http://peachgirl.ru/zhenskaya-obuv-praktichnye-i-stilnye-modeli-na-lyuboj-sezon/index.html

Курс лекций по электротехнике. Задачи курсовой

Высокочастотные полевые транзисторы

Физические основы работы квантовых приборов оптического диапазона В отличие от электронных приборов, в которых для усиления или генерации электромагнитного поля используется энергия свободных носителей зарядов, в квантовых приборах используется, как правило, внутренняя энергия микрочастиц (энергия атомов, ионов, молекул). При этом сами микрочастицы могут находиться в движении. Исключением является полупроводниковый лазер, в котором используются потоки свободных носителей заряда, однако излучение света связано с квантовыми эффектами (излучательная рекомбинация).Электроны, входящие в состав микрочастиц, называются связанными.

Квантовые переходы В твердых телах взаимодействие частиц становится настолько сильным, что образуются зоны с очень близко расположенными уровнями, между этими зонами имеются зоны запрещенных значений энергии (запрещенные зоны). Уровень, соответствующий наименьшей допустимой энергии микрочастицы, называется основным, а остальные – возбужденными.

Возможность усиления электромагнитного поля в квантовых системах То обстоятельство, что вынужденное излучение возбужденных микрочастиц при переходах с верхнего энергетического уровня на нижний когерентно (совпадает по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения) с вынуждающим, наталкивает на мысль о возможности использования вынужденных переходов для усиления электромагнитного поля. Чтобы оценить возможность такого усиления, рассмотрим обмен энергии между полем и веществом.

Электромагнитное поле и параметры сред. Современная физика признает 2 формы существования материи: вещество и поле. Нам известны многие разновидности полей: электромагнитные, силовые, внутриядерных и других взаимодействий. Во многом свойства их сходны. Вещество состоит из дискретных элементов (молекул, атомов ...). Движущееся электромагнитное поле тоже можно представить в виде потока дискретных частиц — фотонов. Электромагнитное поле характеризуется энергией, массой, импульсом. Масса и импульс характерны только движущемуся электромагнитному полю (электромагнитное поле не имеет массы покоя). Энергия электромагнитного поля может преобразовываться в другие виды энергии. Электромагнитное поле подвержено действию гравитационных сил. С другой стороны поток материальных частиц способен реализовать явление дифракции, интерференции, которые присущи электромагнитным волнам

Векторы магнитного поля. Сила взаимодействия электромагнитного поля на точечный электрический заряд зависит не только от величины и положения заряда, но также от скорости и направления его движения. Как известно, сила, действующая на положительный точечный электрический заряд движущийся в магнитном поле определяется силой Лоренца:  

Классификация сред. Свойства сред характеризуются электродинамическими параметрами, к которым относятся eа, mа, s (s — объемная удельная проводимость [См/м]). В зависимости от свойств электродинамические параметры среды делятся на: линейные и нелинейные. Среды, в которых электродинамические параметры не зависят от электрических и магнитных полей называются линейными. Среды, в которых наблюдается зависимость (eа, mа, s) = f (E,H) называются нелинейными. В природе все среды следует рассматривать как нелинейные. Тем не менее, большинство сред при малых полях со слабо выраженной зависимостью от величины поля для простоты полагают линейными. В свою очередь линейные среды делятся на: однородные, неоднородные, изотропные и анизотропные.

Основные уравнения электродинамики. В электродинамике часто пользуются понятием точечного заряда. Под ним будем понимать заряженные тела, размеры которых значительно меньше расстояния между телами. В тех случаях, когда заряженные тела нельзя считать точечными для описания распределения зарядов вводят понятие объемной плотности электрического заряда в точке

Высокочастотные полевые транзисторы. Характеристики и параметры

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал, управляемый электрическим полем.

Полевые транзисторы были запатентованы в Англии в 1939 г., задолго до появления БT. Kонструктивно-технологические отличия ПT, вытекающие из их принципа действия, позволяют повысить частотную границу СВЧ-транзисторных устройств по сравнению с устройствами на основе БT.

Принцип действия ПT заключается в том, что при изменении напряжения на затворе меняются эффективная ширина пролетного канала и соответственно ток в цепи исток — сток. Полевые транзисторы различаются по методу управления потоком основных носителей заряда, движущихся в полупроводниковом канале. Они могут иметь изолированный затвор, затвор на основе p-n-перехода или затвор на основе барьера Шоттки. Полевые транзисторы с p-n-переходом не позволяют существенно увеличивать уровень мощности вследствие низких допустимых напряжений и малой площади поверхности, отводящий теплоту.

Наиболее широкое применение на СВЧ находят ПТ с барьером Шоттки (рис. 9.5). В таких транзисторах в высокоомной подложке 1, выполненной из GаAs, создан эпитаксиальный проводящий канал 2 n-типа. Через невыпрямляющие контакты, образованные n+- областями 3 и металлическими пленками 4 и 6, канал 2 подсоединен к выводам истока И и стока C. Между истоком и стоком расположен затвор 5, у которого на границе с n-каналом образован барьер Шоттки. При подаче напряжения между стоком и истоком через n-канал протекает электронный ток. Отметим, что подвижные носители заряда в ПT вводятся в n-канал и выводятся из него через невыпрямляющие контакты. Поэтому ПT относят к однополярным (униполярным) полупроводниковым приборам.

Затвор 5 используется в ПT для управления током транзистора с помощью внешнего сигнала. При протекании тока через канал возникает падение напряжения на распределенном сопротивлении канала вдоль его длины. Поэтому часть барьера Шоттки, расположенная ближе к стоку, оказывается сильнее смещенной в обратном направлении, чем остальная часть транзистора. Это приводит к несимметричному расширению слоя обедненного заряда 7 под затвором (на рис. 9.5 область 7 заштрихована). Область обедненного слоя может расширяться до высокоомной подложки 1 и перекрывать проводящий канал. При этом ток транзистора в цепи исток — сток практически перестает зависеть от напряжения стока; наступает режим насыщения тока исток — сток на рабочем участке характеристики транзистора. Характерные размеры БТ: ширина затвора 0,2—2 мм, длина затвора 0,5—2 мкм толщина эпитаксиальной пленки 0,15—0,5 мкм.

Рис. 9.5. Структура полевого СВЧ-транзистора с затвором Шоттки (а), топологическая схема транзистора гребенчатого типа (б) и транзистора с двумя выводами затвора (в):

1-подложка; 2 - канал; 3 - области n+ - вывода истока и стока;

4 - исток; 5 - затвор; 6 - сток; 7 -обедненная область

Повышение обратного смещения на электроде затвора вызывает увеличение ширины обедненной области и тем самым сужение n–канала. При этом возрастает сопротивление n-канала и уменьшается ток стока. Таким образом осуществляется модуляция электронного потока в n-канале с помощью внешнего управляющего напряжения.

В соответствии с общим определением граничной частоты транзистора fгp как частоты, на которой коэффициент передачи входного тока равен единице. Тогда

  (9.10)

где tпр - время пролета электронов через канал.

Таким образом, граничная частота определяется временем пролета электронов в канале tnp, минимальное значение которого достигается при движении электронов со скоростью насыщения uнас и равно

tпр = L/uнас . (9.11)

где L — длина канала; L = l1 + l2 +l3 ;

Очевидно, что для получения высокочастотных приборов необходимо обеспечить малую длину канала и большую дрейфовую скорость насыщения. Из этих условий вытекает ряд требований к материалу транзистора и к размерам его электродов. В качестве материала канала в ПT используют преимущественно арсенид галлия GаAs. Это объясняется тем, что подвижность электронов в этом материале примерно в 6 раз выше, чем в кремнии.

Однако сокращая L, нужно одновременно уменьшать и глубину канала wк (рис. 9.5) так, чтобы выполнялось условие L/wк> 1, в противном случае затвор транзистора не сможет эффективно контролировать движение электронов в канале. Для уменьшения wк используют более высокий уровень легирования канала, не превышающий, однако, 5·1017см-3 (во избежание пробоя). При таком уровне легирования минимальная длина затвора ограничена значением около 0,1 мкм, что соответствует граничной частоте fгр=100 ГГц.

Имеются данные о создании ПT на основе фосфида индия InP, в котором дрейфовая скорость носителей в 1,5 раза выше, чем в арсениде галлия.

Усилительные свойства ПТ на СВЧ, как и в случае БТ, характеризуют коэффициентом однонаправленного усиления Кр и максимальной частотой генерации fmax.

 (9.12)

где Rcи - дифференциальное выходное сопротивление, Rзи - сопротивление части канала между истоком и затвором, неперекрытой обедненным слоем барьера Шоттки

Определяем частоту fтax из условия Кр (fmах) = 1:

  (9.13)

Из (9.13) следует, что для повышения fmax нужно оптимизировать отношение сопротивлений Rси/Rзи и, главное, увеличивать граничную частоту fгp, т.е. уменьшать время пролета электронов в канале tпp.

Важнейшим преимуществом ПТ перед БТ, определившим их широкое применение в приемных устройствах, является малый уровень шумов. Важным направлением в разработке маломощных полевых транзисторов с барьером Шоттки на арсениде галлия является снижение коэффициента шума. Основные источники шума в этом транзисторе — тепловой шум в канале, индуцированный шум затвора и шум паразитных (пассивных) элементов. Тепловой шум в канале — это тепловой шум сопротивления проводящей части канала. Индуцированный шум затвора является следствием шума в канале, так как любая флуктуация потенциала в канале вызывает флуктуацию напряжения между затвором и каналом. Эти шумы при коротких каналах сильно коррелированы (коэффициент корреляции близок к единице). Шумы пассивных элементов связаны с сопротивлением затвора и истока и по своей природе тепловые. Так как шумы в активной области полевых транзисторов с барьером Шоттки очень малы, то шумы пассивных элементов дают больший относительный вклад в общий шум, чем в биполярных транзисторах.

Минимальный коэффициент шума ПТ, реализуемый при оптимальной настройке входной цепи и оптимальной проводимости источника сигнала, определяется выражением

  (9.14)

где S - крутизна транзистора, rз—сопротивление металлизации затвора, Rи- сопротивление части эпитаксиального n-слоя на участках И-3, которые включает в себя сопротивления контактов И.

Из (9.14) следует, что для улучшения шумовых характеристик ПТ нужно уменьшать длину затвора и снижать паразитные сопротивления затвора rз и истока rи.

Поскольку в ПТ преобладают шумы теплового происхождения, то особенно эффективным способом снижения шумов оказывается охлаждение. Одновременно оно позволяет поднять усиление ПТ, так как в GаАs в отличие от кремния и германия при уменьшении температуры возрастают подвижность электронов и их дрейфовая скорость.

Особенностью полевых транзисторов является большое различие сопротивлений источника сигнала, необходимых для получения максимального коэффициента усиления и минимального коэффициента шума. Это приводит к тому, что при минимальном коэффициенте шума коэффициент усиления примерно в 2 раза меньше максимально возможного. Однако в этом случае коэффициент усиления еще достаточно велик (8-15дБ). Необходимо отметить, что существует также трудность согласования полевого транзистора со стандартным СВЧ трактом, особенно на частотах ниже 1—2 ГГц. В связи с этим приходится увеличивать ширину затвора, хотя последнее и приводит к увеличению емкости и сопротивления металлизации затвора.

Для мощных полевых транзисторов требование низкого уровня шума не существенно. Применение арсенида галлия с большой шириной запрещенной зоны (1,4эВ) позволяет повысить рабочую температуру вплоть до 350°C.

В мощных полевых транзисторах необходимо обеспечить высокое напряжение пробоя затвора, низкоомные контакты истока и стока, а также возможно большее значение периметра истока.

Наибольшее применение полевые транзисторы на GаАs с барьером Шоттки нашли в малошумящих СВЧ усилителях. В диапазоне 4—20 ГГц они являются лучшими по шумовым и усилительным характеристикам, чем другие приборы того же назначения. Большой динамический диапазон и хорошие шумовые характеристик» позволяют использовать их в смесителях. В последнее время наметилась тенденция к широкому внедрению полевых транзисторов с барьером Шоттки в усилителях, предназначенных для замены ламп бегущей волны и в параметрических усилителях.

В последнее время значительный интерес проявляется к охлаждаемым усилителям на полевых транзисторах из GаАs с барьером Шоттки. Так как шумы в этих приборах в основном имеют тепловую природу, то охлаждение приводит к существенному, уменьшению коэффициента шума. При этом, в отличие от биполярных транзисторов, коэффициент усиления увеличивается. Трехкаскадный усилитель для спутниковой связи США в диапазоне 11,7—12,2 ГГц имеет при комнатной температуре коэффициент шума 5,3 дБ, а коэффициент усиления 18 дБ. Охлаждение усилителя до 40 К снижает Kш до 1,6дБ и увеличивает коэффициент усиления до 31 дБ, что сравнимо с параметрами неохлаждаемых параметрических усилителей.

Малошумящие усилители на полевых транзисторах из GаАs с барьером Шоттки по сравнению с параметрическими усилителями характеризуются простотой настройки, высоким постоянством усиления, большой мощностью насыщения.

Преимущества ПT, как уже отмечалось, заметно проявляются с повышением рабочей частоты. Так, на частоте 6 ГГц выходная мощность ПT достигает 25 Bт при КПД около 50% и коэффициенте шума 3 дБ. Hа частоте 15 ГГц мощность остается значительной — около 2 Bт, КПД—в пределах 20-25% и коэффициент шума 3 — 6 дБ. Hа частоты выше 15 ГГц БT промышленного выпуска отсутствуют, тогда как ПT, например на частоте 18 ГГц, имеют мощность более 1 Bт при КПД около 10 — 20% и коэффициенте шума, равном 5 — 8 дБ. Малошумящие ПT имеют коэффициент шума 0,7 дБ на частоте 4ГГц; 1,7 дБ на 12 ГГц и менее 3 дБ на частоте 18 ГГц. Малошумящие ПT имеют меньший коэффициент усиления (около 5 дБ). В ближайшее время возможно появление ПT, работающих на частоте до 30 ГГц с выходной мощностью около 1 Bт и коэффициентом шума 3 дБ.

В настоящее время конструктивные параметры и высокочастотные характеристики биполярных и полевых микроволновых транзисторов рассчитываются с применением широко доступных компьютерных программ, позволяющих определить оптимальные режимы по коэффициенту усиления и шума, а также цепям согласования по входу и выходу транзисторов. Компьютерная разработка транзисторных структур позволяет обеспечить их высокую надежность при эксплуатации, улучшить высокочастотные свойства, совершенствовать методы отвода тепла от полупроводникового кристалла, значительно сократить время разработки и ее стоимость.

Контрольные вопросы:

Какой транзистор называют биполярным? Его устройство.

С чем связана граничная частота биполярного транзистора.

Что называют максимальной частотой генерации? Приведите формулу.

Какой транзистор называют полевым? Его устройство?

Перечислите основные характеристики полевого транзистора.

Преимущества полевого транзистора.


На главную