30. Биполярный свч – транзистор и его характеристики.

Применение транзисторов для усиления колебаний СВЧ весьма желательно, так как по сравнению с другими полупроводнико­выми и электровакуумными усилительными приборами они имеют меньший уро­вень собственных шумов, более высокий КПД и низкое напряжение пи­тания. Однако изготовление таких транзисторов представляет собой значительные технологические трудности. В настоящее время разработаны как маломощные, так и мощные биполярные транзисторы из германия, кремния и арсенида галлия для частот в единицы и даже десятки гигагерц. Наилучшие результаты дает из­готовление подобных транзисторов по планарной технологии. В частности, так изготовляются кремниевые СВЧ-транзисторы типа п — р — п. Мощные СВЧ-тран-зисторы могут работать при мощности в импульсе до 100 Вт на частоте до 1 ГГц и до 5 —10 Вт на частотах 4 — 5 ГГц и выше.

Транзисторы малой мощности имеют очень малые размеры. Например, на кремниевой пластинке диаметром 40 мм формируется 8000 транзисторов раз­мером 0,4 х 0,4 мм. Подобные транзисторы делаются обычно бескорпусными, и их часто применяют в микросхемах.

Для уменьшения сопротивления базы и вредного эффекта вытеснения тока к краям эмиттера в биполярных транзисторах для СВЧ обычно создают электроды особой конфигурации, при которой эмиттерная область состоит из ряда полосок малой ширины. Такая геометрия электродов особенно необходима для мощ­ных транзисторов, так как при больших токах эффект вытеснения тока особенно сильно выражен. Существует несколько вариантов этих транзисторов. Чаще всего встречается гребенчатая конструкция, в которой эмиттерная область имеет форму гребенки, а контакты эмиттера и базы чередуются друг с другом . Другим вариантом является многоэмиттерная конструкция, в кото­рой используется ряд отдельных эмиттеров в виде полосок (они могут иметь также форму квадратов или кругов). Все эти эмиттеры соединены параллельно металлическим контактным слоем, нанесенным поверх слоя защитной оксидной пленки. Для маломощного транзистора не требуется большая площадь переходов, и он может быть сделан по тому же принципу, но с малым числом полосок (рис. 6-22), длина которых составляет всего лишь 20 — 30 мкм, а ширина — еди­ницы микрометров.

Важное значение для работы транзистора на СВЧ имеет конструкция корпуса и выводов, обеспечивающая минимальное влияние паразитных емкостей и индуктив-ностей. Применяются, в частности, корпуса с полосковыми, а для более высоких частот - с коаксиальными выводами.

Транзисторы оформляют в герметичных корпусах различной конструкции (металлостеклянные, металлокерамические и пластмассовые). Некоторые мало­мощные транзисторы делают бескорпусными и герметизируют защитными сло­ями лака и эпоксидной смолы. У транзисторов повышенной мощности с кор­пусом, как правило, соединяется коллектор, а сам корпус привинчивается к шасси аппаратуры, что улучшает теплоотвод.

Рис. 6-22. Конфигурация электродов СВЧ-транзи-

стора

1 — вывод базы; 2 — вывод эмиттера; 3 - оксидная пленка

31. Полевые транзисторы

Принцип работы полевых транзисто­ров основан на модуляции площади поперечного сечения, а следовательно, и сопротивления проводящего канала в объ­еме полупроводника под воздействием эффекта поля.

Полевые транзисторы являются униполярными приборами. В качестве затвора в полевых транзисторах мо­жет , использоваться также непосредственный контакт металла с полупроводником. Транзисто­ры с таким затвором называются полевыми транзисторами с барьером Шотки. Поскольку зависимость толщины обедненного слоя резкого р⁺-n-перехода и высоты барьера Шот­ки [см. (2.66) и (3.5)], 2.66

а также основные свойства обоих типов полевых транзисторов одинаковы, ниже рассматрива­ются только транзисторы с р⁺-п-переходом в каче­стве затвора.

Полевой транзистор состоит из n- или р-полупроводника с двумя омическими контактами — истоком и стоком и р⁺- или n⁺-областей, выполняющих функции затворов (рис. 3.39).

Выходным (управляемым) током является ток сто­каI,, входным (управляющим) током — ток затвора /₃, который для обратносмещенных кремниевых переходов небольшой площади составляет 10^-11 А и менее. На р⁺-п-переход затвора подается обратное напряжение. Толщина d обедненного слоя будет изменяться в соответствии с выра­жением (2.66). Так как переход резкий, то практически весь обедненный слой толщиной d будет располагаться в n-области (см. § 2.5). С повышением обратного напряжения на затворе будет увеличиваться толщина d обедненных слоев переходов и соответственно уменьшаться толщина h кана­ла (рис. 3.39). Таким образом, при изменении обратного напряжения на затворе будет изменяться площадь попереч­ного сечения канала, а следовательно, и его сопротивление. Поэтому полевой транзистор представляет собой резистор, управляемый напряжением на затворе. С приложением к стоку положительного по отношению к истоку напряжения будет изменяться ток канала, т. е. выходной ток транзисто­ра. Усиление по мощности в полевых транзисторах реализу­ется за счет малого значения входного тока.

Статические характеристики и параметры.

На рис. 3.40, а, б приведены выходные и передаточные характеристики полевого транзистора. С приложением к стоку положительного относительно истока напряжения по каналу будет проходить ток и обратное напряжение на пере­ходе будет изменяться вдоль осих, возрастая в направлении к стоку. Поэтому толщина обедненного слоя будет увели­чиваться по сравнению с равновесным значением (рис. 3.41, а), а толщина канала — уменьшаться в направлении к стоку и при достаточно большом напряже­нии U_си, произойдет отсечка канала (рис. 3.41, в).В общем случае отсечка канала происходит за счет воз­растания до значения | -U_з.от.|: напряжения |-U_зи| при U_си=0 (рис. 3.41, б); напряжения U_си при U_зи =0 (рис. 3.41, в); уммы напряжений |-U_зи+U_си (рис. 3.41, г), т. е. {–U_з.от| = |-U_зи| + U_си. (3.20) В результате отсечки канала и образования «горловины» происходит насыщение тока стока подобно тому, как в МДП-транзисторах. В дальней­шем, когда [-U_щи]+U_си>[-U_з.от] «горловина» сме­щается в направлении к истоку, а длина канала уменьшает­ся. Из выражения (3.20) можно определить напряжение на­сыщения:

| -U_сн |=U_си|=[-U_p/jn]-[U_зи]. Семейства выходных характеристик полевых и MДП-транзисторов во многом аналогичны (ср. рис. 3.40, а и 3.36, а). Передаточные характеристики отличаются прежде всего тем, что у полевых тран­зисторов выходной ток проходит при нулевом напряжении на затворе и напряжение на затворе может иметь только од­ну полярность — в данном случае отрицательную. При по­ложительной полярности на затворе он будет инжектировать в область канала неосновные носители заряда и полевой транзистор будет работать как биполярный в режиме двой­ной инжекции. Важнейшими особенностями полевых транзисторов яв­ляются малый уровень собственных шумов и стабильность параметров во времени. Это объясняется тем, что выходной ток в полевом транзисторе протекает в объеме монокристал­ла, в котором отсутствуют поверхностные дефекты кристал­лической структуры, вызывающие у МДП-транзисторов шумовые флуктуации тока, нестабильность параметров и •снижение подвижности носителей заряда. В силу своей структуры и принципа работы полевые транзисторы защищены от прегрузок по току значительно лучше, чем биполярные и МДП-транзисторы. Поскольку полевые транзисторы являются униполярными приборами, они не чувствительны к дефектам накопления неосновных носителей заряда, поэтому в принципе имеют высокиеграничные частоты и скорости переключения.