Особенности свч транзисторов

Для оценки ВЧ параметров БТ можно воспользоваться выражением для коэффициента качества ВЧ-транзистора, определив его как произведение коэффициента мощности в степени ½ на ширину полосы:

, (3)

где f_I – предельная частота усиления по току; r_B – сопротивление базы; С_к – емкость коллектора.

Коэффициент качества можно также выразить через время задержки сигнала между эмиттером и коллектором τ_эк:

. (4)

Полученное уравнение содержит три основных параметра: сопротивление базы, емкость коллектора и время задержки сигнала, которые при конструировании СВЧ-транзистора должны быть сведены к минимуму.

Сопротивление базы возникает вследствие протекания небольшого базового тока из области базового контакта. В планарном транзисторе этот ток протекает параллельно плоскости эмиттерного и коллекторного переходов. Поскольку базовая область имеет конечную величину сопротивления, ток базовой области будет создавать в ней поперечное падение напряжения. Распределения тока и напряжения в базовой области будут зависеть от размеров структуры и удельного сопротивления различных частей области. Поперечное падение напряжения в базе может влиять на работу транзистора, так как части эмиттера, наиболее удаленные от базового контакта, будут работать при меньшем смещении, чем близлежащие части. Такой эффект объясняется тем, что вся эмиттерная часть перехода находится практически при одном и том же потенциале благодаря малому сопротивлению эмиттерной области. Чтобы устранить этот эффект самосмещения эмиттера, конструируют эмиттер с большой величиной отношения периметра к площади, например, в виде ряда длинных узких полосок, так что величина поперечного падения напряжения на каждой полоске оказывается очень малой.

Для минимизации емкости коллектора и, следовательно, улучшения СВЧ-характеристик транзистора следует свести к минимуму площадь коллектора.

ПТШ

В настоящее время основными активными приборами в микросхемах являются полевые транзисторы с затвором Шотки (ПТШ) благодаря простоте изготовления и возможности применения во многих устройствах СВЧ диапазона (рис. 4).

Рис. 4. Поперечный разрез структуры ПТ с барьером Шоттки

Полевые транзисторы СВЧ, как правило, изготовляют из арсенида галлия с электронной электропроводностью. Наибольшее распространение получили приборы с затвором, выполненным в виде барьера Шоттки. Мощный полевой транзистор представляет собой совокупность соединенных параллельно ячеек. Структура одной ячейки ПТШ изображена на рис. 5. В ПТШ имеется высокоомная подложка (с удельным сопротивлением более 10⁷ Ом), буферный слой с концентрацией доноров n_б ≈ 10¹³ см^-3, активный слой арсенида галлия n-типа электропроводности (n ≈ 10¹⁷ см^-3) и контакты металл-полупроводник, причем исток (И) и сток (С) выполнены в виде омических кон­тактов, а затвор (3) − в виде барьера Шотки.

Для одиночной ячейки мощного транзистора характерны следующие размеры: высота активного слоя h = 0,2...0,5 мкм; высота подложки h_п= 100...300 мкм, высота буферного слоя h_б = 2...5 мкм, длина затвора l = 0,5...5 мкм, длина канала l_кн = 0,7...7,0 мкм, ширина ячейки W = 80...100 мкм.

Обычно в усилителе транзистор включают по схеме с общим истоком. На рис. 6 показано включение ПТШ по постоянному току.

Механизм работы полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки. Как видно из рис. 6, между истоком и стоком ПТШ включен источник постоянного напряжения U₀. В результате в активном слое транзистора создается электрическое поле, вы­зывающее дрейф электронов по каналу от истока к стоку.

Рис. 5. Структура ячейки полевого транзистора с барьером Шоттки

Рис. 6. Схема включения полевого транзистора по постоянному току

Между затвором и истоком включен источник постоянного напряжения U_см, запирающего барьер Шоттки, поэтому в области барьера образуется двойной заряженный слой: положительный в полупроводнике, отрицательный в металле. Положительно заряженный слой создается ионизированными донорами, здесь средняя концентрация электронов существенно меньше концент­рации доноров. Отрицательно заряженный слой образуется в результате накопления электронов в электроде затвора. Картина здесь приблизительно такая же, как в случае резкого р-n-перехода.

Слой под затвором, обедненный электронами, уменьшает высоту канала. Если помимо постоянного напряжения U_см к затвору приложить переменное напряжение u₃(t) то в соответствии с изменением этоuj напряжения изменяется эффективная высота канала h_эфф, а следовательно, и ток стока:

,

где j_эфф – плотность тока стока.