Полевой транзистор с барьером Шоттки: Учебно-методическое пособие к специальному лабораторному практикуму ''Твердотельная электроника СВЧ''. Часть XII

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Бойко К.В., Нойкин Ю.М., Нойкина Т.К. Тостолуцкий С.И. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ к специальному лабораторному практикуму «Твердотельная электроника СВЧ» (специальность 013800– радиофизика и электроника)

Часть XII ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ

Ростов-на-Дону 2008 3

Кафедра прикладной электродинамики и компьютерного моделирования Учебно-методическое пособие разработано: кандидатом технических наук., с.н.с. Бойко К.В., кандидатом физико-математических наук, доцентом Нойкиным Ю.М. кандидатом физико-математических наук, доцентом Нойкиной Т.К. кандидатом технических наук., доцентом Тостолуцким С.И. Ответственный редактор – доктор ф.-м.н. Заргано Г.Ф.

Печатается в соответствии с решением кафедры ПЭКМ физического факультета ЮФУ, протокол № 7 от 13.11.2007 г.

4

Лабораторная работа №12 ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ Цель работы – изучить физический принцип действия, параметры и характеристики полевого транзистора с барьером Шоттки (ПТШ). Самостоятельная работа: изучить пособие, занести в рабочую тетрадь: - название и цель лабораторией работы; - основные положения, формулы, рисунки необходимые при ответе на контрольные вопросы. 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПТШ – полупроводниковый прибор планарно-эпитаксиального типа с затвором на барьере Шоттки, имеющий контакты на внешней поверхности кристалла полупроводника n-типа. История рождения и жизни полевого транзистора – поучительный пример открытия, намного опередившего время. Изобретенный в 1930 году он пережил второе рождение в 70 – 80-х годах. Благодаря поразительным успехам физики твердого тела и полупроводниковой технологии был создан новый тип полевых транзисторов СВЧ – ПТШ, способных усиливать и генерировать электромагнитные колебания практически во всём СВЧ диапазоне вплоть до миллиметровых волн и обладающих при этом малыми собственными шумами. Полевые

транзисторы

(ПТ)

были

разработаны

позже

биполярных

транзисторов. Конструктивно-технологические отличия ПТ, вытекающие из их принципа действия, позволяют повысить частотную границу СВЧ транзисторных устройств по сравнению с устройствами на биполярных транзисторах. Наиболее широкое применение на СВЧ находят ПТШ на арсениде галлия, 5

который имеет высокую подвижность электронов. Лучшие образцы полевых транзисторов из арсенида галлия характеризуются коэффициентом шума, 0,5 – 1,4дБ на частотах 0,5 – 18ГГц и 5 –6дБ на частотах миллиметрового диапазона. Отметим некоторые преимущества ПТШ по сравнению с биполярными транзисторами. Благодаря более простой и совершенной технологии изготовления ПТШ имеет меньший разброс электрических параметров. Ток в них течёт не через р-n-переходы, а между омическими контактами однородной среде канала. Благодаря этому ПТШ обладают более высокой линейностью передаточной характеристики, у них нет шумов токораспределения, а плотность тока может быть большой, следовательно, уровень их шумов меньше, отдаваемые мощности больше. Подвижность электронов в слабом поле арсенида галлия (GaAs), из которого изготавливают ПТШ, примерно в 2 раза выше, чем в кремнии (Si), а вместо ёмкостей эмиттерного и коллекторного переходов у ПТШ имеется сравнительно малая ёмкость обратно смещенного затвора на барьере Шоттки, поэтому они могут работать на более высоких частотах до 90–120ГГц. Внутренняя обратная связь через паразитные ёмкости в ПТШ незначительна, усилители работают на них более устойчиво в широком диапазоне частот. Несмотря на то, что теплопроводность GаАs в З раза меньше, чем у Si, биполярные транзисторы уступают ПТШ по коэффициенту шума уже на частотах выше 1 –1,5ГГц. В 90-х годах происходит интенсивное освоение миллиметрового диапазона волн. Создание приборов для верхней части сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн стимулировало переход к субмикронным длинам затвора и новым технологическим решениям, что потребовало углубления физических представлений о процессах, происходящих в таких транзисторах, и

вызвало

многочисленные исследования в этой области. Разработка

и

проектирование

полупроводниковых

и

гибридных

интегральных микросхем СВЧ диапазона с применением ПТШ на основе 6

арсенида галлия определились как самостоятельное направление развития СВЧ техники.

Важнейшими

микросхемами

на

качествами

биполярных

таких

микросхем

транзисторах

по

являются

сравнению более

с

высокое

быстродействие и лучшие шумовые характеристики. Именно эти параметры и определили основные области их применения. Они широко используются в радиоприёмной, радиопередающей и измерительной аппаратуре СВЧ диапазона. 2 ОДНОЗАТВОРНЫЙ ПТШ 2.1 Устройство Полевые транзисторы СВЧ являются тонкоплёночными приборами. Их изготавливают, как правило, из арсенида галлия с электронной проводимостью. Наибольшее распространение получили приборы с затвором Шоттки. Структура полевого транзистора с барьером Шоттки изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура ПТШ Эпитаксиальная плёнка 1 в этих приборах наращивается на поверхность полупроводниковой подложки 2 е низкой концентрацией примесей (удельное 7

сопротивление

высокоомной

подложки

более

10-7Ом).

Толщина

плёнки

составляет несколько десятых долей микрометра. В верхний слой плёнки вплавляют два омических контакта – исток 3, сток 5, а между ними третий электрод – затвор 4, образующий барьер Шоттки на границе металл– полупроводник. 2.2 Принцип работы Под действием напряжения, приложенного к промежутку сток-исток, в эпитаксиальном слое 1 транзистора возникает канал 6, поле в котором ускоряет носители при их движении от истока к стоку. Управление потоком носителей осуществляется посредством модуляции ширины канала b в поперечном направлении, возникающей при изменении толщины слоя объёмного заряда в области затвора (переход металл-полупроводник) под действием напряжения сток − затвор. Поскольку переход в полевом транзисторе смещен в обратном направлении, управление потоком носителей достигается в нём в первом приближении без протекания постоянного тока через этот переход. Носителями зарядов в полевом транзисторе являются заряды одного знака – электроны. В этом смысле полевые транзисторы (в отличие от биполярных) являются униполярными. Соответственно механизм проводимости в них управляется силами электрического происхождения (дрейфом), а не диффузией. В качестве затвора в рассматриваемых полевых транзисторах применяется, как уже упоминалось, контакт металл-полупроводник. Затвор 4 используется для управления током транзистора с помощью внешнего сигнала. При протекании тока через канал возникает падение напряжения на распределённом сопротивлении канала вдоль его длины. Поэтому часть барьера Шоттки, расположенная ближе к стоку, оказывается сильнее смещённой в обратном направлении, чем остальная часть транзистора. Это приводит к несимметричному расширению слоя обеднённого заряда 7 под 8

затвором. Область обеднённого слоя может расширяться до высокоомной подложки 2 и перекрывать проводящий канал b. При этом ток в цепи исток-сток практически перестает зависеть от напряжения стока; наступает рёжим насыщения тока исток − сток на рабочем участке характеристики транзистора. Повышение обратного смещения на электроде затвора вызывает увеличение ширины обеднённой 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 в управляющего напряжения. Слой под затвором, обеднённый электронами, уменьшает высоту канала. Если помимо постоянного напряжения Uсм к затвору приложить переменное напряжение Uиз(t), то в соответствии с изменением этого напряжения изменяется эффективная высота канала hэфф, а следовательно, и ток стока: Iси= JсиhэффW,

(1)

где Jси – плотность тока стока; W– ширина канала. 2.3 Уменьшение длины затвора Из самых общих физических представлений известно, что время пролёта τ носителей через промежуток, в котором они взаимодействуют с электрическим полем в транзисторе, т.е. область под затвором длиной L, не должно превышать половины периода СВЧ колебаний τ < Т/2 , а угол пролета ωL/ν<π. Здесь ωкруговая частота, ν-средняя скорость дрейфа носителей. Поскольку шумовая температура Tш ~ ωL, в малошумящих транзисторах стремятся по возможности уменьшить величину угла пролёта. На частотах до 5ГГц в малошумящих транзисторах соотношение ωL/V≤0 удовлетворяется при L≈1мкм, а уменьшение L сверх этого предела в

большинстве случаев технически и экономически

неоправданно. Это объясняется рядом причин и в том числе большей стоимостью, 9

меньшей надежностью, устойчивостью и динамическим диапазоном транзисторов с субмикронными длинами затворов. При длине затвора L≥1мкм пролётное время τ≥10-11с, что на порядок превышает

время

релаксации

энергии

и

импульса

электрона.

Поэтому

нестационарные явления при таких длинах затвора не оказывают существенного влияния на поведение транзистора. Транзисторы с L≥1мкм условно относятся к классу “больших”. Отметим, что характерной величиной здесь является длина затвора, а не полная длина канала от истока до стока, поскольку модуляция толщины канала происходит в основном в области канала, прилежащей к затвору. Области канала вне затвора оказывают меньшее, но, тем не менее, существенное влияние.

Эти области вносят паразитные сопротивления, ухудшающие

характеристики полевого транзистора, что находит отражение в эквивалентной схеме транзистора. Транзисторы с 0,2
топологии

металлизации

малошумящих

ПТШ

из

GaAs

изображены на рисунке 2. ПТШ с затвором L=1мкм (рисунок 2,а) имеет одну контактную площадку затвора и два зубца затвора шириной 150мкм. Площадка расположена на полуизолирующем GаАs, поэтому паразитная емкость затвора незначительна. Топологическая схема транзистора гребенчатого типа показа на рисунке 2,в. Поскольку высокочастотная выходная мощность на 1мм ширины затвора 10

ограничена, то общая ширина затвора мощного ПТШ должна быть как можно большей.

а)

б)

в)

а – двухзубцовый; б – гребенчатый; Рисунок 2 – Топология ПТШ Поэтому для оптимального использования площадки кристалла топологию прибора следует делать встречно-штыревой, как показано на рисунке 2,б. 2.5 Конструкция выводов Особенности ПТШ с точки зрения конструкции выводов истока, затвора и стока состоят в том, что выводы делают в виде коротких полосок, удобных для сочленения с микрополосковыми линиями передачи (рисунок 3).

Рисунок 3 – Конструкция выводов ПТШ 11

Такая

геометрия

выводов

наиболее

полно

отвечает

требованиям

уменьшения их паразитных ёмкостей и индуктивностей. По этой же причине ПТШ, как правило, выполняются без внешнего металлического корпуса. 3 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА И ЕЕ ПАРАМЕТРЫ 3.1 Эквивалентная схема Рассмотрим эквивалентную схему

ПТШ (рисунок 4), соответствующую

структуре транзистора. В ней распределённые сопротивления и ёмкости отдельных

областей

представлены

в

виде

сосредоточенных

элементов.

Сопротивление активных потерь (металлизации затвора) представлено Rз, Rи и Rс – сопротивление частей эпитаксиального n-слоя на участках исток – затвор и затвор – сток, которые не зависят от Uзи и включают сопротивление омических контактов истока и стока, R1-сопротивление

части канала между стоком и

затвором не перекрытым обеднённым слоем барьера Шоттки.

Рисунок 4 – Эквивалентная схема ПТШ Проводимость gс представляет собой проходную проводимость сток– исток. Ёмкость сток–затвор Сзс определяет степень паразитной обратной связи. Емкость затвор–исток Сзи является частью входного сопротивления. Емкость сток–исток Сси междуэлектродная емкость. Активные (усилительные) свойства 12

транзистора отражены на схеме зависимым генератором тока gmUзи управляемым напряжением затвор–канал Uзи. 3.2 Параметры эквивалентной схемы Проводимость gm определяется отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения на затворе при постоянном напряжении исток –сток:

dI C dU ЗИ

gm =

Выходная

.

(2)

U СИ = const

дифференциальная

проводимость

стока

gc

определяется

отношением изменения тока стока к дифференциальному изменению напряжения стока при постоянном напряжении на затворе

gm =

dI C dU СИ

.

(3)

U ЗИ = const

Ёмкость затвор – исток Сзи приблизительно равна отношению изменения свободного заряда на затворе к изменению напряжения смещения на затворе при постоянном потенциале стока

C ЗИ =

dQ dU ЗИ

.

(4)

U CИ = const

Ёмкости сток–затвор и исток–сток являются “паразитными” параметрами и вычисляются как краевые ёмкости между параллельными и микрополосковыми линиями. Последовательное сопротивление истока складывается из сопротивления эпитаксиального слоя между затвором и истоком и омического сопротивления контакта Rки Rи = Rии + Rки.

(5)

Последовательное сопротивление стока определяется аналогично 13

Rс = Rсс + Rкс.

(6)

Сопротивление затвора Rз. Сопротивление канала Ri. С ростом частоты времена пролёта τ носителей от истока к стоку становятся соизмеримыми с периодом СВЧ колебаний, что приводит к запаздыванию выходного тока относительно входного. Это запаздывание отражается частотнозависимой проводимостью gm=gm0e-jωτ,

(7)

где gm0 – активная междуэлектродная проводимость прибора; τ=I/υнас=Сзи/gm, где υнас – скорость насыщения носителей. Равенство

справедливо,

поскольку

Сзи

пропорционально

L,

а

gm

пропорционально νнас. Так как ёмкость Сзи включена в цепь последовательно с паразитными сопротивлениями, то с возрастанием частоты эффективность модуляции канала уменьшается. В эквивалентной схеме (рисунок 4) не учтены индуктивности и ёмкости корпуса. Следует заметить, что существуют расчёты на основе эквивалентной схемы ПТШ, в том числе и в коротковолновой части СВЧ диапазона. Параметры эквивалентной схемы транзистора можно определить по его статическим характеристикам. При расчёте схем усилителей предпочтительнее использовать измеренные S-параметры ПТШ (см. раздел 6). А при расчёте малошумящих усилителей можно использовать Y параметры. Значение элементов эквивалентной схемы, определенные в работе [9] на основе измерения S-параметров указаны в таблице 1. Расчёты, проведенные с использованием данной эквивалентной схемы, показывают, что транзисторы должны обеспечивать приемлемые характеристики на частотах до 60ГГц.

14

Таблица 1.Значение элементов ПТШ с длиной затвора 0,25мкм Обозначение

Величина

Обозначение

элементов

Величина

элементов

gm

19мА/В

Сзи

0.07пФ

τ

2.3пс

Сзс

0.003пФ

Rи

40Ом

Спс

0.2пФ

Rc

10Ом

Lи

0.15нГн

Rj

2Ом

Lз

0.5нГн

gc

1.4mА/В

Lс

0.5нГн

Высокочастотные параметры транзисторов, полученные в работе [9] приведены в таблице 2. Таблица 2.Высокочастотные параметры ПТШ с длиной затвора 0,25мкм Обозначение Ширина образца

затвора, мкм

Частота,

Коэфф.шума,

Коэфф.

ГГц

дБ

усиления, дБ

A

250

12

0,95

11,5

B

250

18

1,72

8,5

C

75

18

1,55

12,3

D

75

21,7

1,98

10,55

E

75

32

2,6

7,2

4 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПТШ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ Типичные выходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) маломощного ПТШ представлены на рисунке 5. 15

Рисунок 5 – Выходные ВАХ ПТШ На выходных характеристиках можно выделить три области: 1. Линейная область существует при малых значениях напряжения, когда прибор еще не достигает насыщения. Данный режим является важным в случае применения транзисторов в смесителях и других нелинейных устройствах. Линейная область характеризуется линейной зависимостью между током и напряжением (т.е. закона Ома). Когда Uси достигает Uси нас, канал у конца затвора со стороны стока сужается, т.е. практически полностью смыкается, так что дальнейшее увеличение тока не происходит (идеальный случай). 2. Когда канал смыкается, транзистор переходит в область насыщения, где ток стока практически не зависит от Uзи. В приборах с коротким каналом, таких как арсенидгаллиевый ПТШ, возникает иной механизм насыщения тока стока изза

появления

в

канале

больших

напряженностей

электрического

поля,

приводящих к насыщению скорости дрейфа (рисунок 6). Этот режим насыщения возникает при E > 3кВ/см, что для арсенидгаллиевых ПТШ соответствует UСИ = 1 – 2В. С увеличением UС растёт напряженность поля Е в канале и падает 16

подвижность электронов µn=ν/Е. В этой области ток стока практически не зависит от Uс, но является функцией Uз. Рост Iс с уменьшением модуля Uз объясняется значением hэфф, что вытекает из выражения (1).

Рисунок 6 – Насыщение скорости Мгновенное напряжение на стоке Uс(t) может изменяться от нуля до напряжения пробоя Uпр. При отрицательном напряжении на затворе ток затвора мал (десятки — сотни микроампер). Большинство транзисторов в усилителях (особенно в линейных малосигнальных) работают в области насыщения (подвижные носители заряда в канале двигаются со скоростью насыщения), которая располагается между линейной областью и областью пробоя. 3. Область пробоя или область высоких электрических полей при больших значениях Uси (обычно 10 – 20В)

зависит от тока стока и технологии

изготовления транзистора. Обычно предпринимаются существенные усилия для увеличения пробивных напряжений, что особенно важно для повышения выходной

мощности

и

надёжности

транзистора.

В

случае

применения

транзистора в линейных и малошумящих усилителях эта область не является важной, так как оптимальный режим работы транзистора не соответствует возникновению в канале больших полей. Из переходной характеристики Iс = f(Uзи) (рисунок 7) видно, что рабочим 17

диапазоном изменения напряжения на затворе является участок отрицательных напряжений Uз от напряжения отсечки Uзи до напряжения открывания барьера Шоттки.

Рисунок 7 – Переходная характеристика ПТШ Для маломощного GaAs ПТШ важными являются следующие параметры на постоянном токе. Iс нач – начальный ток стока равный Iс нас при Uзи=0; Iс

нас

– максимальный ток стока, соответствующий области насыщения.

Типичными значениями напряжений на выводах транзистора для этого тока считаются: Uзи=0В, Uси=5В для мощных и Uси=1,5-2В – для малошумящих ПТШ. S – отношение ∆Ic/∆Uзи (крутизна характеристики), которое в области насыщения является приблизительно постоянным; Uзи

отс

– напряжение отсечки, соответствующее отрицательному значению

напряжения на затворе, при котором ток стока уменьшается до нуля (Iс = 10мкА). Эти параметры связаны между собой приближенным соотношением Iс нас = SUзи отс. Крутизна характеристики S и проводимость gm совпадают по физическому смыслу (см. формулу (2)). 18

5 ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ПТШ Для характеристики частотных свойств ПТШ используют понятия максимальной частоты генерации fmax и граничной частоты fт. Частоту fmax определяют как наибольшую, на которой способен генерировать ПТШ:

fmax ≈ 4π f (2πR3CC3)−1/ 2 .

(8)

Граничная частота fт или частота отсечки, это частота, при которой модуль отношения тока короткого замыкания на выходе каскада с общим истоком к току на входе (через емкость Сзи) равен единице: |Iн(Rн=0)/ Iвх|=1.

(9)

Она соответствует частоте, при которой в режиме с общим истоком ток через емкость затвор – исток (Iзи ~ ωСзиUзи) равен току генератора fТ = gm / 2πCзи ,

(10)

где gm- проводимость, Uзи – напряжение на емкости затвор – исток. С другой стороны, частота отсечки определяется временем пролета через канал fТ = 1/2πτпр,

(11)

Физическим процессом, определяющим верхнюю границу быстродействия транзистора,

является

время

запаздывания

переноса

заряда

свободными

носителями через пространство активного взаимодействия с полями в приборе. Для полевого транзистора с общим истоком время задержки носителей заряда от истока к стоку равно

τ пр

1 = 2

λ

K

∫ 0

dx µЕ

,

(12)

где λк – горизонтальная длина канала. Выражения (10) и (11) эквивалентны друг другу, поскольку 19

g

m

=

∂I ∂U , U U

ЗИ

ЗИ

=

Q С

ЗИ ЗИ

,

Q =I τ И

ПР

,

где Qзи – заряд на ёмкости Cзи . Поэтому характерной величиной, которую следует минимизировать, является горизонтальная длина канала λк или ширина дорожки затвора L. Скорость электронов GаАs имеет предел νнас≈1/107м/с, поэтому усилия разработчиков направлены на создание ПТШ с затвором субмикронных размеров (L < 1мкм). Большое влияние на fmax оказывает при этом возрастание Rз , для его снижения металлизацию затвора выполняют с отношением толщины к длине большим единицы, уменьшают W. Типичные значения fmax дал современных GаAs ПТШ лежат в пределах 60 – 150ГГц. 6 ШУМОВЫЕ СВОЙСТВА ПТШ Важнейшим преимуществом ПТШ, обусловившим их широкое применение в приёмных устройствах, является малый уровень шумов. Шумы ПТШ определяются основными составляющими: тепловой, фликкер-шум (или 1/f) и дробовой. Как известно, тепловой шум вызывается хаотическим движением носителей заряда в проводящей среде, создающим флуктуации тока и напряжения. Для обычного сопротивления тепловой шум учитывается с помощью генератора тока: Iш2 = 4kTG∆f (рисунок 8, а) или генератора э.д.с. Uш2=2kTR∆f (рисунок 8, б), где Iш2 и Uш2– квадраты действующего шумового тока и напряжения (при выражении этих величин квадратами они оказываются пропорциональными мощности шумов); 20

G=I/R – проводимость; k – постоянная Больцмана; Т – температура, ∆f – полоса частот, в пределах которой измеряется шум.

а) генератор тока;

б) генератор напряжения

Рисунок 8 – Эквивалентная шумовая схема В ПТШ источником теплового шума является сопротивление канала постоянному току. Считая проводимость канала в рабочем режиме примерно раной Gкм=Gк /2=gm/2 получаем: Iш.m=4kTgm∆f/2.

(13)

На средних частотах транзистора этот источник шума является основным. Фликкер-шум или 1/f-шум доминирует в области низких частот (f < 1ГГц), его интенсивность возрастает примерно обратно пропорционально частоте (отсюда и происходит название 1/f-шум). Источником 1/f-шума являются произвольные локальные изменения электрических свойств материалов и их поверхностных состояний. Появляются также дробовые шумы токов утечки. Поэтому

особое

изготовления

ПТШ

внимание с

целью

уделяется

совершенствованию

уменьшения

естественных

технологии эффектов

в

полупроводнике и на поверхности. Применение покрытия поликристаллической пленкой GаАs снижает шумы, улучшает стабильность параметров и надежность ПТШ. 21

Учитывая низкочастотный 1/f-шум совместно с тепловым, получаем выражение: I2ш.m.f = I2ш(1+fн /),

(14)

где fн - нижняя граничная частота, на которой 1/f- шум равен тепловому. Источником дробового шума является ток утечки затвора Iт

ут.

Протекая по

сопротивлению канала, ток утечки добавляет свою шумовую составляющую к общим шумам транзистора. Но этот источник шума из-за малости Iз.ут в полевых транзисторах всех видов не является преобладающим и его обычно не учитывают. Кроме того, в ПТШ имеют место шумы преобразования энергии при столкновении электронов с кристаллической решеткой полупроводника и примесями (шумы генерации – рекомбинации), а также шумы междолинного рассеяния

электронов,

проявляющиеся

только

в

GаАs

при

больших

напряженностях поля. 7 ВНЕШНИЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ Из-за

сложности

определения

параметров

эквивалентной

схемы

(внутренних параметров) ею пользуются в основном разработчики ПТШ. Потребитель часто представляет ПТШ как линейный четырехполюсник с экспериментально определенными внешними параметрами. Транзисторы СВЧ не принято характеризовать гибридными h-параметрами, поскольку при их изменении на СВЧ вследствие сильного влияния паразитных L и C практически невозможно обеспечить режим холостого хода и короткого замыкания. Измеренные же на сравнительно низких частотах h – параметры из-за неизвестности

точного

закона

их

частотной

зависимости

не

могут

характеризовать свойства ПТШ на СВЧ. Наиболее удобны для описания свойств ПТШ его S-параметры – комплексные элементы матрицы рассеяния, измеренные на рабочих частотах в 22

соответствующем рабочем режиме при включении ПТШ в стандартные линии передачи Zo=50Ом. 7.1 S-параметры При измерениях на СВЧ оперируют с величинами, характеризующими волновой процесс – коэффициентами отражения и передачи. Теорию СВЧ многополюсников, построенную на основе этих понятий, легко сравнивать с экспериментом. Поэтому особенно продуктивным оказывается метод матрицы рассеяния S (от англ. scattering – рассеяние), введённый специально для анализа СВЧ цепей. Вместо сопротивлений и проводимостей в матрице рассеяния используются комплексные коэффициент отражения и передачи волн по напряжению между соответствующими парами полюсов.

Рисунок 9 – Транзистор как четырехполюсник Если транзистор представить эквивалентной схемой четырехполюсника, подключенного к двум однородным длинным линиям (рисунок 9), то можно записать уравнения, определяющие линейную связь между падающими и отраженными волнами на входе и выходе четырехполюсника в виде: U1отр = S11U1пад+S12U2отр U2пад = S21U1пад+S22U2отр,

(15)

Построенные по следующему правилу: в левой части уравнений стоят амплитуды волн, распространяющихся от четырехполюсника (рассеиваемые), а в правой – сходящиеся к четырехполюснику (набегающие). 23

В матричной записи уравнения (7) приобретают вид:

⎡U 1отр ⎤ ⎡ S11 S12 ⎤ ⎡U 1ПАД ⎤ ⎢ ⎥=⎢ ⎥, ⎥*⎢ S S U U ⎣ 2 пад ⎦ ⎣ 21 22 ⎦ ⎣ 2ОТР ⎦

(16)

где S21 – равен комплексному коэффициенту передачи четырехполюсника в прямом направлении; S12 – равен комплексному коэффициенту передачи четырехполюсника в обратном направлении; S11 – равен комплексному коэффициенту отражения от входа при согласованном выходе устройства (нагруженного на 50Ом); S22 – равен комплексному коэффициенту отражения от выхода при согласованном входе устройства (нагруженного на 50Ом). Матрицу [S] называют волновой матрицей. Численные

значения

коэффициентов

S1k

могут

быть

получены

экспериментальным путём или из теоретических соображений. 7.2 Коэффициент усиления Существует несколько определений этого параметра, которые одинаково пригодны для того, чтобы характеризовать ПТШ. 1. Поскольку ПТШ способны обеспечить усиление мощности без преобразования импеданса, они могут иметь полезный коэффициент усиления при работе непосредственно в 50-омной системе. Он называется коэффициентом усиления по мощности: GT =|S21|2

.

(17)

Для малошумящих ПТШ частота, на которой GT =1, является граничной частотой fT. 2. При проектировании узкополосных усилителей обычно предполагают, что коэффициент усиления в обратном направлении S12=0. Это даёт простое соотношение для определения максимально возможного коэффициента усиления, 24

который получил название максимального усиления: Gmax =

S12

2

(1 − S )(1 − S ) 2

2

11

,

(18)

22

где |S21|2 – коэффициент усиления по мощности ПТШ, нагруженного по входу и выходу сопротивлением Z0=50Ом; (1–|S11|2)-1 – множитель, учитывающий увеличение коэффициента усиления при согласовании ПТШ по входу; (1–|S22|2)-1 – множитель, учитывающий увеличение коэффициента усиления при согласовании транзистора по выходу. 3. Перед тем, как рассмотреть еще одно определение коэффициента усиления

по

мощности,

необходимо

познакомиться

с

коэффициентом

устойчивости на всех частотах, где возможно получение от транзистора усиления и не исключено возникновение генерации: 2

K=

2

1 + S11 S 22 − S12 S 21 − S11 − S 22

2

.

2 S12 S 21

Коэффициент

устойчивости

(19)

зависит

от

характера

устойчивости

транзистора. Например, для безусловно устойчивых приборов (устойчивых при любых пассивных цепях) должно быть К > 1. Необходимым и достаточным условием безусловной устойчивости будет выполнение следующих неравенств: К>1, |∆|<1,

(20)

где ∆ = S11S22 − S12S21. 4. Если транзистор безусловно устойчив (К>1), то возможно одновременное согласование

входа

и

выхода, что

максимально

возможного

соответствует

коэффициента

усиления

условию или

обеспечения номинальному

коэффициенту усиления при двустороннем согласовании:

Gном =

(

)

S 21 K + K 2 −1 , S12

(21) 25

который существует при К> 1. 5. На СВЧ транзистор обычно согласуют по входу и выходу с источником сигнала и нагрузкой для получения максимальной выходной мощности. Если предположить, что обратная связь в ПТШ скомпенсирована внешней цепью без потерь, то его однонаправленной усиление можно выразить коэффициентом однонаправленного усиления: U =

1 / 2 ( S 21 / S12 ) − 1

2

K S 21 / S12 − Rc( S 21 / S12 )

.

(22)

Данный коэффициент усиления определяет предельные усилительные возможности четырехполюсника и часто используется для оценки характеристики транзистора при его изготовлении. Частота, на которой U=1, есть максимальная частота fmax, выше которой невозможно получить режим генерации. 5. Входные согласующие цепи каждого транзистора позволяют реализовать, как правило, один из двух режимов: согласование по сигналу (сигнальное согласование) и «согласование по шумам» (шумовое» согласование). При согласовании по сигналу внутреннее сопротивление источника сигнала должно быть комплексно согласованно с входным сопротивлением транзисторного усилителя, поскольку в безусловно устойчивом усилителе при двустороннем комплексном согласовании на входе и выходе коэффициент усиления достигает максимальной величины. 8 КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ УСИЛИТЕЛЯ И ПЕРЕПАД ЕГО В РАБОЧЕМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ Под коэффициентом усиления СВЧ усилителей понимается число, показывающее во сколько раз выходная мощность прибора больше той, которая 26

подаётся на его вход. Для удобства расчетов и измерений коэффициент усиления (по мощности) выражают не в разах, а в децибелах, т.е. Ky = 10lg(Pвых/Pвх) [дБ], где Рвых и Рвх – выходная и входная мощность усилителя, ватты. Коэффициент усиления может быть различным для отдельных экземпляров усилителей одного типа. Он зависит от величины входной мощности, частоты сигнала, электрического режима и некоторых других факторов. Зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала (эту зависимость называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ)) имеет сложный

характер,

параметрами

определяемый

активных

элементов

частотными

свойствами

(диодов,

транзисторов),

контуров

и

качеством

согласования с источником сигнала и нагрузки, электрическим режимом и некоторыми другими причинами. Для регенеративных усилителей коэффициент усиления и полоса частот взаимосвязаны, так как увеличение коэффициента усиления приводит к уменьшению ширины пропускания и наоборот. Возможные амплитудно-частотные характеристики СВЧ усилителей на полупроводниковых приборах показаны на рисунке 10.

Рисунок 10 – Возможные АЧХ СВЧ усилителей Чтобы характеризовать изменения усиления в рабочем диапазоне частот, пользуются понятием «перепад коэффициента усиления» (неравномерность усиления), показывающим на сколько максимальное усиление Ку макс отличается 27

от минимального Ку

мин

в заданном диапазоне частот. Он определяется в

децибелах: ∆Kу = Kу макс – Ку мин . Иногда перепад коэффициента усиления вычисляют относительно среднего значения коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот: тогда он имеет два знака “+” и “-“ . Например, Ку =15± 1дБ. 9 ИЗУЧАЕМЫЙ ТРАНЗИСТОР Изучаемый ПТШ является опытным образцом 3П309Г, имеет конструкцию, рассчитанную на включение и микрополосковый тракт (рисунок 11).

Рисунок 11 – Конструкция транзистора Первая цифра маркировки означает материал, из которого изготовлен ПТШ: 3 – арсенид галлия. Буква П означает полевой транзистор, цифра 3 – малый уровень мощности, 09 – номер разработки, буква Г – модификация по электрическим параметрам. 10 ИЗУЧАЕМЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 10.1 Электрическая схема Изучаемый ПТШ используется в однокаскадном малошумящем усилителе, принципиальная электрическая схема которого приведена на рисунке 12. Транзистор VТ1 включён по схеме с общим истоком. Режим по постоянному току 28

обеспечивается схемой питания с автосмещением. На стабилитроне VD1 и резисторах R2, R3 собран параметрический стабилизатор напряжения для питания ПТШ. Диод VD2 служит для защиты усилителя при случайной подаче напряжения питания обратной полярности. Резистор R1 шунтируется на высокой частоте конденсаторами С1 и С2.

Рисунок 12 – Электрическая схема усилителя Индуктивность L1 служит для заземления затвора по постоянному току. Индуктивность L2 и блокировочные конденсаторы С5 и С6 развязывают цепи постоянного тока по высокой частоте. Конденсаторы С3 и С4 развязывают внешние цепи СВЧ по постоянному току. W1, W2 – коаксиально-полосковые переходы. 10.2 Сборочный чертёж, топология и элементы Топология микрополосковой платы приведена на рисунке 13. Обратная сторона платы полностью металлизирована. Заштрихованные поверхности металлизированы следующим образом. Сначала на всю плату напыляется слой хрома, затём слой меди, затем проводится фотолитография, в результате которой стравливается медь в остальных областях. Затем гальваническим способом 29

медные проводники покрываются серебром. Транзистор VT1, диод VD1, конденсаторы С1 – С6 устанавливаются методом пайки. Резисторы R1 – R7 выполняются из слоя хрома, который необходим для хорошей адгезии медных проводников. Индуктивности L1 – L2 выполнены в виде одного витка. Для стабилизации режима транзистора имеются резисторы R1,R4 – R7. Они являются подстроечными элементами, подключаемые с помощью контактных площадок 1– 6. Контактные площадки 1,8,12 соединены с нижней «земляной» стороной платы с помощью индия.

Рисунок 13 – Сборочный чертеж и топология усилителя на ПТШ 30

Транзистор VТ1 впаян в разрыв 50-омной микрополосковой линии (МПЛ). Сигнал на вход транзистора поступает с отрезка МПЛ 9 снимается с отрезка МПЛ 10. Питающее напряжение Uo = +5В подаётся на контактную площадку 7. 10.3 Конструкция Изучаемый усилитель представляет собой микросборку (рисунок 14).

Рисунок 14 – Конструкция усилителя на ПТШ Корпус 1 чашечного типа выполнен из сплава D 16. Сверху и снизу корпус закрывается крышками. СВЧ разъёмы (СРГ-50-751ФВ) размещены с двух сторон корпуса. Разъем 2 является входным, 3 – выходным. Вход 4 служит для подачи питающего напряжения, вход 5 – «земля». Внутри корпуса размещена микрополосковая плата 6, припаянная к рамке из титанового сплава для согласования коэффициентов линейного расширения. Микрополосковая плата выполнена на подложке из поликора размером 15х18х0,5мм3 с диэлектрической проницаемостью ε =9,6.

11 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ Для экспериментального изучения физического принципа действия ПТШ и выполненного на его основе усилителя используется прибор для измерения амплитудно-частотных характеристик Х1-42, источник постоянного тока ВСП-50 31

и элементы СВЧ тракта. 12 УКАЗАНИЯ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ ВНИМАНИЕ! При подготовке рабочего места и выполнения работы необходимо руководствоваться

правилами,

изложенными

в

“Инструкции

по

технике

безопасности для студентов при работе в учебной лаборатории”. Изучите раздел “Указание мер безопасности” в “Техническом описании и инструкции по эксплуатации” (ТО и ИЭ) к каждому прибору, входящему в установку и руководствуйтесь им при работе. 13 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ Экспериментальное изучение физического принципа действия полевого транзистора с барьером Шоттки и выполнение на его основе усилителя производится с помощью измерителя амплитудно-частотных характеристик Х1 42. Структурная схема лабораторной установки представлена на рисунке 15.

Рис.15 – Структурная схема лабораторной установки 32

На этом рисунке обозначены: А1 – изучаемый макет усилителя на ПТШ; Р1 – генератор качающейся частоты прибора Х1-42; Р2 – индикаторный блок прибора Х1-42; G1– источник п тока ВСПI-50; W1 – детекторная секция, ХW1, ХW2– переход коаксиальный ХАМ 3.5б2.015; ХW3 – переход коаксиальный Э2-112/2; Х1,Х2 –клеммы; ХЗ – штепсель РШ2Н-1-25: А, В – кабель из комплекта Х1-42; Б –жгут питания.

14 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ Соберите рабочее место для измерения АЧХ усилителя согласно структурной схеме, приведённой на рисунке 15. Высокочастотные кабели А и В должны быть подсоединены к усилителю. Ознакомьтесь с приборами по «ТО и ИЭ». Включите приборы Р1 и Р2 тумблерами СЕТЬ и подготовьте их к работе согласно инструкциям и проведите калибровку.

15 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ Коэффициент усиления усилителя на ПТШ составляет 7дБ и его измерение проводить не нужно. 33

1) Включите источник питания G1 тумблером СЕТЬ и подайте на усилитель плюс 4В. 2) Поставьте переключатель М11z в положение 610-1250. З) Поставьте переключатель УРОВЕНЬ dВ в такое положение, чтобы вершина АЧХ совместилась с измерительной линией. Значение максимального коэффициента усиления в децибелах определите по аттенюатору УРОВЕНЬ dВ. 4) Установите переключатель УРОВЕНЬ dB на 2дБ меньше максимального усиления. Точки пересечения АЧХ и измерительной линии показывают fмин и fмакс на уровне минус 2дБ от максимального значения усиления по мощности. 5) Нажмите кнопки МЕТКИ М11z 10 и 100 и поверните ручку АМПЛ вправо до упора. На экране должны появится метки. 6) Вращая ручку Fкон растяните начальный участок частотного диапазона и с помощью меток определите fмин , верните ручку Fкон в исходное положение. 7) Вращая ручку Fнач растяните конечный участок частотного диапазона и с помощью меток определите fмакс ,верните ручку Fнач в исходное положение. 8) Измерьте с помощью переключателя УРОВЕНЬ dB неравномерность коэффициента усиления ∆Ку в рабочем диапазоне. 9) Нарисуйте визуально кривую АЧХ усилителя в тетради и нанесите измеренные значения Ку

макс,

Ку

мин,

Ку , fмин, fмакс и вычисленное значение fср.

10) Выключите приборы тумблерами СЕТЬ.

16 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ 1) Вычислить среднюю частоту диапазона частот усилителя

f ср =

f макс + f мин 2

[МГц].

34

2) Вычислить на уровне минус 2дБ абсолютную полосу частот усилителя ∆f ∆f = fмакс – fмин [МГц], и относительную полосу частот усилителя δf =

( f макс − f мин ) *100[%]. f ср

3) Определите неравномерность коэффициента усиления в полученном диапазоне частот по формуле ∆Ку = Ку макс – Ку мин [дБ]. 17 УКАЗАНИЯ К ОТЧЁТУ Отчет должен содержать: а) все пункты задания; б) электрическую схему изучаемого усилителя: в)структурную схему лабораторной установки; г) результаты работы, представленные в виде графика и расчётов; д) выводы по работе и оценку полученных результатов (письменно). 18 КОНТРОЛЬНЫП ВОПРОСЫ 1. Принцип работы ПТШ. 2. С чем связано уменьшение длины затвора. 3. Эквивалентная схема. 4. Параметры эквивалентной схемы. 5. Каковы характеристики ПТШ на постоянном токе? 6. Какими параметрами характеризуются частотные свойства ПТШ? 7. Что представляет собой время задержки сигнала? 8. Каковы источники шума в ПТШ? 35

9.Понятие о внешних параметрах транзисторов. 10.Как определить коэффициент усиления через внешние параметры? 11.Условие устойчивости транзистора. 12.Требование к входным согласующим цепям транзистора. 1З. Принцип действия приборов, входящих в установку. 14. Объясните принцип действия изучаемого усилителя по его схеме. 15. Объясните результаты измерений.

36

ЛИТЕРАТУРА 1. Шварц, Н.З. Усилители СВЧ на полевых транзисторах [Текст] / Н.З. Шварц. – М.: Радио и связь, 1987. –200 с. 2. Пожела, Ю. Физика сверхбыстродействующих приборов. [Текст] /Ю. Пожела, В. Юценс. – Вильнюс: Моклас, 1985. –112 с. 3. Электронные приборы СВЧ [Текст]: учебное пособие для вузов по спец. «Электронные приборы» / В.М.Березин [и др.] - М.: Высшая школа, 1985.–296 с. 4. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ [Текст]: под ред. М. Хауэса, Д. Моргана. –М.: Мир, 1979. – 444 с. 5. Бочаров, Л.Н. Полевые транзисторы [Текст]: монография / Л.Н. Бочаров – М.: Энергия, 1976. –77 с. 6. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи [Текст] /Л.Г. Гассанов [и др.] – М.: Радио и связь, 1988. - 288 с. 7. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принцип работы и технология изготовления [Текст]: под ред. Д.В. ди Лоренцо, Д.Д. Канделуола. – М.: Радио и связь, 1988. – 496 с. 8.

Микроэлектронные

устройства

СВЧ

[Текст]:

учебное

пособие

для

радиотехнических специальностей вузов /Г.И. Веселов [и др.] – М.: Высш. шк., 1988. – 280 с. 9. Арсенид галлия в микроэлектронике [Текст]: под ред. Н. Айнепрука и У. Уиссмена. – М.: Мир, 1988. – 555 с. 10. Современные приборы на основе арсенида галлия [Текст]/ Шур М.: под ред. М.Е. Левинштейна и В.Е. Челнокова. – М.: Мир, 1991.– 632 с. 11.Колосов, М.В. СВЧ генераторы и усилители на полупроводниковых приборах. [Текст]/ М.В. Колосов, С.А. Перегонов – М.: Сов. радио, 1974. – 80 с.

37