На первых этапах развития радиотехнических систем связи широко использовались электровакуумные приборы: лампы, магнетроны, клистроны и т. д. Они позволили освоить СВЧ-диапазон, однако не всегда удовлетворяли по таким параметрам, как миниатюрность, надежность, энергопотребление. Взгляды радиоинженеров все чаще обращались к микроэлектронике. Именно микроэлектронные устройства позволяли получить высокую надежность при малом энергопотреблении, малые габариты и низкую цену обработки одного бита информации.

Известно, что в любой электронной аппаратуре различают пассивные и активные элементы, линии межсоединений. В традиционной микроэлектронике линии межсоединения выполняются в виде алюминиевых полосок, и проблем их создания в интегральных схемах не возникает вплоть до высокой степени интеграции. Иное дело - межсоединения в СВЧ-диапазоне. В микроэлектронной СВЧ-аппаратуре различают иерархические уровни соединений.

Нулевой конструктивно-технологический уровень составляют межэлементные соединения. Они связывают в схему с определенными функциями пассивные и активные элементы.

Первый уровень составляют соединения в гибридных микросхемах СВЧ-диапазона, связывающие на плате бескорпусные микросхемы, навесные пассивные и активные электрорадиоэлементы.

Ко второму уровню межсоединений относятся проводники, соединяющие гибридные микросхемы, корпусированные полупроводниковые микросхемы, дискретные электрорадиоэлементы в ячейки или микросборки. В свою очередь, как правило, межсоединения этих уровней представляют собой микрополосковые перемычки или полосково-коаксиальные переходы.

Ячейки, или микросборки, а также электрорадиоэлементы коммутируются в блоки СВЧ с помощью межсоединений третьего уровня, выполненных в виде микрополосковых перемычек или полужестких кабелей.

На следующих уровнях межсоединений используют СВЧ-кабели, не представляющие интерес для микроэлектроники.

А вот микрополосковые линии (МПЛ) весьма интересны с точки зрения физической электроники. МПЛ представляет собой проводник ленточного типа шириной W, прямоугольного сечения, расположенный на подложке толщиной h с высокой диэлектрической проницаемостью. Обратная сторона подложки металлизирована и заземлена. Микрополосковая линия такой конструкции обладает волновым сопротивлением, зависящим от соотношения W/h и величины диэлектрической проницаемости, а также от коэффициента потерь, от дисперсии и предельной передаваемой мощности. При конструировании устройств СВЧ появляется необходимость изменения геометрических размеров МПЛ, что получило название неоднородности МПЛ.

К пассивным элементам СВЧ-диапазона относят резисторы, конденсаторы и индуктивности.

Эффект электрического сопротивления прохождению тока в СВЧ-диапазоне возникает в неоднородностях микрополосковых линий в емкостях, образующихся в воздушных промежутках, диэлектрических материалах, окисных пленках между кристаллами.

Конденсаторы микросхем СВЧ-диапазона также изготовляются на основе МПЛ. Малые номиналы (несколько пикофарад) можно получить на разрывах МПЛ, большие реализуются в конструкции типа гребенчатого конденсатора. Для получения конденсаторов емкостью более 10 пФ используют многослойные структуры.

Индуктивность как элемент СВЧ-схем может быть реализована в виде прямоугольного обрезка МПЛ со скачком по ширине, или в форме круглой и квадратной спирали.

К пассивным элементам можно условно отнести диоды СВЧ-диапазона, которые не генерируют колебаний.

Диод с барьером Шотки представляет собой выпрямляющий контакт металл - полупроводник. Он работает на основных носителях заряда, неосновные не накапливаются. Время восстановления обратного сопротивления примерно 10^-8 с, что позволяет использовать такие подложки до частот 300 ГГц.

Диод p- и i-структуры формируется на основе обедненного i-слоя между p- и n-областями. Обладает высоким пробивным напряжением, способен работать при напряжении >1кВ и мощности в импульсе примерно 10 кВт.

Существуют конструкции диодов, обладающие S- или N-образными вольтамперными характеристиками. Такие диоды на определенных участках ВАХ имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и, стало быть, способны генерировать электромагнитные колебания. Эти диоды и триодные структуры отнесем к активным элементам СВЧ-микросхем.

Лавинно-пролетный диод работает на основе лавинного пробоя p-n-перехода при высоких обратных напряжениях. На его основе можно создать достаточно мощные диоды, работающие в гигагерцовом диапазоне частот.

Туннельные диоды представляют собой p-n-переходы с туннельным эффектом. Они обладают широкополосностью, низким уровнем шума, высокой температурной стойкостью.

Диод Ганна в основе своей конструкции имеет невыпрямляющий контакт металл-полупроводник. Работает в гигагерцовом диапазоне частот при значительных мощностях импульсов.

Однако наибольший интерес как активные элементы представляют полевые и биполярные транзисторы.

Главное их отличие от традиционных транзисторных структур микроэлектроники - материал. Если в традиционной микроэлектронике все структуры выполняются на кремниевых подложках того или иного типа проводимости, то в микроэлектронике СВЧ используются полупроводниковые соединения типа AIII BV или AII BIV. Чтобы понять, почему эти материалы предпочтительней кремния, сделаем экскурсию в физику полупроводников.

Основные носители в полупроводнике в отсутствие электрического поля совершают хаотическое тепловое движение, изменяя его направление в результате столкновения с ионами примеси - донорами, или акцепторами. Столкновения эти не следует понимать буквально, как, например, столкновения двух бильярдных шаров. Речь идет о взаимодействии электрических полей зарядов подвижных носителей и неподвижных ионов примеси. Атомы основного вещества, хотя и более многочисленные, в этих процессах практически не принимают участия ввиду их электрической нейтральности. Чем выше концентрация примеси в полупроводнике, тем короче будет длина свободного пробега носителей.

В электрическом поле на тепловое движение носителей накладывается упорядоченная составляющая - дрейф. Продолжая хаотическое движение, носители начинают смещаться вдоль линий электрического поля в направлении, определяемом знаком носителя. Подвижность носителей связывает скорость движения и напряженность поля. Другими словами, значение подвижности - это скорость носителей в единичном поле.

Линейная зависимость сохраняется лишь при относительно низких значениях напряженности поля. В сильных полях наблюдается насыщение скорости дрейфа. Это также важная характеристика полупроводников с точки зрения использования их на высоких частотах. Отметим также, что с ростом степени легирования концентрация центров рассеивания растет, а подвижность падает. Наряду с дрейфом имеет место еще один вид упорядоченного движения - диффузия. Столкновение при движении носителя в направлении их более высокой концентрации более вероятно, чем при движении носителя в направлении низких концентраций. В силу этого носители будут распространяться из области с высокой концентрацией в область с низкой конценртацией.

Первыми в "борьбу" за освоение СВЧ-диапазона вступили наиболее распространенные в то время биполярные транзисторы. Движение носителей через электрически нейтральную базу в них имело диффузионный характер, и скорость протекания этих процессов определялась скоростями диффузии. Скорости диффузии, естественно, были меньше скорости дрейфа. Это обстоятельство требовало максимального уменьшения ширины базы, что приводило к возрастанию сопротивления базы и ухудшало частотные свойства. Снизить величину сопротивления базы можно было повышением степени легирования, но при этом концентрации примесей в эмиттере и базе становились сравнимыми и коэффициент инжекции доходил до 0,5. Усилительные свойства транзистора резко падали, усиление по току в схеме с общим эмиттером приближалось к 1. Поиски путей преодоления этих трудностей привели к развитию техники полевых транзисторов и к использованию арсенида галлия, имеющего более высокую подвижность носителей.

Полевые транзисторы основаны уже не на диффузионном, а на дрейфовом механизме движения носителей. Возможности современной технологии позволили уменьшить длину канала до нескольких десятых долей микрона. Однако вскоре и здесь пришлось повышать концентрацию носителей в области канала, иначе при небольшом объеме количество носителей в ней становится очень мало и эффективность управления проводимостью канала с помощью затвора падает. Но повышение концентрации примесей в области канала снижает подвижность, а следовательно, ухудшает частотные свойства, так как пролетные времена возрастают.

Существенное изменение в сложившейся ситуации внесло развитие работ в области гетеропереходов. В отличие от гомогенных переходов они образуются между двумя областями различных полупроводников с принципиально различными электрофизическими свойствами. Главным образом это относится к ширине запрещенной зоны.

Если в гомопереходах высота барьера в отсутствие внешнего напряжения в обоих направлениях одинакова, то для гетеропереходов условия прохождения носителей через переход в ту и другую сторону существенно отличаются. Использование этого эффекта в эмиттерных переходах биполярных транзисторов позволило существенно поднять коэффициент инжекции при сильном легировании базовой области. Это явление получило название суперинжекции. При одновременном использовании GaAs в качестве материала базы и коллектора это позволило существенно расширить частотный диапазон биполярных транзисторов. Кроме того, большая по сравнению с Si ширина запрещенной зоны GaAs допускает большую рассеиваемую мощность, а следовательно, дает возможность повысить при этом и отдаваемую мощность.

Еще более существенный эффект дало применение гетеропереходов в полевых транзисторах. Полевые транзисторы с изолированным затвором и особенно с затвором в виде барьера Шотки довольно быстро вписались в конструкции СВЧ-приборов, существенно обгоняя биполярные транзисторы в освоении частотных рубежей. При этом, как уже отмечалось, при малой длине и малом объеме канала стали ощутимыми противоречивые требования к высокой подвижности и высокой концентрации носителей в канале. И здесь пришли на помощь гетеропереходы.

С помощью гетеропереходов в полевых транзисторах создается тонкий, проницаемый для электронов барьерный слой. По одну сторону этого барьерного слоя расположена сильно легированная донорами область, по другую - глубокая потенциальная яма (квантовый колодец). Электроны, содержащиеся в большом количестве со стороны сильно легированной области, в результате диффузии переходят в соседнюю область, где и "падают" по другую сторону границы раздела в глубокий потенциальный колодец, из которого уже не могут вернуться обратно к покинутым ими ионам доноров.

Обогащенный электронный слой используется в качестве области канала. При высокой концентрации электронов в нем мало центров рассеивания. В результате в этом слое можно получить очень высокие значения подвижности при высокой плотности носителей заряда. Слой этот крайне тонок. При качественном рассмотрении процессов его толщиной пренебрегают и говорят о двухмерном электронном газе (ДЭГ).

При толщине менее 100 ангстрем этот слой характеризуется двухмерной концентрацией электронного порядка 10¹² см^-2, что приблизительно соответствует объемной концентрации в 10¹⁹ см^-3. В результате в слое ДЭГ можно получить подвижность электронов в 6500 см²/В•с) (в сильно легированном GaAs 1500 см²/В•с). Другими словами, практически без потери подвижности таким способом удается на 2-3 порядка и более поднять концентрацию носителей, а также предельное значение скорости дрейфа.

Транзисторы такого типа называют транзисторами с высокой подвижностью электронов. Их не следует путать с другими разновидностями, такими, например, как транзисторы на горячих электронах, баллистические или транзисторы с проницаемой базой.