Генератори

ВСТУП

Висновок

Список використаної літератури.

Польові транзистори із затвором Шотткі (ПТШ) на сьогоднішній день одним з основних базових елементів твердотільних схем НВЧ. Розробка ПТШ є результатом наполегливих пошуків, спрямованих на створення надвисокочастотних (НВЧ) транзисторів сантиметрового і міліметрового діапазонів довжин хвиль. Завдяки винятковій простоті структури ПТШ вдалося перебороти конструктивні і технологічні проблеми, пов’язані з виготовленням польових НВЧ транзисторів. Найбільш істотною перевагою структури ПТШ у порівнянні з іншими типами НВЧ транзисторів є відсутність р–n–переходів. Використання контакту метал–напівпровідник замість р–n–переходу дозволяє виключити з технологічного процесу операцію дифузії і виготовляти ПТШ із довжиною каналу 0,5–1 мкм.

Арсенід галію, що використовується в ПТШ має рухливість носіїв заряду, яка в 3–4 рази перевищує рухливість носіїв заряду в кремнії. Напівізолюючий арсенід галію, на якому вирощуються робочі епітаксіальні шари, має унікальні ізоляційні властивості, що значно спрощує завдання зменшення паразитних ємностей у структурі транзистора.

1.Теоретична відомості

1.1. Властивості напівпровідникового матеріалу в транзисторах Шотткі

Польові транзистори із затвором Шотткі є основними активними елементами напівпровідникових мікросхем на арсеніді галію. Сьогодні у промисловості вже серійно випускають мікросхеми і дискретні польові транзистори із затвором Шотткі на арсеніді галію. Головна мета розроблення таких приладів полягає у підвищенні швидкодії. Цифрові арсенід-галієві мікросхеми належать до типу надшвидкісних, а аналогові, як правило, призначені для роботи в діапазоні надвисоких частот.

Таблиця 1. Властивості напівпровідникових матеріалів

Перспективність використання арсеніду галію в електроніці зумовлена цілою низкою його властивостей. Основні властивості матеріалів наведені в таблиці 1. Арсенід галію має рухливість носіїв заряду, яка перевищує приблизно в п’ять разів рухливість носіїв заряду в кремнії що дає змогу створювати високочастотніші прилади. Крім того арсенід галію має більшу ширину забороненої зони порівняно з кремнієм, що є необхідною умовою працездатності приладів та мікросхем за підвищених температур. Нелегований арсенід галію має високий питомий опір, що дає змогу створювати напівізолюючі підкладки, на яких вирощуються епітаксійні шари n-типу провід­ності, в яких формуються елементи мікросхем. Напівізолююча підкладка спрощує завдання зменшення паразитних зв'язків як в структурі транзистора із затвором Шотткі, так і в цифрових мікросхемах. У напівпровідникових мікросхемах така підкладка використовується для ізоляції елементів.

Вище наведено основні електрофізичні параметри арсеніду галію і крем­нію за Т=300 К (див. таблицю 1).

За деякими параметрами арсенід галію поступається кремнію. Так, наприк­лад, висока густина поверхневих станів в МДН-структурах на арсеніді галію поки що не дає змоги створювати на його основі високоякісні МДН-транзистори. Низька рухливість дірок і малий час життя неосновних носіїв заряду ускладнює розроб­лення біполярних транзисторів. З цих причин найоптимальнішим активним елементом, що дає змогу реалізувати переваги арсеніду галію в напівпровідникових мікросхемах порівняно з кремнієм, є польовий транзистор із затвором Шотткі.

1.2.Структура польового транзистора із затвором Шотткі

Структуру польового транзистора із затвором Шотткі на арсеніді галію зображено на рис. 1. Найістотнішою перевагою цього транзистора порівняно з іншими типами НВЧ-транзисторів є відсутність p­n-переходів. Заміна p­n-переходу затвора випрямним контактом метал-напівпровідпик дає змогу виключити з технологічних операцій створення транзистора дифузією і виготовляти прилади з каналом завдовжки 0,25-1,0 мкм.

Рис.1. Структура польового транзистора із затвором Шотткі на арсеніді галію:

1-витік; 2-затвор; 3-стік; 4- епітаксійна слабколегована плівка n-типу; 5-напівізолювальна підкладка; 6-канал; 7-область збіднення

У структурі польового транзистора із затвором Шотткі (рис. 1) на напівізолювальній підкладці нанесено епітаксійну плівку, товщина якої під затвором становить близько 0,1-0,3 мкм, а концентрація домішки . Як легувальну домішку використовують кремній, селен, сірку тощо. На епітаксійній плівці виготовлено омічні контакти витоку і стоку. Для покращання характеристик омічних контактів під електродами витоку і стоку розташовані n⁺-ділянки. Витоком називають електрод, від якого основні носії заряду надходять в канал; стоком - електрод, в який входять основні носії заряду із каналу. Металевий електрод затвора (сплав титан-вольфрам) утворює з напівпровідником n-типу провідності випрямляючий контакт - бар'єр Шотткі, типова рівноважна висота якого становить 0,8 еВ. Провідний канал між витоком і стоком розташовується в епітаксійній плівці і обмежений зверху збідненою ділянкою бар'єра Шотткі, а знизу - напівізолювальною підкладкою.

Затвор розташований між контактами витоку і стоку, на які подаються напруги. Під контактом затвора утворюється зона, в якій рухливі носії практично відсутні – область збіднення. Товщина області збіднення може бути змінена під дією керуючої напруги між витоком і затвором. Модуляція товщини області збіднення приводить до зміни провідності каналу. Оскільки зміна провідності каналу між витоком і стоком досягається за рахунок прикладення до затвора керуючого сигналу дуже малої потужності, ПТШ може бути використаний в якості підсилювального або ключового елемента.

Струм у каналі польового транзистора обумовлений дрейфом основних носіїв. Тому швидкодія приладу визначається тільки швидкістю зміни заряду під затвором приладу. При малих струмах у каналі різниця потенціалів між витоком та стоком мала, тому глибина збідненого шару під затвором буде приблизно однаковою. У цьому випадку струм стоку І_с пропорційний напрузі стоку U_c. Область вольтамперних характеристик, у якій спостерігається пропорційність між І_с та U_c називається крутою областю. При зростанні товщина збідненого шару і напруженість електричного поля у провідній частині каналу стають істотно неоднорідними.

1.3.Принцип дії польових транзисторів із затвором Шотткі

Принцип дії польових транзисторів із затвором Шотткі такий. Між затвором і витоком подається керуюча напруга (U_з), на стік - додатна (U_с). За зміни керуючої напруги змінюється товщина збідненого шару d_н(U_з)товщина провідного каналу d_к(U_з)= d₀-d_н(U_з)його провідність і струм стоку. Оскільки зміну провідності каналу між витоком і стоком можна регулювати під час прикладення до затвора керуючої напруги малої потужності, то польовий транзистор з затвором Шоткі може бути використаний як підсилювач і як ключ.

Якщо напруга на затворі підвищується за відсутності напруги на стоці, то межа збідненого шару може досягати напівізолювальної підкладки. При цьому товщина каналу і струм стоку дорівнюють нулю.

За малої товщини епітаксійного шару n-типу провідності напруга відсікання може бути додатною. В інтегральних схемах на основі арсеніду галію використовують польові транзистори з бар’єром Шотткі, для яких U_відс=-2,5-+0,2В. Якщо U_відс<0, то при U_з=0 канал є провідним і транзистор називають нормально відкритим — аналогічно до МДН-транзистора з вбудованим каналом. При U_відс >0 і U_з=0 канал перекритий збідненим шаром і транзистор називають нормально закритим — аналогічно до МДН-транзистора з індукованим каналом. За підвищення напруги на стоці і при U_з=0 товщина збідненого шару в ділянці стоку зростає і при U_с.нас досягає напівізолювальної підкладки. Збільшення товщини збідненого шару при U_з=0 пояснюється тим, що за збільшення струму стоку із зростанням напруги на стоці спад напруги в каналі (I_CR) зростає в міру віддалення від витоку, в результаті чого підвищується зворотне зміщення на затворі рівномірно від точки y=0 до точки y =L. Тому товщина збідненого шару d_н(y) в точці y =L є найбільшою і дорівнює d₀.

Якщо на затвор подати напругу, то товщина збідненого шару також збільшиться. Тому у цьому випадку перекриття каналу в ділянці стоку (y =L) настає раніше і значення зменшиться.

1.4. Застосування польових транзисторів з бар'єром Шотткі

1.4.1.Підсилювачі

Невеликий коефіцієнт шуму й малі нелінійні спотворення ПТШ пояснюють їх широке застосування в лінійних підсилювачах [3]. Можна виділити дві групи підсилювачів: лінійні малошумлячі й лінійні підсилювачі потужності. Малошумлячі підсилювачі на ПТШ будуються на базі схем включення транзисторів із загальним витоком (ЗВ) (рис.5), тому що ця схема має найбільше посилення при мінімумі шумів.

Рис.2. Схема включення ПТШ із спільним витоком

Для схем з ЗВ можна записати

(1)

Знайдемо коефіціент підсилення для даної схеми:

(2)

Таким чином, щоб отримати більше підсилення необхідно мати більшу крутість і більший опір навантаження, однак величина останнього обмеженаою шунтувальною дією ємностей транзистора (особливо на високих частотах). Тому формула для строгого розрахунку К_підс. на ВЧ досить складна й тут не приводиться. ПТШ робочий перехід утворюється безпосередньо під поверхнею електрода затвора й тому має значно меншу площу бічної поверхні електрода, що приводить до зниження ємності С_з. Польові транзистори з метало-напівпровідниковим затвором завдяки малій прохідній ємності й малим розмірам електродів мають високі граничні частоти підсилення, що сягають 50...80 ГГц.

Крім того, ПТШ мають більш низькі шуми, ніж інші види транзистоів, особливо в діапазоні вище 6 ГГц.

Малошумлячі підсилювачі (МШП) НВЧ зазвичай використовують у вхідних колах приймачів для підсилення вхідного сигналу без спотворення закладеної в цьому сигналі інформації. До МШП висувають такі вимоги: збереження працездатності в необхідній смузі робочих частот, низький коефіцієнт шуму, великий динамічний діапазон, низький коефіцієнт стоячої хвилі (КСХ), мала нерівномірність АЧХ, висока лінійність ФЧХ, стабільність параметрів при зміні зовнішніх умов (температури, радіації й т.д.)

1.4.2. Підсилювачі потужності

Останнім часом велика увага починає приділятися розробці потужних ПТШ на основі GaAs. Це пов'язане з тим, що ПТШ – триполюсний прилад зі слабким зворотним зв'язком, що забезпечує високу ізоляцію виходу від входу. Остання обставина є основною перевагою ПТШ перед лавинно-провідними діодами (ЛПД), інжекційно-пролітними діодами й діодами Гана. Аналіз звичайної структури ПТШ показує, що вона не є оптимальною для потужних транзисторів. Концентрація домішок в епітаксіальному шарі звичайно дорівнює 10¹⁶…10¹⁷. Така висока концентрація дає можливість одержати велике значення S, але приводить до зменшення напруги пробою, що становить 5...10 В (рис.3). Введення шару з малою концентрацією домішки в структуру ПТШ для збільшення напруги пробою поліпшує коефіцієнт підсилення по потужності, тому що вихідна ємність зменшується.

Рис. 3. Структура ПТШ із i –шаром

1.4.3. Інші види підсилювачів

Подальші дослідження привели до створення польових транзисторів із двома затворами, які (рис.4) у порівнянні з однозатворними транзисторами мають підвищену функціональну здатність і менше значення зворотного зв'язку (збільшуючого коефіцієнта підсилення по потужності й коефіцієнт стійкості), але більший коефіцієнт шуму. Однак розрахунок показує, що при використанні епітаксіального шару різної величини вдається значно знизити коефіцієнт шуму К_ш і підвищити коефіцієнт підсилення К_підс. Крім того, у цьому випадку коефіцієнт стійкості більше одиниці.

Переваги такого транзистора – можливість регулювання підсилення шляхом подачі напруги зміщення на один із затворів; динамічний діапазон такого регулювання 35 дб. Подібні транзистори застосовуються в каскадах посилення проміжної частоти, де вимоги до шумів знижені, а основним є одержання найбільшого підсилення.

Рис.4. Структура двозатворних ПТШ:

1 - витік; 2 - затвор 1; 3 - затвор 2; 4 – стік

В GaAs структурах за рахунок міждолинного переносу носіїв можливе створення хвиль просторового заряду. Таким чином, вхідний сигнал високої частоти може переноситися дрейфуючим просторовим зарядом і підсилюватися до значення, що перевищує граничне, коли в напівпровіднику буде створюватися умова негативної диференціальної рухливості. На цьому принципі будуються твердотілі підсилювачі біжучої хвилі. Поліпшення параметрів таких підсилювачів може бути отримане на основі структури, що є комбінацією ПТШ і підсилювача біжучої хвилі.

У такому транзисторі біжучої хвилі через бар'єр Шотткі здійснюється керування хвилями просторового заряду в епітаксійній плівці (рис.5).

Рис. 5. Транзистор біжучої хвилі

На підсилювачі було отримано смугу підсилюваних частот 8...16 ГГц.

ПТШ стали використовуватися для створення НВЧ генераторів зовсім недавно. Однак перші досліди говорять, що й у цій області ПТШ володіє рядом чудових властивостей, у ПТШ поєднані переваги генераторів на діодах Ганна й ЛПД: низька напруга живлення й високий ККД (коефіцієнт корисної дії). Високоякісний ПТШ має мале значення внутрішнього зворотного зв'язку. Це спрощує створення на його основі генератора (необхідний зворотний зв'язок створюється зовнішнім колом, що досить легко розраховується). Структурна схема одного з варіантів генератора показана на рис.6.

Рис.6. Структурна схема НВЧ генератора на основі ПТШ: 1 - коло зворотного зв'язку; 2, 3 - узгоджуючі кола; 4, 5- фільтри подачі змішання

Малопотужні генератори на ПТШ застосовуються для збудження низько-рівневих балансових змішувачів. Для підвищення потужності генераторів на ПТШ збільшують ширину затвора. Так, при використанні польового транзистора із шириною затвора 7500 мкм було отримано вихідну потужність 1 Вт на частоті 10 ГГц, що порівняно з потужністю генераторів на діоді Ганна.

1.4.5. Змішувачі

У теперішній час польові транзистори з затвором Шотткі в діапазоні частот вище 6 ГГц мають незаперечні переваги перед біполярними транзисторами: низький К_ш, значно більшу максимальну частоту, великий динамічний діапазон, низькі інтермодуляційні спотворення, можливість одержання посилення при перетворенні. Ці переваги спонукали розроблювачів досліджувати можливість побудови змішувачів НВЧ діапазону, на основі ПТШ. Напруга зміщення польового транзистора виробляється сигналом гетеродина, що прикладається до затвора й модулює крутість прибору періодично. Структурна схема змішувача на ПТШ показана на рис.7.

Крім того, використовуючи симетрію транзистора, тобто взаємозамінність у деяких випадках стоку й витоку, можна сполучити в одному пристрої функції змішувача й модулятора. Напрямок проходження сигналу по такому пристрою змінюють комутуючи напруги живлення. Особливо доцільно застосовувати такі змішувачі-модулятори в тракті приймально-передавальних пристроїв.

Рис. 7, Змішувач на ПТШ: 1a - гетеродин; 1б - генератор сигналу; 2 - вентиль; 3 – узгоджуючі кола; 4 - аналізатор спектру

1.4.6. Інші застосування ПТШ

Хоча насамперед ПТШ являють собою підсилювальний, активний прилад, його також широко використовують і в інших випадках.

Можливе використання ПТШ як резистора. У цьому випадку на затвор подається напруга зміщення, що і визначає номінал резистора. Таким чином, ПТШ служить змінним опором, керованим напругою на затворі.

Транзистор при зворотному зміщенні робочого переходу може використовуватися як конденсатор або варикап. Використовуючи перехід транзистора, неважко реалізувати спрямлюючі діоди. В НВЧ ПТШ використовуються як узгоджуючі кола у підсилюючих каскадах. Вельми перспективною галуззю застосування ВЧ ПТШ на GaAs можна вважати використання цих транзисторів в якості перемикачів середньої потужності для систем зв’язку з високою швидкістю передачі даних (порядка гигабіт).

Крім того, ПТШ становлять основу розроблювальних зараз цифрових надшвидкодіючих великих інтегрованих схемах (ВІС) на GaAs. Уже досягнута швидкодія 4⋅109 біт/с. Зокрема, у найпростіших тригерах на ПТШ при Т = 77°К час перемикання становить ~17 нс, що близько до швидкодії переходів Джозефсона при гелієвих температурах.

При розробці пристроїв на ПТШ виникли труднощі, пов'язані із широко смужним узгодженням вхідних і вихідних кіл транзистора, створенням кіл настроювання, живлення й зміщення. Тому що всі ці ланцюги пов'язані із ПТШ, вони вносять значні паразитні ємності в схему, погіршуючи її властивості. Значно зменшити ці ємності можна ізоляцією вхідних та вихідних кіл від транзистора. Одним з методів ізоляції є зміна характеристик транзистора (його підстроювання) під дією випромінювання. Цим методом можна спростити деякі із зазначених вище кіл і здійснювати настроювання пристрою в широких межах.

1.5.Конструктивні особливості

- напівпровідниковий матеріал, на основі якого виготовлено прилад
(наприклад, епітаксійна плівка арсеніду галію n- типу провідності);

- тип провідності каналу (наприклад, n- типу);

- матеріал затвора (наприклад, сплав титан-вольфрам);

- матеріал напівізолювальної підкладки (наприклад, нелегований арсенід галію).

1.6.Геометричні розміри

- довжина каналу L = 0,5мкм;

- ширина каналу W= 100мкм;

- товщина епітаксійної плівки арсеніду галію d₀ =0,1 мкм.

1.7.Електрофізичні параметри елементів приладу

- концентрація донорної домішки в каналі N_d =1·10¹⁷см^-3;

- рухливість електронів в каналі транзистора

- рівноважна висота потенційного бар'єру в затворі Шотткі

1.8.Постановка задачі для курсового проектування

Під час розрахунку необхідно визначити:

· основні електричні параметри (опір повністю відкритого каналу R_ko; напругу відсікання ; напругу на стоці , за якої струм стоку досягає насичення);

· розрахувати бар’єрну ємність та побудувати вольт-ємнісну характеристику бар’єра Шотткі;

· розрахувати сім’ю вихідних статичних вольт-амперних характеристик, побудувати графіки та оцінити крутість характеристик в режимі насичення.

У пояснювальній записці курсового проекту необхідно обґрунтувати:

1. В чому полягає переваги використання арсеніду галію для створення польових транзисторів із затвором Шотткі?

2. Пояснити виникнення насичення струму стоку на вихідних ВАХ польового транзистора із затвором Шотткі?

3. Який параметр польового транзистора із затвором Шотткі характеризує його підсилювальні властивості в режимі малого сигналу? За яких умов цей параметр може приймати максимальне значення?

4. Який за величиною і від яких чинників залежить вхідний опір польового транзистора із затвором Шотткі?

5. Нарисувати і пояснити статичні характеристики передачі для нормально відкритого і нормально закритого польових транзисторів із затвором Шотткі?

6. Пояснити, як впливає товщина епітаксійної плівки, концентрація домішки в ній на крутість характеристики і швидкодію польових транзисторів із затвором Шотткі?

7. Від яких чинників і як залежить гранична частота і час перемикання польових транзисторів із затвором Шотткі?

Дата добавления: 2015-08-31