Романюк_Приемопередающие_устройства

На характеристиках можно выделить три области:

I - область сильной зависимости iк от uб и слабой зависимости iк от uк, она называет-

ся активной, или недонапряженной;

II - область слабой зависимости iк от uб и сильной зависимости iк от uк, она называ-

ется областью насыщения, или перенапряженной областью;

III - область отсутствия коллекторного тока iк при наличии uб и uк, она называется областью отсечки.

В случае, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт, транзистор ра-

ботает в активной области. Когда оба перехода открыты, транзистор находится в области насыщения. Области отсечки соответствуют закрытые состояния обоих переходов. В

приемопередающих устройствах применяют, главным образом, активный режим работы транзистора и режим отсечки.

В приемопередающих устройствах транзисторы работают либо при малых амплиту-

дах в активной области, либо при больших амплитудах с переходом из области в область,

так что конкретный вид переходных участков несущественен. Поэтому простейшим ви-

дом является кусочно-линейная аппроксимация. Аппроксимированные характеристики приведены на рис.6.4.

Рис.6.4. Аппроксимированные ВАХ биполярного транзистора: а - переходные; б - выходные

Аналитическая запись аппроксимированных характеристик имеет вид:

• в I и III областях

iк S uб Uотс , если uб Uотс, iк 0, если uб Uотс;

во II области

iк Sгрuк .

31

Кроме того, введено понятие напряжение отсечки Uотс, т.е. напряжение на базе, ниже которого коллекторный ток пропадает.

Таким образом, при использовании статических характеристик достаточно знать три параметра транзистора: S, Sгр, Uотс.

6.3. Инерционность биполярного транзистора

Если открыть эмиттерный переход и подвести к нему гармоническое напряжение, то эмиттерный ток будет иметь вид

iэ Iэ1 cos t .

При очень низких частотах время пролета электронов через базу существенно меньше

периода колебаний и коллекторный ток синфазен с колебаниями тока эмиттера:

iк Iк1 cos t .

С ростом частоты колебаний начинает сказываться время пролета электронов t и

коллекторный ток:

где t t - фаза отставания коллекторного тока от эмиттерного.

На рис.6.5 изображены векторные диаграммы токов в транзисторе на низких и повы-

шенных частотах.

С появлением фазового сдвига между эмиттерным и коллекторным токами возрастает ток базы в силу соотношения

I э1 Iк1 Iб1.

Рис.6.5. Векторные диаграммы токов в транзисторе: а - низкие частоты; б - повышенные частоты

32

Базовый ток увеличивается за счет емкостной составляющей, т.е. на повышенных час-

тотах начинает сказываться влияние диффузионной емкости эмиттерного перехода.

Увеличенный ток базы вызывает падение напряжения на сопротивлении потерь базы rб , которое вместе с напряжением эмиттерного перехода амплитуды Uэ.п повышает ам-

плитуду напряжения на базе Uб . Из-за совместного влияния эквивалентной схемы транзи-

стора R, Сдиф и rб колебания напряжения uб(t) и тока iк t имеют фазовый сдвиг s

(рис.6.6).

Рис.6.6. Диаграмма, поясняющая появление фазового сдвига между колебаниями напряжения на базе и коллекторного тока

При построении диаграммы рис.6.6 учтено соотношение

Uб1 Uэ.п1 Ur б1 ,

где Urб1 Iб1rб .

В результате на тех частотах, где время пролета t соизмеримо с периодом колебаний,

статические ВАХ транзистора iк (uб , uк ) становятся неоднозначными.

Для оценки частотных свойств транзистора рассматривают зависимость модуля ко-

эффициента усиления тока в схеме с ОЭ от частоты колебаний , где Iк1 .

Iб1

При достаточно высоких частотах ток базы равен току диффузионной емкости эмит-

терного перехода, т.е.

Iб1 j Qдиф1 ,

где Qдиф1 - амплитуда первой гармоники диффузионного заряда. Коллекторный ток прак-

тически равен току генератора, поэтому в соответствии с (6.3)

33

Частотные свойства транзистора принято оценивать граничной частотой ft. Граничная частота транзистора - это частота, на которой модуль коэффициента усиления тока тран-

зистора, включенного по схеме с общим эмиттером, равен единице.

Из (6.4) видно, что

34

7. Полевые транзисторы

Существует несколько разновидностей полевых транзисторов (ПТ). В высокочастот-

ных каскадах приемопередатчиков используют ПТ с каналом n-типа, так что физические процессы в транзисторе определяются движением электронов. Наиболее широко для соз-

дания усилителей и генераторов диапазона частот более 1 ГГц применяют полевые тран-

зисторы с барьером Шоттки (ПТШ), а для частот миллиметрового диапазона длин волн -

полевые транзисторы на гетеропереходах с селективным легированием. Для них принято обозначение HEMT (High Electron Mobility Transistor) - транзисторы с высокой подвиж-

ностью электронов.

7.1. Полевой транзистор с затвором Шоттки

Структура ячейки ПТШ представлена на рис.7.1.

Рис.7.1. Структура ПТШ

ПТШ выполняют по планарной технологии. На нелегированный арсенид галлия нано-

сят слой GaAs n-типа проводимости. Металлические контакты истока (И) и стока (С) к

этому слою выполняют невыпрямляющими, т.е. омическими. Контакт затвор - полупровод-

ник представляет собой барьер Шоттки.

В канале транзистора (n-типа GaAs) существуют подвижные электроны, а под затво-

ром оказывается положительно заряженный слой, образованный донорами примесей.

Схема включения ПТШ по постоянному току представлена на рис.7.2.

Рис.7.2. Схема включения ПТШ по постоянному току

35

Между стоком и истоком включают постоянное напряжение Еп такой полярности, ко-

торая вызывает дрейф электронов по направлению И - С. Величина тока стока зависит от площади сечения канала S = hd:

где qe - заряд электрона; n - концентрация электронов; д - их дрейфовая скорость; h -

высота; d - ширина канала.

Затвор ПТШ всегда находится в закрытом состоянии. Если к затвору, наряду с посто-

янным, подвести переменное напряжение, то область положительного заряда в канале бу-

дет меняться, высота канала станет периодической функцией времени и ток, определяе-

мый выражением (7.1), будет переменным. При подключении к стоку резонатора в нем будут возбуждаться электромагнитные колебания.

Таким образом, в ПТШ происходит такое же преобразование энергии, как и в бипо-

лярном транзисторе: энергия постоянного электрического поля источника питания стока преобразуется в кинетическую энергию электронов, которая преобразуется в энергию электромагнитных колебаний.

7.2. Эквивалентная схема ПТШ

Простую модель транзистора в виде эквивалентной схемы на сосредоточенных пара-

метрах можно составить, учитывая структуру транзистора, изображенную на рис.7.1. Ток между затвором и истоком, а также между затвором и стоком определяется емкостью барье-

ра Шоттки. Эта емкость образована положительным зарядом доноров в канале Q и отрица-

тельным зарядом избытка электронов в металлическом контакте затвора. Емкость затвора Шоттки можно представить в виде двух частей:

- емкость со стороны истока Cз - и dQ ; duз

- емкость со стороны стока Cз - c dQ . duc - з

Здесь uз - напряжение между затвором и истоком; uc - з - напряжение между стоком и

затвором.

Кроме емкостных токов, в ПТШ существует ток проводимости, обусловленный дви-

жением электронов по каналу. Для учета его влияния в схему включено сопротивление канала Rк (рис.7.3).

36

Рис.7.3. Эквивалентная схема ПТШ

Следует отметить, что область положительного заряда под затвором несимметрична -

заряд занимает больший объем со стороны стока. Это приводит к тому, что Cз - и Cз - c ,

схеме учтены сопротивления омических контактов полупроводник - исток, полупровод-

ник - сток и металлических полосок истока rи, затвора rз и стока rс. Обычно они не пре-

вышают нескольких ом.

ПТШ используют при закрытом барьере Шоттки (в случае его открытия увеличивает-

ся опасность сгорания транзистора), поэтому Cз - и и Cз - c - емкости закрытого барьера и описываются вольт-кулонными характеристиками, аналогичными выражению (5.3).

Постоянная времени вх цепочки Cз - и Rн для GaAs составляет

вх 1,5 1012 c ,

что дает возможность рассчитать сопротивление канала по известной величине емкости

Cз - и .

Генератор тока iг может быть описан выражением, аналогичным (6.3), справедливым для БТ:

Здесь qy - управляющий заряд, образованный электронами, пролетающими канал от исто-

ка к стоку; t - среднее время пролета канала.

Управляющий заряд может быть представлен в виде qу (t) qк qc t ,

где qк - заряд канала, полностью заполненного электронами; qc t - заряд емкости Cз - и .

При возбуждении транзистора гармоническим током qc t и qy t - гармонические функции времени. Поэтому считаем, что

37

Подставляя (7.3) в (7.2), найдем ток iк t .

В самом грубом приближении эквивалентная схема ПТШ описывается характеристи-

кой одного нелинейного элемента iг и параметрами остальных элементов - rз , rи , rc , Cз - и ,

7.3. Статические вольт-амперные характеристики ПТШ

Вольт-амперные характеристики ПТШ представляют собой семейства зависимостей iс(uз, uс), которые могут быть записаны в виде переходных характеристик iс(uз) при uс в ка-

честве параметра либо выходных характеристик iс(uс) при uз в качестве параметра. Графи-

ки этих характеристик изображены на рис.7.4.

Как видим, ВАХ ПТШ похожи на ВАХ БТ. Здесь также имеется напряжение отсечки на базе, ниже которого ток стока прекращается. При uз = Uотс обедненная электронами об-

ласть перекрывает канал.

Рис.7.4. Статические вольт-амперные характеристики ПТШ: а - переходные характеристики; б - выходные характеристики

Рабочей областью ПТШ является диапазон отрицательных напряжений на затворе.

При напряжении на затворе, превышающем потенциал барьера Шоттки, увеличивается ток затвора, что может привести к сгоранию транзистора. Так же как и в случае БТ, на ВАХ полевого транзистора имеются области: I - область сильной зависимости iс от uз и

слабой зависимости iс от uс; II - область слабой зависимости iс от uз и сильной зависимости iс от uс. Эти обстоятельства позволяют применить для аппроксимации ВАХ те же анали-

тические соотношения, что и для БТ.

38

7.4. Другие типы транзисторов

Помимо ПТШ, в приемопередающих устройствах широко применяют двухзатворные по-

левые транзисторы со структурой затвора: металл - диэлектрик - полупроводник (МДП). У

транзисторов этого типа - правые переходные ВАХ (рис.7.5). Особенность их в том, что ток стока зависит и от напряжения на первом затворе Uз1 и от напряжения на втором затворе Uз2.

В результате появляется возможность осуществления преобразования частоты.

Рис.7.5. Статические переходные характеристики двухзатворного МДП-транзистора

Полевые транзисторы структуры HEMT. В последние годы усиленно осваивается диапазон миллиметровых длин волн. Для того чтобы усиливать мощность колебаний милли-

метрового диапазона и избежать неустойчивости работы усилителей в случае применения схем с общей базой или общим затвором, разработаны транзисторы с высокой подвижностью электронов. Это различные виды структур НЕМТ (High Electron Mobility Transistor) [3]. Идея увеличения подвижности электронов состоит в следующем. Величина подвижности зависит от уровня легирования полупроводника примесями. Наибольшая подвижность - в чистых

(нелигированных) полупроводниках. Например, типичный НЕМТ содержит слой нелегиро-

ванного GaAs, к которому изготовлены омические контакты истока и стока, так же как и у ПТШ. Под затвором на GaAs нанесен слой AlGaAs n-типа. На границе металлического затво-

ра и полупроводника AlGaAs образуется барьер Шоттки, который создает обедненную поло-

жительно заряженную область в AlGaAs.

На границе двух полупроводников AlGaAs и GaAs образуется гетеропереход. В результате в чистый GaAs вытесняется облако электронов, которые под действием электрического поля,

приложенного между истоком и стоком, движутся по направлению к стоку. Благодаря тому что арсенид галлия не легирован, подвижность электронов оказывается весьма высокой - до 10000

см2/(В∙с) и выше, в то время как в ПТШ, выполненном на n-GaAs, подвижность составляет ~

39

8000 см2/(В∙с). Еще более высокие подвижности можно ожидать при использовании для НЕМТ других материалов.

Эпитаксиальная структура транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT)

приведена на рис.7.6.

Рис.7.6. Структура транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT)

Биполярный транзистор с гетеропереходом (структура HBT). Биполярные транзи-

сторы структуры HBT (The heterojunction bipolar transistor) разработаны с целью достиже-

ния больших мощностей на высоких частотах там, где применяются относительно мало-

мощные полевые транзисторы.

В отличие от полевых транзисторов, биполярные HBT имеют вертикальную структу-

ру, что облегчает отвод тепла и позволяет увеличивать мощность усиливаемых колебаний.

40