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/ν1, |∆|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