Материал: Metoda_po_sdache_ekzamena_po_mikrovolnovke

Особенности конструкции:

• затвор выполнен в виде барьерного контакта типа Шоттки (позволяет исключить инжекцию дырок в канал и связанную с ней диффузионную емкость)

• наличие полуизолирующей подложки, которая при высоком качестве исходного материала практически не влияет на величину порогового напряжения и вид ВАХ.

• выводы делают в виде коротких полосок, удобных для сочленения с микрополосковыми линиями передачи

• исток и сток имеют омические контакты, с точки зрения получения потока электронов они неразличимы, т.е. в такой конструкции, в отличие от триода, при изменении полярности приложенных напряжений на противоположную, прибор будет сохранять свои свойства;

• на границе затвор-полупроводник образуется обедненный слой (ОС)

ВАХ:

Рисунок 3 – Форма ВАХ и обедненного слоя при насыщении тока в ПТШ (левый рисунок)

Зависимость тока стока от напряжения исток-затвор при фиксированных напряжениях на стоке , т.е называется входной характеристикой. Зависимость тока стока от напряжения сток-исток при фиксированных напряжениях на затворе , т.е называется выходной характеристикой

Динамические параметры:

• входное сопротивление

• внутреннее сопротивление транзистора

• крутизна стокозатворной характеристики

• напряжение отсечки

Эквивалентная схема:

Рисунок 4 – Эквивалентная схема ПТШ

Предельная частота, связь ее с физико-топологическими параметрами структуры:

Частотный диапазон работы прибора зависит от паразитных реактивных параметров (паразитное сопротивление и паразитная емкость). Увеличение этих параметров сужает диапазон.

Важно отметить, что элементы схемы имеют достаточно хорошую физическую интерпретацию и могут быть рассчитаны, исходя из физико-топологических параметров прибора. Хорошая физическая обусловленность элементов дает адекватное отражение ВЧ свойств транзистора в широком частотном диапазоне при неизменных параметрах схемы. В случае использования схемы в верхней части рабочего диапазона частот обычно проводят коррекцию числовых значений элементов схемы методами параметрического синтеза, используя измеренные параметры рассеяния в качестве целевой функции (см. ниже). Более того, подобные эквивалентные схемы с успехом используются для нелинейного анализа. Зависимость параметров от приложенного напряжения может быть выражена аналитически. Это относится, прежде всего, к основным параметрам: . Для общего случая эти величины могут быть комплексными, ввиду задержки тока на изменение приложенного напряжения на электродах:

G – крутизна

Граничная частота

Универсальным способом корректного описания линейного режима транзистора, как элемента микроволнового тракта, является использование параметров рассеяния – S-параметров. Этому способствует высокая точность измерений этих параметров, обеспечиваемая современными векторными анализаторами цепей. Эти параметры определяют связь нормированных падающих и отраженных волн на входе и выходе транзистора

(странный вопрос, абзац, который начинается с важно отметить, стоит писать если хоть что то поняли, потому что я ничего не понял, но решил вставить, на всякий случай, вдруг это важно)

Параметры рассеяния:

27. Способы повышения предельной частоты и мощности транзистора. Сравнение материалов для изготовления транзисторов: кремний, арсенид галлия, карбид кремния, нитрид галлия, фосфид индия, алмаз.

Способы повышения предельной частоты и мощности транзистора.

Рисунок 1 – Структура полевого транзистора с барьером Шоттки

Рассмотрим малосигнальную эквивалентную схему ПТШ, учитывающую паразитные емкости:

Рисунок 2 – Эквивалентная схема ПТШ

- входная емкость, - емкость обратной связи. Граничная частота – частота, при которой комплексная амплитуда входного тока равна комплексной амплитуде выходного тока , или же:

(пусть обратная связь отсутствует, значит );

Отсюда видно, что граничная частота f обратно пропорциональна индуктивности и сопротивлению затвора, емкости затвор-канал, сопротивлению и индуктивности истока и прямо пропорциональна проводимости канала. Для улучшения частотных свойств имеет смысл уменьшать эти параметры, уменьшая размеры затвора и истока, а также увеличивать проводимость канала, увеличивая подвижность носителей заряда. Подвижность можно увеличить, уменьшив длину канала. Таким образом, будет происходить меньше актов столкновения носителей заряда с кристаллической решеткой полупроводника.

Сравнение материалов для изготовления транзисторов: кремний, арсенид галлия, карбид кремния, нитрид галлия, фосфид индия, алмаз.

Сравним характеристики материалов, из которых изготавливается ПТШ:

Таблица 1

Из таблицы видно, что при создании мощных приборов наиболее подходят карбид кремния и нитрид галлия. Эти материалы имеют достаточно высокую максимальную температуру работы, при этом большую по сравнению с другими материалами критическую напряженность поля. Карбид кремния имеет достаточно большую теплопроводность, использование этого материала может значительно упростить теплоотвод в мощных приборах.

Из домашнего задания №3. Вариант 1

Тенденция использования в современных транзисторах GaN, InP, SiC, алмаз С

Основной причиной поиска новых материалов для транзисторов стало необходимость повышения мощности, повышения рабочих температур и увеличения быстродействия. Разберем основные отличия новых материалов по сравнению с традиционными Si, Ge и GaAs.

Нитрид галлия GaN является прямозонным полупроводником типа А3В5. Его ширина запрещенной зоны при комнатной температуре составляет 3.4 эВ, что на 2 эВ больше, чем у GaAs. Благодаря этому повышается рабочая температура, на которой может работать транзистор. Чем больше рабочая температура, тем больший ток можно пустить через структуру и тем больше критическая напряженность поля, при которой происходит пробой. Таким образом увеличивается мощность и частота, что активно используется в СВЧ-технике.

Фосфид индия InP имеет небольшую ширину запрещенной зоны (1.27 эВ при комнатной температуре), поэтому работа с большими мощностями невозможна. Однако он обладает наибольшей скоростью насыщения и низким уровнем шумов, что позволяет использовать его в схемах, где необходимо быстродействие (например, НЕМТ-транзисторы).

Карбид кремния SiC является непрямозонным полупроводником типа А4В4. Его ширина запрещенной зоны составляет от 3.28 до 3.03 эВ в зависимости от политипа. Его высокие рабочие температуры, высокая механическая прочность и хорошая теплопроводность позволяет работать с большими мощностями, недостижимыми для других полупроводников.

Алмаз С обладает самой большой шириной запрещенной зоны (5.4 эВ), при которой материал все еще можно использовать в качестве полупроводника. Он обладает очень большим напряжением пробоя, хорошей теплопроводностью и высокой подвижностью носителей заряда. Благодаря этим качествам его можно использовать в очень мощной СВЧ-электронике.

Из домашнего задания №3. Вариант 2.

GaN, SiC, C

Эти материалы позволили создавать приборы, работающие в верхней части микроволнового диапазона 100...200 ГГц. Их применение и сокращение размеров активной области до размеров порядка 0,05...0,1 мкм привело к возможности получения вакуумного переноса носителей, подобного процессу переноса в вакуумных приборах. Также эти материалы относятся к широкозонным (GaN, SiC), за счет их использования на порядок повышается выходная мощность полупроводниковых усилителей и генераторов в микроволновом диапазоне. В настоящее время разработаны HEMT-транзисторы на основе GaN, способные отдавать мощность до 100 Вт в диапазоне частот до 6 ГГц. На этих транзисторах можно разрабатывать усилители с выходной мощностью до нескольких кВт.

InP

Этот материал характеризуется высокой низкополевой подвижностью, большей чем у GaAs скоростью насыщения. Применение InP в гетероструктурных биполярных транзисторах дает возможность получать большую разницу ∆Wn и ∆Wp. Таким образом удается поднять уровень легирования в базе, что позволяет не только уменьшить толщину базы, но и существенно снизить ее паразитное сопротивление. В целом это приводит к увеличению критической частоты.

28. Схемотехнические аспекты применения транзисторов в микроволновом диапазоне. Малошумящий усилитель.

В микроволновых устройствах детекторные диоды монтируют в так называемые детекторные головки, где встроены согласующие элементы и разъемы для включения в типовой микроволновый тракт: коаксиальный, микрополосковый, волноводный и т. п. В гибридных ИС диоды монтируются на печатную плату, на которой размещены также согласующие и соединительные элементы. На рисунке 1 а показана эквивалентная схема такой ИС и топология (рис. 1 б) устройства. Параметры схемы приведены для диода SMS7630. Схема обеспечивает коэффициент стоячей волны (КСВ) порядка 1,2 в диапазоне 1...18 ГГц. В данной схеме имеются дополнительные элементы, обеспечивающие развязку цепей подачи смещения, микроволновой части и выходной НЧ цепи. Для этого применяются фильтры, выполненные на распределенных и сосредоточенных элементах. Четвертьволновый шлейф на входе используется для трансформации короткого замыкания в холостой ход. Это обеспечивает беспрепятственное прохождение ВЧ сигнала на диод. Такой же шлейф, присоединенный к другому контакту диода, обеспечивает холостой ход на выходном контакте диода и отсутствие прохождения ВЧ сигнала в цепь подачи смещения.

В настоящее время область применения детекторных диодов расширяется за счет их использования в системах беспроводной передачи энергии. Они служат для приема микроволновой энергии и преобразования ее в энергию постоянного тока, аналогично работе солнечных элементов. Большое количество диодов образуют приемную антенну, называемую ректенной (от англ. rectifying antenna — выпрямляющая антенна). В таком применении требования малых шумов уходят на второй план, а КПД преобразования и устойчивость к повышенному уровню мощности на первый.

Рис. 1 а – эквивалентная схема; б – топология устройства

Схемотехнические особенности применения смесительного диода

Рис. 2 Простейшая схема смесителя микроволнового дипазона

На рисунке 2 изображена схема простейшего преобразователя частоты. В ней на смесительный диод СД подаются сигналы от антенны А и от гетеродина. На диод подается также постоянное смещение от источника U. Полосно-пропускающий фильтр ППФ (преселектор) позволяет настроиться на сигнал с нужной частотой. Сигнал гетеродина поступает на СД через направленный ответвитель НО. Смещение на диод подается через фильтр нижних частот, образованный компонентами С_ф, L_ф2. Сигнал промежуточной частоты поступает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ) через индуктивность L_ф1, препятствующую прохождению на вход усилителя высокочастотных составляющих спектра. Для согласования диода с микроволновым трактом используется плунжер Пл.

Рис. 3 Схема балансного смесителя

• Для компенсации амплитудных шумов гетеродина используются различные балансные схемы. Широкое аспространение получила схема двухдиодного балансного смесителя (БС), в котором используется 3 дБ направленный ответвитель. Такие ответвители получили название мосты. На рисунке 3 показана упрощенная конструкция волноводного балансного смесителя. Она состоит из двух смесительных секций с диодами D₁ и D₂, к которым через волноводный щелевой мост (ВЩМ) подаются: сигнал на частоте w_s с мощностью P_s и сигнал гетеродина на частоте w_г с мощностью P_г.