Файл: Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.07.2024
Просмотров: 94
Скачиваний: 0
-40 -
4.Cffi - ТРАНЗИСТОРЫ
Первые транзисторы, способные генерировать и уси
ливать |
колебания с частотой ;> іГГц »появились в 1358- |
53 гг. |
Ото были маломощные микросплавные и меза-тран- |
застовы. В настоящее время СЗЧ-транзисторы применяются в качестве усилителей слабых сигналов на частотах до 10 ГГц а усялтелей мощности до 4 ГГц. Это кремниевые планарные, транзисторы со структурой п -р ~ п »имеющие встречно-штыревую геометрию. На рис.30 показаны зависи мости выходкой мощности и коэффициента шума от частоты,
достигнутые к концу 1970 г.
іЛ
Рис.30. Величины выходкой мощности и коэффициент шума.,достигнутые к концу 1973 г. в СВЧ-
'диапазоне.
Предельной частотой использования транзистора явля
ется максимальная частота'генерации -£ (наивысшая ча- |
|||
стота, |
|
J MCKC' |
без |
на которой прибор может генерировать в схеме |
|||
потерь, |
или частота, на |
которой коэффициент усиления по |
|
мощности равен единице) |
.определяемая выражением [ 5 ] |
* |
- 41
где - предельная частота передачи тока эмиттера,об
ратно пропорциональная времени пролета носителей заря
да в базе: ■ - постоянная времени коллекторной цепи.
Чем мощне% транзистор, |
тем |
ниже его предельная |
частота. |
|
Создание' сравнительно |
мощных СВЧ-транзисторов с |
|||
-г |
>'/ОГГи может |
быть |
осуществлено только |
в резу- |
jMOtfc |
^ |
|
|
|
льтате значительного уменьшения размеров активной об - ласти транзистора {и без того малых ) при одновременномувеличении тока эмиттера. Конструктивно это означает
уменьшение толщины базы до 0,35 мш, а области эмиттера до 0,2 мкм; уменьшение ширины эмиттера до 1 мкм и увели чение отношения периметра эмиттера к площади базы.
У планарных транзисторов максимальный ток прибора
пропорционален периметру ( площади периферийной части) эмиттера, а величина емкости 0^ пропорциональна его
ширине. Благодаря этому использование встречно-штыре вой геометрии позволяет создать транзисторы с очень большим отношением рабочего тока к величине емкости Ск$.
Таким образом, встречно-штыревая геометрия является наиболее оптимальной для СВЧ-транзисторов. На рис.31
изображено конструкция современного кремниевого планар
ного транзистора со структурой /7 -р - л , изготовлен
ного по’эпитаксиальной технологии. Прибор предназначен для усиления слабых сигналов в полосе частот 1-4 ГГц, имеет встречно-штыревую геометрию,действительные разме ры которой приведены на рисунке. Транзистор обеспечи вает усиление .равное 7 дБ при коэффициенте шума
42 -
1 -вывод базы: 2-вывод эмиттеса; 3-плен
ка S/Ог ; 4- р - область;- Ь-эпитаксиальный л -слой; 6- л*-слой; 7-металлическая
подложка.
Максанальная выходная мощность В мВт.
В мощных СЕЧ-транзисторах для улучшения теплоот
вода применяется разделение гребенчатой структуры на отдельные ячейки,аклеченные .параллельно. На рис.32,а ■ схематически изображена конструкция созданного з Г?70г.
мощного, транзистора, состоящего из |
32 |
ячеек |
со |
встреч |
||
но-штыревой геометрией (р и с .3 2 ,ö ) .На |
частоте |
4 п'-д |
||||
выходная |
мощность транзистора в' непрерывном |
режсмс рав |
||||
на 2 |
Вт |
при к .п .д . 50% . Коэффициент |
усиления |
составляет |
||
7 ДБ.’ |
|
|
|
|
|
|
: |
Для |
защиты отдельных ячеек от |
перегрузки током в |
' эмиттерные и базовые цепи'введены резистивные поглоти-
.тели. Наличие микрорезисторов несколько сникает к .п .д . транзистора, но значительно повышает его надежность.
Эs
1.2 NM
s
Рис-32. Конструкция мощного СВЧ-транзистора. Серьезным недостатком транзисторов,состоящих из
большого количества параллельно включенных ячеек,яв - ляістся очень низкие значения входного и выходного соп ротивлений , затрудняющие согласование кх с-источником сигнала и нагрузкой.
Современные СВЧ-транзисторы являются довольно "нежными” устройствами. Превышение питающего напряже ния, ошибка в полярности, подключение несогласованной нагрузки - все это приводит к мгновенному выходу тран зисторов из строя. В.-нормальном рабочем режиме она об ладают достаточна вжокой надежностью.
4
44
Раздел второй
ЛАБИННО-ПРСЛЕТНЫЕ! ДИОДЫ
■Введение
В1358 году Рид предложил полупроводниковый диод
сдинамическим отрицательным сопротивлением в диапазо не СВЧ. Принцип действия диода Рида основан на исполь зовании эффекта ударной ионизации в р - п -переходе при обратном смещении для получения пакета носителей заря да, который при дальнейшем движении в пролетном прост ранстве взаимодействует с электромагнитным полем СБЧ.
Позднее любые диоды с подобным механизмом генерирования СЗЧ колебаний получили название лавинно-пролетных ЛПД .. Предложенный Ридом диод имел очень сложную структуру
/}* -р — |
р * |
, образованную несколькими ступенчатыми |
|
переходами. Практическое осуществление диода Рида |
|
||
встретило |
значительные технологические трудности. |
|
|
В '1359 г . |
в СССР-А.С.Тагером'было обнаружено |
и ис |
|
следовано |
излучение колебаний СВЧ при ударной ионизации |
||
в диффузионных диодах с плавным р - п —переходом |
[ 5 |
||
Первые промышленные ЛПД появились только в 1965 г. |
|||
Они имели |
значительно более простую структуру по сравне |
||
нию со структурой Рида, однако позволяли получать |
зна |
чительные мощности колебаний СВЧ. Основные достоинства ■
ЛПД,обеспечивающие их чрезвычайно быстрый прогресса
*
Т.ЛПД могут работать"в дециметровом,сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн на частотах от £00 &Гц
- 45 -
до 340 ГГц.
2. Из всех твердотельных приборов ЯПД являются
наиболее мощными СЗЧ-генератораын в ценные непрерывных колебаний (5 Вт на 14 ГГц)*
3'. Обладают самым высоким к |
.п .д. |
в своем |
диапазоне |
||
рабочих частот |
(60% - і ГГц, |
43% |
- 5 |
ГГц )*". |
|
4. На базе |
ЛПД .возмонно |
создание |
дешевых |
источни |
ков СЕН-энергий, работающих при сравнительно низких питающих напряжениях, с высоким к.п .д . »большой надеж ностью и длительным сроком службы.
5. Могут быть использованы в интегральных схемах СВЧ-аппаратуры.
Несмотря на кажущуюся простоту устройства ДПД, в
основе механизма их работы лежат очень сложные физичес кие процессы. Ниже дается их качественное.описание.
1 .ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЛПД (качественное рассмотрение)
Движение носителей заряда в сильных электрических полях
Под воздействием постоянного электрического поля
свободные носители ускоряются и скорость их перемеще ния в направлении поля (дрейф) увеличивается.Однако вследствие рассеяния на неоднородностях кристалличес кой решетки полупроводника движение носителей заряда
электронов и |
дырок |
носит |
преимущественно хаотический; |
\ Z |
: |
" |
: |
дадные откосятся к |
1 ?70 г.- |
|
- 46 -
характер. В чистых кристаллах германия и'кремния,лишен
ных примеси, рассеяние носителей заряда вызывается глав ным образом тепловыми колебаниями решетки.
Намеренные зависимости дрейфовых скоростей электро
нов и дырок от напряженности электрического поля,приве
денные в ['Г] |
.изображены на рис. |
33. |
Как видно из рисун |
||
ка, начиная с |
некоторого значения |
напряженности электри |
|||
ческого поля,подвижность носителей уменьшается и при |
|||||
некотором .критическом значении |
поля |
£ = £ ’^рнаступает на |
|||
сыщение дрейфовой скорости носителей.Значение |
для элек |
||||
тронов и дырок несколько отличается. |
|
Е германии |
насыще |
||
ние0дрейфовой скорости рлектронов |
наступает при полях |
||||
|
S/Wt а дырок при |
EKp-(2~5)-jQ lt в/ш |
.тогда |
как для кремния критические значения поля примерно равны
2-10^43/ для электронов и 5 ■Ю ^/сл для дырок.При темпера-
/См,
туре кристаллической решетки около 300°К скорости дрейфа электронов и дырок в сильных полях (Е & 40** &/'см) мало отличаются друг от друга и практически не изменяются с увеличением напряженности поля. Скорость насыщения (мак симальная скорость дрейфа] носителей..заряда и з германии, и в кремнии составляет —107c™/c .
Ударная ионизация и лавинный пробой
вр - п -переходах
Всильных электрических полях при значениях напря женности поля в полупроводнике,превышающих 10^ ^/см не которые носителизаряда (электроны я .дырки) увеличивают свою9энергию до значений,достаточных для ударной иони зации атомов кристаллической, решетки. Б результате иони зации возникают новые пара электрон-дырка. Этот процесс *
47
от напряженности электрического поля: а - для германия,- б - для кремния.
приводит к некоторому уЕеліічекпп концентрации по.дбих^ ш:
носителей заряда и, следовательно,протекающего через
полупроводник тока.
Бри увеличении напряженности электрического поля
?вероятность ионизации атомов гасителями ззряда гз время
|
- 48 - |
|
их движения в сильном поле |
возрастает и при некотором |
|
значении |
Е = Е п^ достигает |
единицы, при этом каждая но |
вая пара |
электрон-дырка создает в среднем еще пару но |
сителей заряда. Процесс ионизации становится самопод держивающимся ( лавинным ). Ток 'В полупроводнике резко возрастает до величины,ограниченной сопротивлением внеш ней цепи^-происходит лавинный пробой. Для возникновения лавины вполне достаточно термогенерированных свободных
носителей заряда, которые всегда имеются в переходах.
Область- р - г -перехода, в которой .взвивается лавинный
пробой, представляет собой слой полупроводника,полу чивший название слоя лавинного умножения.
3 тонком слое лавинного умножения количество носи
телей непрерывно растет по экспоненциальному закону, пока электрическое поле в этом слое превышает значение
Епр . Экспоненциальный рост числа носителей заряда про
исходит при любом значении Е> ЕПр , однако скорость
увеличения количества носителей тем больше, чем больше
превышение напряженности поля |
над значением |
Е„р. Таким |
|
образом, если напряжённость электрического |
поля изменяе |
||
тся во |
времени относительно |
Епр ,.то ток проводимости |
|
в слое |
умножения всегда достигает максимального значения |
в момент, когда поле в'слое падает до величины,практи чески совпадающей с ' £ , как показано на рис. 34 .
2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ' СТРУКТУР ЛПД
.Для работы-ЛПД необходима определенная картина рас пределения ("профиль") электрического поля при приложе нии постоянного напряжения смещения к диоду.Требуемая картина распределения поля обеспечивается соответствую-