Теория электрических цепей Основы теории электромагнитного поля

Теория цепей. Магнитные цепи Основы теории электромагнитного поля

СВЧ транзисторы

Концептуальная диаграмма.

Биполярные микроволновые транзисторы. Геометрия, характеристики и параметры.

Высокочастотные полевые транзисторы. Характеристики и параметры.

Контрольные вопросы

9.1. Концептуальная диаграмма Понятие переходного процесса При изучении предыдущего материала рассматривались установившиеся режимы работы электрических цепей с сосредоточенными параметрами, т.е. режимы, которые устанавливаются в цепи при неизменных напряжении, токе, сопротивлении и др.

 

 


9.2. Биполярные микроволновые транзисторы. Геометрия, характеристики и параметры

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три и более выводов. Термин "транзистор" происходит от английских слов transfer of resistor (преобразователь сопротивления).

В отличие от вакуумных СВЧ приборов, не имеющих, с точки зрения механизма работы, аналогов в низкочастотном диапазоне, в основе работы полупроводниковых СВЧ-транзисторов лежат те же физические процессы, которые определяют работу транзисторов на низких частотах.

Рассмотрим факторы, которые, с одной стороны, ограничивают возможность использования низкочастотных транзисторов в СВЧ-диапазоне и которые приводят, с другой стороны, к конструктивным особенностям СВЧ-транзисторов, являясь основанием для выделения их в самостоятельную группу транзисторных приборов.

Bо-первых, следует отметить, что частотный диапазон транзистора ограничивается временем переноса носителей заряда через транзистор. Применяемые в настоящее время СВЧ-транзисторы работают с малым временем пролета. Bо-вторых, существуют частотные ограничения, которые обусловлены скоростью изменения заряда, накопленного в транзисторе: введение носителей заряда в обедненные области p-n-переходов сопровождается накоплением заряда, и напряжение на переходах устанавливается равным входному спустя лишь некоторое время, определяемое постоянными зарядки емкостей p-n-переходов. В третьих, конструкции выводов электродов транзистора и соответствующие им паразитные емкости и индуктивности влияют на частотные характеристики транзистора.

Группа транзисторов объединяет ряд разновидностей этих приборов, среди которых следует выделить два типа наиболее распространенных транзисторов, отличающихся друг от друга принципом действия, основными характеристиками и параметрами. Это биполярные (БT) и полевые транзисторы (ПТ).

Биполярным называют транзистор, в котором используются заряды носителей обеих полярностей. Биполярный транзистор имеет три области: эмиттер, базу и коллектор.

Геометрия биполярного транзистора СВЧ

Рассмотрим на примере биполярного транзистора(рис. 9.1), какие конструктивно-технологические решения позволяют создать транзисторы, работающие в СВЧ-диапазоне.

Исходным материалом для изготовления планарного транзистора служит пленка 6 высокоомного кремния с проводимостью n-типа, создаваемая методом эпитаксиального наращивания на подложке 7, на которой формируют вывод коллектора прибора. Методом ступенчатой фотолитографии в изолирующей пленке создают окна, через которые в несколько стадий вводят легирующие примеси и формируют область базы 4 с проводимостью p-типа, низкоомную приконтактную область базы 5 р+-типа, а в дальнейшем эмиттерную область 3 с проводимостью n+-типа. Металлическая пленка 1 и 2 обеспечивает подачу управляющих напряжений соответственно к базе и эмиттеру транзистора. Hа границе эмиттер — база создается обедненный подвижными носителями заряда эмиттерный p-n-переход 9, на границе база—коллектор коллекторный p-n-переход 8.

Рис. 9.1 Устройство биполярного СВЧ-транзистора

СВЧ-БТ отличаются от низкочастотных прежде всего размерами активных областей, которые характеризуются шириной эмиттерной полоски lэ и толщиной базы lб (рис. 9.1). Существенное уменьшение этих размеров, необходимое для создания СВЧ-транзисторов, стало возможным благодаря совершенствованию технологии изготовления приборов. В частности, уменьшение вертикальных размеров обязано в основном развитию диффузионных процессов и ионной имплантации, а Уменьшение горизонтальных размеров связано с успехами литографии. Современная технология позволяет получить эмиттерные полоски шириной lэ меньше 0,1 мкм и толщину базы lб несколько десятков нанометров. Наличие сверхтонкой базы является одной из особенностей транзисторов СВЧ.

Конфигурация эмиттера и базы важна для нахождения верхней частотной границы СВЧ-транзистора. Транзистор должен иметь максимальный периметр эмиттера при минимальной площади. Первое требование определяется необходимостью обеспечить равномерное распределение тока эмиттера, второе — необходимостью уменьшения емкости эмиттера, шунтирующей эмиттерный p-n-переход и снижающей уровень инжекции.

В гребенчаmой структуре (рис. 9.2, а) маломощных малошумящих СВЧ-транзисторов в настоящее время создают эмиттерные полоски шириной до 0,1 мкм, что близко к предельным возможностям современной технологии изготовления полупроводниковых структур.

Рис. 9.2. Структуры СВЧ-транзисторов: а — гребенчатая; б — многоэмиттерная; 1 — вывод эмиттера; 2 — вывод базы

Для более мощных СВЧ-транзисторов используется объединение в одном кристалле большого числа единичных структур (до 150) с сохранением большого отношения периметр/площадь. Так, в многоэмиттерной структуре (рис. 9.2,6) в теле кристалла могут быть созданы полоски из низкоомного p+-слоя. Внутри каждой ячейки расположен “прямоугольник” эмиттера. Вывод эмиттера изолирован от базовой сетки слоем оксида SiO2.

Рис. 9.3. СВЧ-транзисторы с ленточными выводами в металлокерамических корпусах

Особенности СВЧ-транзисторов с точки зрения конструкции выводов эмиттера, коллектора и базы состоят в том, что выводы делают в виде коротких полосок, удобных для сочленения с микро полосковыми линиями передачи. Такая геометрия выводов наиболее полно отвечает требованиям уменьшения их «паразитных» емкостей и индуктивностей. По этой же причине СВЧ транзисторы, как правило, выполняют без внешнего металлического корпуса (рис. 9.3).

Основные характеристики и параметры СВЧ-транзисторов

Получить характеристики транзистора можно путем решения системы дифферен-циальных уравнений переноса, непрерывности и Пуассона при соответствующих начальных условиях. Ввиду сложности задачи такой подход, по существу, не находит применения.

Hа практике широко используют представление СВЧ-транзистора эквивалентными схемами (схемами замещения). Эквивалентные схемы составляют таким образом, чтобы токи и напряжения, протекающие в них, в достаточной мере отвечали процессам в транзисторе.

Отметим, что расчеты по эквивалентным схемам считаются вполне удовлетворительными, если они обеспечивают ≈30% расхождение с экспериментом. Практически это реализуется до частот ~ l÷2 ГГц. Hа более высоких частотах продуктивнее оказывается подход, основанный на непосредственном измерении S-параметров транзистора. Эквивалентные схемы на сосредоточенных элементах при этом используют только для качественных прогнозов хода характеристик или приводят для установления соответствия с экспериментом методами оптимизации с помощью ЭBM.

Основными параметрами являются рабочая частота, коэффициент усиления по мощности, выходная мощность, КПД и коэффициент шума. При этом коэффициент шума важен только для маломощных (малошумящих) транзисторов, а КПД — для мощных СВЧ транзисторов.

Граничная частота

Частотные свойства транзисторов обычно характеризуются граничной частотой (частотой отсечки) fгр, которая связана с временем задержки сигнала, распространяющегося от эмиттера к коллектору τэк:

,  (9.1)

где

 (9.2)

где τэ — время зарядки барьерной емкости эмиттерного перехода Сэ; τб — время пролета носителей заряда через базовую область; τкп — время задержки в коллекторном переходе, связанное с временем пролета; τк — время зарядки емкости коллекторного перехода.

Время перезарядки емкости эмиттерного перехода определяется как:

,  (9.3)

где rэ - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода; φт - температурный потенциал, Iэ- рабочий ток.

Задержка τкn связана с пролетом электронов через коллекторный переход. Благодаря сильному полю электроны движутся в нем с предельной скоростью, называемой скоростью насыщения uнас. При оценках τкп обычно принимается равным половине времени пролета электронов через обедненный слой коллекторного перехода tкпр:

  (9.4)

где lк - ширина коллекторного перехода, а скорость дрейфа принята равной скорости насыщения uнас.

Компонента задержки τк в (9.2) обусловлена временем перезарядки барьерной емкости коллекторного перехода СK через сопротивления базовой rб и коллекторной rк областей:

  (9.5)

Уменьшение ширины базовой области примерно до 0,1 мкм снижает τб до единиц пикосекунд. В этом случае граничная частота в основном будет определяться τэп и τкп, которые примерно равны 10 пс. Поэтому для увеличения fгp необходимо выдвигать дополнительные требования: уменьшение емкости эмиттерного перехода Cэ, ширины коллекторного перехода lк и сопротивления коллекторной области rк, влияющего на значение τк.

Однако требования, предъявляемые к СВЧ транзисторам, противоречивы. Например, повышение концентрации примеси, необходимое для уменьшения ширины коллекторного перехода (уменьшения lк), приводит к росту емкости этого перехода. Уменьшение площади перехода для снижения его емкости будет сопровождаться падением мощности транзистора. Необходимого уменьшения величин rк и lк можно добиться повышением концентрации примеси, но при этом произойдет сужение коллекторного перехода, увеличится емкость, а кроме того, снизится напряжение пробоя и выходная мощность. Таким образом, повышение граничной частоты биполярного транзистора сопровождается падением мощности и важнейшим ограничением является напряжение пробоя коллекторного перехода, которое зависит и от выбора полупроводникового материала.


Проводниковые материалы