Анализ кинетики электрических характеристик субгармонического смесителя СВЧ-радиосигналов на базе резонансно-туннельного диода под действием эксплуатационных факторов

Аннотация

Исследован диодный субгармонический смеситель частот СВЧ-диапазона на второй гармонике гетеродина. В качестве нелинейного элемента применен AlGaAs резонансно-туннельный диод. Показано, что, используя резонансно-туннельный диод, можно повысить показатели назначения --- мощность однодецибельной компрессии, точку пересечения продуктов интермодуляции 3-го порядка, верхнюю границу рабочего диапазона частот --- по сравнению со смесителем частот на базе двух диодов с барьером Шоттки. Исследованы вероятностные характеристики и кинетика электрических параметров смесителя в результате действия технологических и эксплуатационных факторов для получения оценки гамма-процентного ресурса. В качестве технологических факторов рассмотрены конструкторско-технологические погрешности на этапах производства диода и смесителя, а также деградационные процессы в элементах конструкции диода, в качестве дестабилизирующего фактора эксплуатации --- высокая температура. Необратимые изменения электрических характеристик смесителя приведены как результат деградационных процессов, протекающих в многослойной полупроводниковой гетероструктуре диода, вследствие чего меняются форма его вольт-амперной характеристики и параметры смесителя. Построена кинетика вольт-амперной характеристики диода и электрических характеристик смесителя с учетом их технологического разброса. Получена оценка гамма-процентного ресурса смесителя для заданных условий эксплуатации. Даны рекомендации по повышению надежности смесителя посредством конструкторско-технологической оптимизации параметров конструкции диода и смесителя

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (проект № 22-19-00455, https://rscf.ru/project/22-19-00455)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Черкасов К.В., Мешков С.А., Макеев М.О. и др. Анализ кинетики электрических характеристик субгармонического смесителя СВЧ-радиосигналов на базе резонансно-туннельного диода под действием эксплуатационных факторов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2025, № 2 (151), с. 35--47. EDN: SXYRPI

Литература

[1] Mizuta H., Tanoue T. The physics and applications of resonant tunnelling diodes. Cambridge, Cambridge University Press, 2010.

[2] Nagatsuma T., Fujita М., Kaku А., et al. Terahertz wireless communications using resonant tunneling diodes as transmitters and receivers. Procs. of Int. Conf. on Telecommunications and Remote Sensing, 2014, vol. 1, pp. 41--46. DOI: https://doi.org/10.5220/0005421000410046

[3] Maekawa T., Kanaya H., Suzuki S., et al. Oscillation up to 1.92 THz in resonant tunneling diode by reduced conduction loss. Appl. Phys. Express, 2016, vol. 9, no. 2, art. 024101. DOI: https://doi.org/10.7567/APEX.9.024101

[4] Diebold S., Tsuruda K., Kim J.-Y., et al. A terahertz monolithic integrated resonant tunneling diode oscillator and mixer circuit. Procs. SPIE, 2016, vol. 9856, art. 98560U. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2225209

[5] Wang J., Al-Khalidi A., Zhang C., et al. Resonant tunneling diode as high speed optical/electronic transmitter. 10th UCMMT, 2017. DOI: https://doi.org/10.1109/UCMMT.2017.8068497

[6] Srivastava A. Microfabricated terahertz vacuum electron devices: technology, capabilities and performance overview. EJAET, 2015, vol. 2, no. 8, pp. 54--64.

[7] Vasilyev F., Isaev V., Korobkov M. The influence of the PCB design and the process of their manufacturing on the possibility of a defect-free production. Przeglad Elektrotechniczny, 2021, vol. 97, no. 3, pp. 91--96. DOI: https://doi.org/10.15199/48.2021.03.18

[8] Khayrnasov K.Z. Modeling and thermal analysis of heat sink layers of multilayer board. Amazonia Investiga, 2019, vol. 8, no. 23, pp. 664--670.

[9] Sokolsky M.L., Sokolsky A.M. Electrochemical migration: stages and prevention. Amazonia Investiga, 2019, vol. 8, no. 22, pp. 757--765.

[10] Мешков С.А. Методология учета технологических и эксплуатационных факторов при проектировании микро- и наноприборов. Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2019, т. 62, № 10, с. 921--928. DOI: https://doi.org/10.17586/0021-3454-2019-62-10-921-928

[11] Makeev M.O., Sinyakin V.Yu., Meshkov S.A. Reliability prediction of resonant tunneling diodes and non-linear radio signal converters based on them under influence of temperature factor and ionizing radiations. Adv. Astronaut. Sc., 2020, vol. 170, pp. 655--665.

[12] Makeev M.O., Sinyakin V.Yu., Meshkov S.A. Reliability prediction of RFID passive tags power supply systems based on RTD under given operating conditions. MATEC Web Conf., 2018, vol. 224, art. 02095. DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/201822402095

[13] Makeev M.O., Meshkov S.A., Cherkasov K.V. Modeling of resonant-tunneling diodes I-V characteristics’ kinetics under destabilizing factors’ influence during operation. RusAutoCon, 2019. DOI: https://doi.org/10.1109/RUSAUTOCON.2019.8867795

[14] Cherkasov K.V., Meshkov S.A., Makeev M.O. The software package for modeling and optimizing the electrical characteristics of non-linear frequency converters of radio signals based on resonant tunneling diodes. RusAutoCon, 2020, pp. 664--669. DOI: https://doi.org/10.1109/RusAutoCon49822.2020.9208210

[15] Henini M. Molecular beam epitaxy: from research to mass production. Amsterdam, Elsevier, 2012.

[16] Mack C.A. Fundamental principles of optical lithography. London, John Wiley & Sons, 2007.

[17] Mack C.A. Field guide to optical lithography. Washington, SPIE Press, 2006.

[18] Алкеев Н.В. Расчет параметров субгармонического смесителя на резонансно-туннельном диоде. Радиотехника и электроника, 2003, т. 48, № 4, с. 508--514. EDN: OOQEAV

[19] Алкеев Н.В. Анализ шумовых и динамических свойств субгармонического смесителя на резонансно-туннельном диоде. Радиотехника и электроника, 2004, т. 49, № 10, с. 1258--1263. EDN: OWKAGR

[20] Ветрова Н.А., Иванов Ю.А., Мешков С.А. и др. Перспективы разработки нелинейных преобразователей радиосигналов на базе резонансно-туннельных нанодиодов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2012, № 4 (89), с. 100--113. EDN: PIWTPZ

[21] Arykov V.A., Anichenko E.V., Erofeev T.V., et al. 150 nm copper metalized GaAs pHEMT with Cu/Ge ohmic contacts. 5th European Microwave Integrated Circuits Conf., 2010, pp. 166--169.

[22] Karbownik P., Baranska A., Szerling A., et al. Low resistance ohmic contacts to n-GaAs for application in GaAs/AlGaAs quantum cascade lasers. Optica Applicata, 2009, vol. 39, no. 4, pp. 655--661.

[23] Shin Y.-C., Murakami M., Wilkie E.L., et al. Effects of interfacial microstructure on uniformity and thermal stability of AuNiGe ohmic contact to n-type GaAs. J. Appl. Phys., 1987, vol. 62, no. 2, pp. 582--590. DOI: https://doi.org/10.1063/1.339860

[24] Stock J., Malindretos J., Indlekofer K.M., et al. A vertical resonant tunneling transistor for application in digital logic circuits. IEEE Trans. Electron. Devices, 2001, vol. 48, no. 6, pp. 1028--1032. DOI: https://doi.org/10.1109/16.925221