nämnts är varaktom (eller omkopplaren) i enlighet med den föreliggande uppfinningen inte kritisk för kortslutningen mellan plattorna i motsats till kända varaktorer, vilka styrs med hjälp av en späfnningskälla. I enlighet med diagrammet över ekvivalent krets i Fig. 6a, som är en modifiering av kretsdiagrammet i Fi g. 6b i vilken rd representerar resistansen o p+ och nïskikt och CD är kapacitansen i pïn-nif-strukturen. I ett normalt tillstånd går ingen ström i kretsen och följaktligen finns inget spänningsfall över rd. All öppen kretsspänning läggs på över varaktom. När plattoma i varaktorn kortsluts genereras en kortslutningsström ISC, vilket resulterar i ett spänningsfall VSC š rd ~ ISC, i grunden lika med den öppna kretsens fotospänning i enlighet med formeln (1). Detta resulterar i en minskning av spänningen över plattorna i varaktom, och i enlighet med detta minskning av attraktionskraften mellan desamma. l praktiken kan ingen ström som är lika med en kortslutningsström genereras och kortslutning förhindras. Av detta skäl kan det dielektriska skiktet 23 elimineras såsom nämnts ovan.

Det är uppenbart att pif-n-nif-strukturema kan flyttas om och att belysningen kan appliceras från botten eller sidoytorna i strukturen. Alternativt kan piïn-nl-strukturen ersättas med en n+- p-pïstruktur.

Det framgår också klart att varaktom kan vara ordnad på en lämplig plats i ett komplext integrerat kretsarrangemang och den kan utlösas optiskt, till exempel genom en optisk fiber, fokuserande linser etc. utan att påverka prestanda för andra kretsar i arrangemanget.

I stället för p+-n-n+ eller nJr-p-pli-strukturer (allmänt kända som p-i-n-dioder) som nämns ovan är det möjligt att använda andra halvledande anordningar, såsom en Schottky-barriär, p-n- dioder eller liknande, för att generera fotogalvanism i öppen krets. I allmänhet är mikrovågsimpedansen och Q-faktorn för dessa dioder mindre jämfört med p-i-n-dioder. För att minska de negativa effektema av dessa dioder på mikrovågsprestanda för varaktom 10, måste transformatorema 22 användas mellan dessa dioder och varaktom såsom visas i Fig. 8 och 9. Sj älva transformatorn kan vara av en väl känd elektrisk eller fysisk struktur (se till exempel R. E. Collin, Foundations for Microwave Engineering, McGraW Hill, N. Y.). I synnerhet kan den vara ett lågpassfilter som bygger på punktforrnigt fördelade induktorer och kondensatorer för frekvenser f < 10 GHz såsom visas i Fig. 10. Vid högre frekvenser till exempel f > 10 GHz kan den vara en del av en transistorledning såsom visas i Fig. 11. 10 15 20 25 30 (_71 21 7525 13 Ledningens längd 1 och impedans ZO väljs genom att använda standardforrneln för impedanstransformation: Z_Z ZD+jZ0tanßl °Z0+jZDtanßl i vilken zD =<1/jXD +w<>fl ß är utbredningskonstanten, och XD är imaginärdelen av diodens impedans.

För ett givet ZD väljs ledningens ß, I och ZO så att Z -> oo såsom visas i Fig. 8. Med hänsyn till Fig. 9 väljs ß, l och ZO på ett sådant sätt att transformeringen ger Z -> 0.

Ett utförande som genomför en varaktor (eller omkopplare) i enlighet med uppfinningen illustreras i Fig. 12 med dess ekvivalenta kretsdiagram visat i Fi g. 13. Varaktorn (omkopplaren) 10” är ordnat som ett enkelt mikroband i en mikrovågs (eller annan elektromagnetisk) ~tillämpning, i vilken mikrovågorna passerar igenom substratet 13”, till exempel ett kiselsubstrat med hög resistivitet som är ordnat på ett jordplan 24, till exempel av ett ledande material såsom guld (Au). Detta speciella utförande illustrerar dessutom ett annat sätt att bilda varaktom, som består av två seriellt kopplade varaktorer lO”a och 10”b, som innefattar en gemensam ledande platta 11” och gemensamt nïskikt 19”. En pïn-övergång 17”; 18” är ordnad i huvudsak i plattans 19” centrala region och i likhet med tidigare beskrivna utföranden är den övre plattan 11” ordnad på pïn-övergången. Var och en av varaktorema 10”a och l0”b är försedda med den motsvarande andra plattan 12”a respektive 12”b. Dessutom kan skyddande skikt (visas ej) användas. I detta fall är tj ockleken hm i enlighet med F ig. 2 i huvudsak noll. Den övre plattan 11” är ordnad med öppningar 16” för att exponera skiktet 17 för strålningen/ belysningen. Terminalema a och b i F ig. 13 representerar varaktorns terminaler.

Dessutom utgör varje sektion 25 av skiktet 19” mellan regionen för skiktet 19” täckt av varje platta 12”a och 12”b en del av resistansen rb, i enlighet med F ig. 6a, vilket innebär att n, kan varieras genom att variera tvärsnittet av åtminstone denna sektion. 10 CTI ß) :Ä -b- \'.l l O! Uppfinningen är inte begränsad till de visade utfórandena, utan kan varieras på ett antal sätt utan att avvika från skyddsomfånget för de bifogade patentkraven och arrangemanget och metoden kan genomföras på olika sätt beroende på tillämpning, funktionella enheter, behov och krav etc. I ett utförande är det till exempel möjligt att ordna en första gemensam platta for två plr-n-övergångar som täcker en andra gemensam platta. Dessutom kan i stort sett alla relevanta drag hos varaktorn som nämns ovan och i patentkraven tillämpas på eller användas tillsammans med omkopplingsanordningen i enlighet med den Första aspekten av uppfinningen.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 Patentkrav . Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) innefattande ett första ledande skikt (11, l1°), ett andra ledande skikt (12, 12') och ett halvledarskikt (14, 14°), där nämnda första och andra ledande skikt (11, 11”, 12”a, 12”b) är ordnade för att förskjutas i förhållande till varandra under inflytande av en elektrostatiskt genererad kraft, kännetecknad av, att nämnda halvledarskikt (14, 14”) utgör en spänningsgenerator, vilken när den utsätts för en strålning producerar en spänning som laddar nämnda första och andra ledande skikt (l 1, l1”, 12, 12”a, l2'b) och inducerar nämnda elektrostatiskt genererade kraft. . Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt krav 1, kännetecknad av, att halvledarskiktet (14, 14”) innefattar ett halvledarskikt av p+-typ med hög konduktivitet (17, 17”), ett n-skikt (18, l8') med i huvudsak hög resistivitet och ett n+- skikt (19, 19°). . Variabe1kapacitans(10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt krav 1, kännetecknad av, att halvledarskiktet (14, 14”) innefattar ett halvledarskikt av plk-typ med hög konduktivitet (17, l7'), ett p-skikt (18, 18”) med i huvudsak hög resistivitet och ett p+- skikt (19, 19”). . Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt krav 1, kännetecknad av, att halvledarskiktet (14, 14°) består av en Schottky-barriär, p-n eller p-n-i-dioder. . Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt vilket som helst av krav 2 - 4, kännetecknad av, att det första ledande skiktet (1 1, 11°) är deponerat på skiktet med hög konduktivitet (17, 17'). 10 15 20 25 30 10. ll. 5 2 'I 7 5 5 16 Variabel kapacitans (10, 10a, lOb, 10'a, 10'b) enligt vilket som helst av krav 2 - 4, kännetecknad av, att det andra ledande skiktet (12, l2'a, l2°b) är deponerat på skiktet med hög resistivitet. Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt krav 2, kännetecknaa' av, att det andra ledande skiktet (12, l2'a, 12”b) är elektriskt isolerat från skiktet med hög resistivitet genom ett dielektriskt (oxid) skikt (20). Variabel kapacitans (10, 10a, l0b, 10'a, 10'b) enligt krav 2, kännetecknad av, att det andra ledande skiktet (12, l2”a, l2°b) är galvaniskt kopplat till nïskiktet via en genomföring (15). Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, lO'a, 10'b) enligt krav 3, kännetecknaa' av, att det andra ledande skiktet (12, l2”a, l2'b) är galvaniskt kopplat till pïskiktet via en genomföring (15). Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt krav 8 eller 9, kännetecknad av, att genomtöringen (15) är elektriskt isolerad från n-skiktet med hjälp av omgivande väggar. Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt krav 10, kännetecknad av, att nämnda väggar består av ett dielektriskt (oxid) skikt. 10 15 20 25 30 12. 13. 14. 15. 16. Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, l0'a, 10'b) enligt vilket som helst av föregående krav, kännetecknad av, att en inre resistans (rd) mellan p+ och nïskikten och en inre kapacitans (CD) av p+-n- nïstruktur tillhandahålls vilket resulterar i att när plattorna (1 1, 1l”, 12, 12°a, l2”b) i den variabla kondensatorn (10, 10a, 10b, l0'a, 10'b) kortsluts, genereras en kortslutningsström (ISC), vilket resulterar i ett spänningsfall (VSC z rd * ISC) i grunden lika med fotospänningen i en öppen krets som resulterar i en minskning av spänningen över plattoma i varaktom och följaktligen minskning av den elektrostatiskt genererade kraften mellan plattoma. Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, l0'a, 10'b) enligt krav 12, kännetecknad av, att nämnda resistans (rb) åtminstone delvis varieras genom att variera åtminstone en del av ett tvärsnitt av åtminstone ett av nämnda skikt. Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, l0'a, 10'b) enligt vilket som helst av föregående krav, kännetecknar! av, att åtminstone nämnda andra skikt (12, l2°a, l2”b), företrädesvis av ett dielektriskt material, tillhandahålls med en beläggning för att förhindra kortslutning. Variabel kapacitans ( 10, 10a, 10b, l0'a, 10'b) enligt vilket som helst av föregående krav, kännetecknad av, att halvledarsubstratskiktet består av kisel, GaAs, InP etc. Variabel kapacitans ( 10, 10a, 10b, l0'a, 10'b) enligt vilket som helst av föregående krav, kännetecknad av, att den variabla kapacitansen är ordnad på ett substrat (13, 13') bestående av metall, halvledande eller dielektriskt material. 10 15 20 25 30 17. 18. 19. 20. 21. 22. 521 7523 ....-~_~ , ._ - ~;* . -:-.:°- n °" Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt vilket som helst av krav 2 - 16, kännetecknar! av, att nämnda första ledande skikt (11, 11°) är transparent för strålning eller ordnat med öppningar (16, l6') för att exponera nämnda halvledarskikt lör nämnda strålning. Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt vilket som helst av krav 2 _ 16, kännetecknad av, att nämnda halvledarskikt är exponerat för nämnda strålning från sidosektioner eller en bottensektion. Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt krav 2 eller 3, kännetecknad av, att tjockleken av p+/n+-skiktet väljs för att vara mindre än eller jämförbar med ett optiskt penetrationsdjup för materialet vid våglängden för den styrande strålningssignalen. Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt vilket som helst av krav 1 e 19, kännetecknaa' av, att våglängden Ä för strålningen är definierad av Ä = 1,24 / Eg, där Eg är bandgapet lör skiktet (18, l8”) med hög resistivitet. Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt krav 20, kännetecknad av, att strålningen är en optisk belysning. Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, 10'a, 10'b) enligt krav 21, kännetecknad av, att nämnda belysning har en intensitet och nämnda intensitet och / eller en tvärsnittsyta av en belysande stråle och/ eller ett belyst omrâde kan varieras. 10 15 20 25 30 23. 24. 25. 26. 27. 521 7255 19 Variabel kapacitans (10, 10a, 10b, l0'a, 10'b) enligt krav 21 eller 22, kännetecknad av, att den optiska belysningen har en CW (kontinuerlig våg) -komponent för att sätta ett initierat värde för kapacitansen, och att en variabel fraktion av belysningen förändrar kapacitansen kring ett fast initierat värde. Variabel kapacitans (l0a, l0b) enligt vilket som helst av föregående krav, kännetecknad av, att två halvledarövergångar är kopplade i serie för att öka fotospänningen som levereras till kondensatorema (l0a, l0b). Lågpassfilter innefattande en variabel kapacitans och en induktans, kännetecknar av, att den variabla kapacitansen innefattar ett forsta ledande skikt, ett andra ledande skikt och ett halvledarskikt, där nämnda forsta och andra skikt är ordnade för att förskjutas i förhållande till varandra under inflytande av en elektrostatiskt genererad kraft, och att nämnda halvledarskikt utgör en strålningsdetektor, vilken när den exponeras för en strålning producerar en spänning som laddar nämnda första och andra ledande skikt och inducerar nämnda elektrostatiskt genererade kraft. Mikroelektromekaniskt omkopplingsarrangemang (100) innefattande en första kopplingsarm (110), en andra kopplingsarm (120) och ett halvledarskikt (140), där nämnda kopplingsarmar (11, 1l°, 12, l2°) är ordnade för att förskjutas i förhållande till varandra under inflytande av en elektrostatiskt genererad kraft, kännetecknar av, att nämnda halvledarskikt (140) utgör en spänningsgenerator, vilken när den utsätts för en strålning producerar en spänning som laddar nämnda första och andra kopplingsarmar (110, 120) och inducerar nämnda elektrostatiskt genererade kraft. Arrangemang (100) enligt krav 26, kännetecknar av, att halvledarskiktet (140) innefattar ett halvledarskikt (1 70)av p+-typ med hög konduktivitet, ett n-skikt (180) med i huvudsak hög resistivitet och ett n+-skikt (190). 10 15 28. 29. 30. 31. (TI PO .à Q (14 (N 20 Arrangemang (100) enligt krav 26, kännetecknar av, att halvledarskiktet (140) består av en Schottky-barriär eller p-n-dioder. Arrangemang (100) enligt vilket som helst av krav 26 - 28, kännetecknat av, att det första ledande skiktet (110) är deponerad ovanpå pïskiktet (170) med hög konduktivitet. Arrangemang (100) enligt vilket som helst av krav 26 - 29, kännetecknat av, att nämnda ledande skikt (120) är deponerat på en stegformad sektion av n-skiktet. Arrangemang ( 100) enligt vilket som helst av krav 26 - 30, kännetecknat av, att nämnda kopplingsarmar (110, 120) tillhandahålls med kontaktmedel (220).