Приборы и устройства СВЧ, КВЧ и ГВЧ диапазонов

261

— пороговое напряжение) проводимость диода Gд0 имеет максимальное значение на пролетной частоте fпр и уменьшается при отклонении рабочей частоты f от fпр . Зависимость Gд0 от

Условием возбуждения колебаний в диоде (рис. 4.3) будет

Gдн < Gдо .

Колебательная мощность диода Ганна определяется:

и при изменении нагрузки будет иметь экстремум (см. раздел 4,

рис. 4.4, в).

dU1

что диод отдает максимум мощности в нагрузку Pmax при следующих значениях U1опт и Gнопт :

U1опт = Umax 2 = 2Uпор , Gнопт = 0,5 Gдо . (9.58)

Максимальная мощность диода при этом равна:

Из выражения (9.55) в номинальном режиме на f = fпр при Gн = Gнопт мощность принимает максимально возможное значение Pmax н , равное

КПД ηэл = Pmax н P0 , величина тока диода может быть найдена с

помощью формулы I0 ≈ Uпор (2R0 ) .

Расчет ГДГ проводится по заданной выходной мощности Pвых и частоте генерируемых колебаний f для эквивалентной

схемы диода с доменом сильного поля (рис. 9.40), которая подключается в точках а-а, эквивалентной схемы рис. 9.25, а.

262

Рис. 9.40 — Эквивалентная схема рабочей области кристалла

Параметры этой схемы, если известен диод и его некоторые характеристики, могут быть найдены [23] с помощью формул:

ского поля, при которой дрейфовая скорость имеет минимальную

даются, исходя из частоты и типа используемой в колебательной

г) Определяется напряжение питания U0 = U1 + Uпор .

д) Рассчитывается потребляемая мощность источника пита-

ж) Рассчитывается (9.54) реактивная проводимость диода, которая затем компенсируется реактивной проводимостью нагрузки и контура Вд = −Вп .

263

з) Конструируется колебательная система.

Конструкции генераторов на диоде Ганна включают уз-

лы: резонансная система, вывод энергии, которые могут выполняться на основе любой передающей линии (коаксиальной, волноводной, полосковой). Механические короткозамыкатели будут служить для перестройки частоты колебаний. Регулировка связи с нагрузкой достигается с помощью подстроечных штырей или диафрагм. ГДГ находят широкое применение в модулях ММВ.

Конструкция генератора 8-миллиметрового диапазона на волноводе показана на рис. 9.41. Диод Ганна 3 монтируется на винтовом держателе 4 и установлен над штырем 6 посредине широкой стенки волновода. Волновод имеет заниженное сечение и короткозамкнут с одной стороны поршнем 2. Выход генератора осуществлен на волновод с сечением 7,2·3,4 мм.

6

7

1

8

9

Рис. 9.41 — Генератор на диоде Ганна волноводной конструкции

Посредством токопроводящей пружины 8 и штыря 6 со структурой CLC-типа, выполняющего роль ФНЧ в цепи питания, на диод подается напряжение питания. Для подавления низкочастотных колебаний в цепи питания генератора применена последовательная антипаразитная RC-цепочка 9, подключенная параллельно диоду. Значения сопротивления R и емкости С составляли

264

10 Ом и 3, 3 ×10−9 Ф соответственно. Корпус генератора 1 выпол-

нен из латуни. Габаритные размеры генератора 40× 27× 25 мм. Экспериментальные исследования показывают, что в генераторах описываемой конструкции возможно согласование импедансов ДГ и колебательного контура генератора в широком диапазоне частот. При одновременной перестройке и согласовании импедансов полоса перестройки равна ±16 % . Выходная мощность ге-

нератора в полосе частот генерируемых колебаний — не меньше 70 мВт. В генераторах с фиксированным положением диода механическим перемещением поршня достигается перестройка в полосе ±7, 5 %. При этом мощность генератора на краях полосы перестройки уменьшается на 1,5 дБ по сравнению с уровнем мощности на частоте f0 . При перестройке более ±10 % уменьшение мощности превышает 3 дБ.

1

Рис. 9.42 — Генератор на диоде Ганна волноводной конструкции с полосно-отражающим объемным резонатором: 1 — согласующий трансформатор; 2 — резонатор;

3 — отверстия связи; 4 — поглотитель

Генератор волноводной конструкции 8-миллиметрового диапазона с включенным полосно-отражающим стабилизирующим резонатором из инвара 36Н показан на рис. 9.42. Здесь расстояние между плоскостью включения диода и центром ближнего отверстия связи резонатора 2 с волноводной секцией равно l1 ~

λв , а расстояние между центрами отверстий связи l2 = λв . Рас- 2

стояние l1 зависит от значения индуктивности штыря, держащего

диод, реактивных параметров ДГ и изменяется с помощью волноводных вставок. Отверстия связи 3 герметизированы кварцевой

265

пластинкой. Собственная добротность резонатора равна (12...13) ×103 , нагруженная добротность равна Qн = 1800. Погло-

титель 4 служит для подавления паразитных типов колебаний и устойчивой генерации на основной частоте. Габаритные размеры генератора 55× 40× 40 мм.

9.3 Полупроводниковые СВЧ-транзисторы

В основе работы СВЧ-транзисторов лежат те же физические процессы, которые определяют их работу на низких частотах. Однако есть ряд факторов, ограничивающих возможность использования низкочастотных транзисторов в микроволновом диапазоне. Этими факторами являются:

∙время пролета носителей заряда;

∙постоянные времени заряда емкостей p-n-переходов, вызывающие запаздывание процессов;

∙влияние паразитных емкостей и индуктивностей элементов конструкции транзистора. Все три фактора приводят к изменению конструкции структуры транзисторов.

9.3.1 Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (БПТ) — приборы с двумя взаимодействующими p-n-переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению и мощности. Слово «биполярный» означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. От порядка чередования различают БПТ типа n-p-n и типа p-n-p, обозначения которых на рис. 9.43.

266

Рис. 9.43 — Биполярные транзисторы типа n-p-n и типа p-n-p

Исходным материалом для изготовления планарного транзистора (рис. 9.44) служит пленка 6 высокоомного кремния с проводимостью n-типа, создаваемая методом эпитаксиального наращивания на подложке 7, на которой формируют вывод коллектора прибора [1].

Рис. 9.44 — Устройство планарного биполярного СВЧ-транзистора

Методом ступенчатой фотолитографии в изолирующей пленке создают окна, через которые в несколько стадий вводят легирующие примеси и формируют область базы 4 с проводимостью p-типа, низкоомную приконтактную область базы 5 p+-типа, а в дальнейшем — эмиттерную область 3 с проводимостью n+-типа. Металлическая пленка 1 и 2 обеспечивает подачу управляющих напряжений соответственно к базе и эмиттеру транзистора. На границе эмиттер-база создается обедненный подвижными носителями заряда эмиттерный p-n-переход 8.

В активном режиме эмиттерный переход работает при прямом смещении, коллекторный — при обратном. Эмиттерный переход открыт, происходит инжекция электронов из эмиттерной

267

области в базовую область транзистора, а из базовой области в эмиттерную — диффузия дырок.

Чтобы не уменьшить эффективность инжекции эмиттера, концентрацию доноров в эмиттере делают большей, чем концентрация акцепторов в базе. Таким образом, можно считать, что в базу через эмиттер вводится электронный ток. Поскольку концентрация электронов в базе мала, диффузионное движение электронов на границе эмиттер-база не прекращается, а простирается на всю область базы. Основная доля диффузионного потока электронов достигает границы обедненного подвижными зарядами слоя p-n-перехода база-коллектор. В обедненном слое коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, действует сильное внутреннее электрическое поле неподвижных ионизированных примесей. Вектор электрического поля в p-n-переходе направлен навстречу движению электронов, и поле является ускоряющим для электронов, подошедших к границе коллекторного перехода. Напряженность электрического поля в коллекторном переходе велика. Так, при напряжении коллектора ~10 В и при ширине коллекторного p-n-перехода порядка микрометров напряженность Е-поля составляет несколько киловольт на сантиметр. В таком сильном поле характер движения электронов меняется, становясь дрейфовым. Электроны вытягиваются полем из границы база-коллектор коллекторного p-n-перехода и переносятся через обедненный слой перехода в коллектор.

Для уменьшения времени пролета заряда через базу транзистора уменьшают размеры lБ базы (рис. 9.44) до десятых долей микрометра. Наличие сверхтонкой базы является одной из особенностей транзисторов СВЧ.

Уменьшение толщины базы снижает величину предельного обратного напряжения коллектор-база для выбранного материала, что уменьшает выходную мощность транзистора. Чтобы не уменьшать мощность, в одном корпусе делают несколько транзисторных структур.

Уменьшение толщины базы приводит к увеличению сопротивления базы в поперечном направлении (рис. 9.44, в направлении оси х) и к увеличению постоянной зарядки емкости коллекторного перехода, что снижает верхнюю рабочую частоту транзистора. Для уменьшения поперечного сопротивления базы об-

268

ласть под базовым выводом легируют, создавая более низкоомный слой базы p+-типа (область 5 на рис. 9.44).

Протекание базового тока приводит к возникновению неравномерного падения напряжения на распределенном сопротивлении материала базы (рис. 9.45). Падение напряжения на эмиттерном переходе, возникающее из-за протекания тока, в центре

эмиттера меньше, чем у края (при ± lЭ ). Плотность тока эмиттера

2

экспоненциально зависит от напряжения на p-n-переходе. Поэтому падение напряжения на различных участках вдоль оси х приведет к различию в значениях плотности тока в центре и на краю примерно на порядок. Возникает эффект «оттеснения тока эмит-

тера» (рис. 9.45, б).

Рис. 9.45 — « Эффект оттеснения тока эмиттера»

Чем тоньше полоска эмиттера lЭ , тем равномернее ток по

эмиттеру (рис. 9.45, в), но тем больше его длина по оси z, чтобы обеспечить нужный ток без превышения допустимой величины. Длину эмиттера обеспечивают, выполняя его в виде большого числа отдельных полосок (до 15), между которыми располагаются полоски выводов базы (рис. 9.46, а).

Предельная частота (ГГц) гребенчатой структуры (рис. 9.46) маломощных и малошумящих транзисторов оценивается [20] значением

где lЭ и t — размеры, показанные на рис. 9.46, а, выраженные в микрометрах.

269

Для мощных СВЧ-транзисторов используется объединение в одном кристалле большого числа единичных структур (до 150) с сохранением большого отношения периметр/площадь, что необходимо для уменьшения емкости эмиттера, шунтирующей p-n- переход (рис. 9.46, б).

Рис. 9.46 — Структуры СВЧ-транзисторов: а — гребенчатая; б — многоэмиттерная; 1 — вывод эмиттера; 2 — вывод базы

Выводы СВЧ-транзисторов делают в виде коротких полосок, удобных для сочленения с микрополосковыми линиями передачи. Такая геометрия выводов снижает «паразитные» емкости и индуктивности.

9.3.2 Полевые транзисторы СВЧ

Полевые транзисторы СВЧ (ПТР) изготовляют из арсенида галлия с электронной электропроводностью. Наибольшее распространение получили приборы с затвором, выполненным в виде барьера Шоттки. Мощный ПТР представляет собой совокупность соединенных параллельно ячеек.

Структура одной ячейки полевого транзистора с барьером Шоттки (ПТШ) изображена на рис. 9.47. В ПТШ имеются высокоомная подложка (с удельным сопротивлением более 107 Ом), бу-

ферный слой с концентрацией доноров nб ≈ 1013 см−3 , активный

270

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 (З) — в виде барьера Шоттки.

Рис. 9.47 — Структура ячейки полевого транзистора с барьером Шоттки

Для одиночной ячейки мощного транзистора характерны

ку.

Установлено, что для ПТШ максимальная рабочая частота

но, увеличение предельной рабочей частоты ПТШ связано с возможностью увеличения uн и уменьшения L . Так как uн макси-

мально для арсенида галлия, то этот материал предпочтителен при изготовлении ПТШ. Размер канала в основном ограничивается возможностями технологии. Разработаны ПТШ с длиной затвора 0, 5 мкм и шириной 200 мкм. Они обеспечивают коэффи-