36. Особенности, за и против применения мощных полевых и биполярных транзисторов.

В зависимости от назначения мощные СВЧ МОПТ характеризуются диапазоном рабочих частот, выходной мощностью Р₁, коэффициентом усиления по мощности K_ур, коэффициентом полезного действия , уровнем нелинейных искажений и собственных шумов и т.д. Для генераторных транзисторов основным качественным критерием является уровень выходной мощности, отдаваемой прибором в нагрузку на определенной частоте или в диапазоне частот при максимально возможных K_ур и . Поэтому выбор конструкции и расчет топологии структуры мощного генераторного МОПТ необходимо производить, исходя прежде всего из требуемого значения Р₁. Выходная мощность Р₁ ограничена значениями максимально допустимых напряжений исток – сток U_CИ.макс, сток – затвор U_CЗ.макс, максимально допустимой мощностью рассеяния Р_макс и максимально допустимым током стока I_макс. Без учета потерь мощности на объемном сопротивлении стока R_c выходная мощность МОПТ в критическом режиме класса В связана с I_макс и U_CИ.макс следующим известным соотношением:

P₁=I '_c(U_{СИ.макс} – U_ост)8, (3.77)

где U_ост = I '_cR_СИ.отк – остаточное напряжение стока;

I '_c ≈I'_макс – ток стока при U_СИ=U_{ЗИ.макс}·U_СИ=U_ост

Максимально допустимое напряжение U_{ЗИ.макс}= 20...25 В, как правило, не является ограничивающим фактором для выходной мощности СВЧ МОПТ. Оно может быть только превышено при работе транзистора с малыми углами отсечки (0 < 70^о).

Требуемое значение U_{СИ.макс} определяется напряжением источника питания цепи стока Е_с, которое для большинства СВЧ-усилителей не превышает 28 В. В недонапряженном и критическом режимах работы амплитуда напряжения на нагрузке примерно равна 2 Е_с, поэтому U_{СИ.макс} и соответственно пробивное напряжение стока U_СИ. _проб с учетом необходимых запасов должно быть U_{СИ. проб} ≥ U_{СИ.макс} ≈ (1,1...1,2) (2Е_с + U_ост) = 65...75 В.

Более высокие значения U_СИ._проб для мощных СВЧ МОПТ обычно нецелесообразны, так как при этом возрастают U_ост и R_СИ.отк, что приводит к уменьшению K_ур и , особенно заметному на высоких частотах. Поэтому при разработке мощного СВЧ МОПТ большое значение имеет правильный выбор исходного материала подложки.

Для наиболее распространенных в  настоящее время конструкций МОПТ с вертикальным n-каналом, изготовленных на кремниевых n^--n⁺-подложках с однородным профилем легирования n^--слоя, оптимальный уровень легирования N_d, толщина (расстояние между металлургической границей стокового p-n-перехода и нижним высоколегированным n⁺-слоем подложки) и удельное сопротивление эпитаксиального n^--слоя для заданной величины U_{СИ.проб} могут быть определены как

N_d  =  60^1,33 , (3.78)

 =  (3.79)

= . (3.80)

Принимая во внимание вид краевой защиты стокового p-n перехода (наличие полевой обкладки, охранного кольца), конфигурацию и радиус кривизны его периферийных областей, а также реальный разброс толщины и удельного сопротивления эпитаксиальных слоев, при выбросе подложки необходимо иметь запас 15...20 % по отношению к значениям параметров, рассчитанным по (3.28)…(3.30).

При проектировании топологии структуры СВЧ МОПТ необходимо знать значение I_макс и суммарную ширину канала Z, требуемые для реализации заданного уровня Р₁, а также минимальные значения длины канала L_к, толщины изолятора затвора и концентрации акцепторов N_а в р-канальной области, обеспечивающие надежную работу прибора при требуемых значениях U_{СИ.макс} и U_{ЗИ.макс}.

Ток стока при известных значениях Р₁ и U_{СИ.макс} в соответствии с (3.77) и учетом того, что U_ост = (0,1...0,2) U_{СИ.макс}, равен

I_макс=8Р₁/0,90...0,80)U_{СИ.макс}  = (8,9...10)Р₁/U_{СИ.макс}. (3.81)

Толщина изолятора затвора обычно выбирается из тех соображений, чтобы при U_{ЗИ макс} не была превышена максимально допустимая для термической двуокиси кремния напряженность поля E_проб = (2...6)^.10⁶В/см:

( U_{ЗИ.макс}– U_пор.), (3.82)

где U_пор – пороговое напряжение (напряжение открывания транзистора).

Используя типичные значения U_пор = 1...2 В, U_{зи.макс} = 20...30 В, E_проб = 2^.10⁶ В/см, из (3.32) получаем = 0,08...0,15 мкм.

Указанное значение U_пор является оптимальным для СВЧ МОПТ, работающих в режиме обогащения, так как при U_пор > 2 В заметно уменьшается эффективное управляющее напряжение затвора (U_{з эф} = U_зи – U_пор), а минимальное значение U_пор ≥ 1 В гарантирует неизменность закрытого состояния транзистора при U_зи = 0 и воздействии повышенных температур вплоть до + 125^оС, при которых напряжение U_пор заметно убывает. Это условие накладывает ограничения на концентрацию акцепторов в р-канальной области МОПТ.

Пороговое напряжение U_пор связано с толщиной окисла и концентрацией акцепторов Na следующим соотношением:

U_пор= , (3.83)

где – плотность положительного ионного заряда в затворном

слое SiO₂;

=12 – относительная диэлектрическая постоянная термического

окисла SiO₂;

n_i = 1,4 ^. 10¹⁰см^-3 (при Т = 300 К) – концентрация носителей в

собственном кремнии;

 – разность работ выхода металла затвора и полупроводника р-

типа.

Подставляя в (3.83) значения U_пор=1...2 В, (2...5) х 10^-8Кл/см², = (1...1,5)^.10^-5см, = –0,9 В (для затвора из алюминия), получаем N_a = (2…6)^.10¹⁶см^-3.

Минимальная длина канала L_к должна быть выбрана такой, чтобы при U_{СИ.макс} = = U_{СИ.проб} исключить вероятность сквозного обеднения канала пространственным зарядом стокового перехода. Расчет L_к (U_{СИ. проб}) можно проводить по формуле для ширины резко асимметричного n⁺р-перехода:

. (3.84)

Из (3.84) следует, что при U_{СИ. макс} = 60 В и N_a = 6 ^.10¹⁶см^-3, Lк = 1,1 ^. 10^-4 см. При таких значениях L_к электроны движутся в канале с дрейфовой скоростью насыщения V_S = (4,5...6)^.10⁶ см/с, которая достигается при напряженностях продольного поля Е = (2...3) ^. 10⁴ В/см, т. е. при относительно небольших напряжениях U_си= E Lк = (1…1,5) ^. 10^-4 х (2...3) ^. 10⁴ = 2...4,5 В.

Влияние поперечного и продольного полей на подвижность носителей в канале обуславливает линейный характер зависимости I_c(U_зи) мощных СВЧ МОПТ в широком диапазоне напряжений U_зи , которую на крутом участке выходных характеристик можно приближенно описать соотношением

, (3.85)

где – подвижность электронов в канале в слабом поле (V_си=0);

= 0,0534В^-1 – эмпирический коэффициент, характеризующий

уменьшение подвижности под действием поперечного

поля затвора (U_зи – U_пор)/ , а член [1+ U_си/ L_к U_cи]

отражает зависимость от продольного поля, созданного

напряжением U_cи;

– коэффициент, характеризующий влияние подложки р-типа на

ток стока:

(3.86)

При заданном напряжении U_зи ток стока достигает своего максимального значения при напряжении насыщения

×

× (3.87)

Приравнивая выражения (3.31) и (3.35) (при U_СИ = U_СИ.нас), получаем формулу для расчета минимальной ширины канала W при заданных значениях Р₁, U_{СИ.макс}, U_{ЗИ.макс} – U_пор = 20 В,  = 600 см²/В^.с:

(3.88)