книги из ГПНТБ / Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие

-40 -

4.Cffi - ТРАНЗИСТОРЫ

Первые транзисторы, способные генерировать и уси­

застовы. В настоящее время СЗЧ-транзисторы применяются в качестве усилителей слабых сигналов на частотах до 10 ГГц а усялтелей мощности до 4 ГГц. Это кремниевые планарные, транзисторы со структурой п -р ~ п »имеющие встречно-штыревую геометрию. На рис.30 показаны зависи­ мости выходкой мощности и коэффициента шума от частоты,

достигнутые к концу 1970 г.

іЛ

Рис.30. Величины выходкой мощности и коэффициент шума.,достигнутые к концу 1973 г. в СВЧ-

'диапазоне.

Предельной частотой использования транзистора явля­

- 41

где - предельная частота передачи тока эмиттера,об­

ратно пропорциональная времени пролета носителей заря­

да в базе: ■ - постоянная времени коллекторной цепи.

льтате значительного уменьшения размеров активной об - ласти транзистора {и без того малых ) при одновременномувеличении тока эмиттера. Конструктивно это означает

уменьшение толщины базы до 0,35 мш, а области эмиттера до 0,2 мкм; уменьшение ширины эмиттера до 1 мкм и увели­ чение отношения периметра эмиттера к площади базы.

У планарных транзисторов максимальный ток прибора

пропорционален периметру ( площади периферийной части) эмиттера, а величина емкости 0^ пропорциональна его

ширине. Благодаря этому использование встречно-штыре­ вой геометрии позволяет создать транзисторы с очень большим отношением рабочего тока к величине емкости Ск$.

Таким образом, встречно-штыревая геометрия является наиболее оптимальной для СВЧ-транзисторов. На рис.31

изображено конструкция современного кремниевого планар­

ного транзистора со структурой /7 -р - л , изготовлен­

ного по’эпитаксиальной технологии. Прибор предназначен для усиления слабых сигналов в полосе частот 1-4 ГГц, имеет встречно-штыревую геометрию,действительные разме­ ры которой приведены на рисунке. Транзистор обеспечи­ вает усиление .равное 7 дБ при коэффициенте шума

42 -

1 -вывод базы: 2-вывод эмиттеса; 3-плен­

ка S/Ог ; 4- р - область;- Ь-эпитаксиальный л -слой; 6- л*-слой; 7-металлическая

подложка.

Максанальная выходная мощность В мВт.

В мощных СЕЧ-транзисторах для улучшения теплоот­

вода применяется разделение гребенчатой структуры на отдельные ячейки,аклеченные .параллельно. На рис.32,а ■ схематически изображена конструкция созданного з Г?70г.

' эмиттерные и базовые цепи'введены резистивные поглоти-

.тели. Наличие микрорезисторов несколько сникает к .п .д . транзистора, но значительно повышает его надежность.

44

Раздел второй

ЛАБИННО-ПРСЛЕТНЫЕ! ДИОДЫ

■Введение

В1358 году Рид предложил полупроводниковый диод

сдинамическим отрицательным сопротивлением в диапазо­ не СВЧ. Принцип действия диода Рида основан на исполь­ зовании эффекта ударной ионизации в р - п -переходе при обратном смещении для получения пакета носителей заря­ да, который при дальнейшем движении в пролетном прост­ ранстве взаимодействует с электромагнитным полем СБЧ.

Позднее любые диоды с подобным механизмом генерирования СЗЧ колебаний получили название лавинно-пролетных ЛПД .. Предложенный Ридом диод имел очень сложную структуру

чительные мощности колебаний СВЧ. Основные достоинства ■

ЛПД,обеспечивающие их чрезвычайно быстрый прогресса

*

Т.ЛПД могут работать"в дециметровом,сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн на частотах от £00 &Гц

- 45 -

до 340 ГГц.

2. Из всех твердотельных приборов ЯПД являются

наиболее мощными СЗЧ-генератораын в ценные непрерывных колебаний (5 Вт на 14 ГГц)*

ков СЕН-энергий, работающих при сравнительно низких питающих напряжениях, с высоким к.п .д . »большой надеж­ ностью и длительным сроком службы.

5. Могут быть использованы в интегральных схемах СВЧ-аппаратуры.

Несмотря на кажущуюся простоту устройства ДПД, в

основе механизма их работы лежат очень сложные физичес­ кие процессы. Ниже дается их качественное.описание.

1 .ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЛПД (качественное рассмотрение)

Движение носителей заряда в сильных электрических полях

Под воздействием постоянного электрического поля

свободные носители ускоряются и скорость их перемеще­ ния в направлении поля (дрейф) увеличивается.Однако вследствие рассеяния на неоднородностях кристалличес­ кой решетки полупроводника движение носителей заряда

- 46 -

характер. В чистых кристаллах германия и'кремния,лишен­

ных примеси, рассеяние носителей заряда вызывается глав­ ным образом тепловыми колебаниями решетки.

Намеренные зависимости дрейфовых скоростей электро­

нов и дырок от напряженности электрического поля,приве­

как для кремния критические значения поля примерно равны

2-10^43/ для электронов и 5 ■Ю ^/сл для дырок.При темпера-

/См,

туре кристаллической решетки около 300°К скорости дрейфа электронов и дырок в сильных полях (Е & 40** &/'см) мало отличаются друг от друга и практически не изменяются с увеличением напряженности поля. Скорость насыщения (мак­ симальная скорость дрейфа] носителей..заряда и з германии, и в кремнии составляет —107c™/c .

Ударная ионизация и лавинный пробой

вр - п -переходах

Всильных электрических полях при значениях напря­ женности поля в полупроводнике,превышающих 10^ ^/см не­ которые носителизаряда (электроны я .дырки) увеличивают свою9энергию до значений,достаточных для ударной иони­ зации атомов кристаллической, решетки. Б результате иони­ зации возникают новые пара электрон-дырка. Этот процесс *

47

от напряженности электрического поля: а - для германия,- б - для кремния.

приводит к некоторому уЕеліічекпп концентрации по.дбих^ ш:

носителей заряда и, следовательно,протекающего через

полупроводник тока.

Бри увеличении напряженности электрического поля

?вероятность ионизации атомов гасителями ззряда гз время

сителей заряда. Процесс ионизации становится самопод­ держивающимся ( лавинным ). Ток 'В полупроводнике резко возрастает до величины,ограниченной сопротивлением внеш­ ней цепи^-происходит лавинный пробой. Для возникновения лавины вполне достаточно термогенерированных свободных

носителей заряда, которые всегда имеются в переходах.

Область- р - г -перехода, в которой .взвивается лавинный

пробой, представляет собой слой полупроводника,полу­ чивший название слоя лавинного умножения.

3 тонком слое лавинного умножения количество носи­

телей непрерывно растет по экспоненциальному закону, пока электрическое поле в этом слое превышает значение

Епр . Экспоненциальный рост числа носителей заряда про­

исходит при любом значении Е> ЕПр , однако скорость

увеличения количества носителей тем больше, чем больше

в момент, когда поле в'слое падает до величины,практи­ чески совпадающей с ' £ , как показано на рис. 34 .

2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ' СТРУКТУР ЛПД

.Для работы-ЛПД необходима определенная картина рас­ пределения ("профиль") электрического поля при приложе­ нии постоянного напряжения смещения к диоду.Требуемая картина распределения поля обеспечивается соответствую-

Рие.34. Зависимость тока 'проводимости в слое умножения эгтри лавинном про­ бое от напряженности поля.

[дкм характером распределений концентрации акцепторных

Л4 и донорных М, атомов примеси (структурой диода).. Структура ЖІД-ото ряд последовательно расположен­

ных областей в монокристалле полупроводника, отличающих­

ся типом и концентрацией атомов примеси,разделенных пе­ реходами; Различают резкие, (ступенчатые) и плавные пе­ рехода:-; з первых концентрация изменяется оченьрезко на протяжении.десятых долей, микрона,а во■вторых.длина перехода измеряёт&я'единицами микронов.Для.образования переходов з ЛПД используются новейшие технологические

I) А А " слабо.легированные области полупроводника, с дырочным, электронным' типом проводимости.Концентрация атомов примеси сравнительно небольшая|л^-//<*/ * ^ ~ 1 0 к