Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

где f γ - полоса, оцениваемая на заданном уровне γ = 0,1 или γ = 0,01.

Для идеальной прямоугольной АЧХ с Kпр = 1

fэф = f0,707 .

Для многоконтурных колебательных систем, применяемых в реальных РПрУ, рекомендуемое значение

fэф = 1,1 f0,707 .

ЛЕКЦИЯ 6. ШУМЫ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.6 Шумы усилительных компонентов

Основные источники шумов для электронных ламп:

1. Дробовые шумы - неравномерность испускания электронов катодом в единицу времени.

Рассчитываются по формуле Шоттки

iш2 = 2eIa f ,

где e = 1,6 10−19 Кл – заряд электрона, Ia – постоянный ток анода.

2.Шумы распределения за счет неравномерность оседания электронов на сетках многоэлектродных ламп.

3.Шумы, обусловленные инерционностью электронного потока.

4.Шумы, обусловленные поверхностным электрическим эффектом (фликкер-шумы).

5.Шумы вторичной эмиссии с электродов ламп.

6.Шумы ионизации остатков газа в лампе.

Для полупроводниковых биполярных транзисторов:

1.Дробовые шумы p-n переходов.

2.Тепловые шумы сопротивления базы.

3.Шумы, обусловленные поверхностным электрическим эффектом.

4.Шумы рекомбинации носителей в области базы.

5.Шумы флуктуации токораспределения между коллектором и базой

вобласти высоких частот.

6.Шумы лавинного умножения наблюдаются при ускорении носителей в сильных электрических полях, где они приобретают энергию достаточную для ионизации атомов кристаллической решетки при соударении.

7.Микроплазменные шумы проявляются из-за наличия дефектов внутри переходов, на которых происходят локальные случайного характера лавинные пробои и образуется электронно-дырочная плазма.

8.Взрывной шум обусловлен нерегулярным появлениемисчезновением поверхностных каналов в обратно включенном переходе.

Для полупроводниковых полевых транзисторов основными являются:

1.Тепловой шум проводящего канала.

2.Дробовые шумы обратного тока затвора.

3.Рекомбинационный шум в области обедненного слоя.

38

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Зависимость коэффициента шума биполярного транзистора БТ представлена на рис.2.10. На низких частотах преобладают фликкер-шумы и коэффициент шума уменьшается с ростом частоты. На средних частотах преобладают дробовые и тепловые шумы, поэтому коэффициент шума приблизительно постоянен. На высоких частотах возрастают шумы токораспределения.

Полевые транзисторы на рисунке представлены транзисторами с барьером Шоттки (ПТШ) на основе материалов GaAs, InP, GaInAs, AlGaAs. Как видно из графиков полевые транзисторы обладают преимуществом практически во всем радиочастотном диапазоне.

Рост коэффициента шума в диапазоне СВЧ постоянно был предметом исследований создателей высокочастотных усилительных элементов.

Первыми в «борьбу» за освоение СВЧ-диапазона вступили наиболее распространенные в то время биполярные транзисторы. Движение носителей через электрически нейтральную базу в них имело диффузионный характер, и скорость протекания этих процессов определялась скоростями диффузии. Скорости диффузии, естественно, были меньше скорости дрейфа. Это обстоятельство требовало максимального уменьшения ширины базы, что приводило к возрастанию сопротивления базы и ухудшало частотные свойства. Снизить величину сопротивления базы можно было повышением степени легирования, но при этом концентрации примесей в эмиттере и базе становились сравнимыми, и коэффициент инжекции доходил до 0,5. Усилительные свойства транзистора резко падали, усиление по току в схеме с общим эмиттером приближалось к единице. Поиски путей преодоления этих трудностей привели к развитию техники полевых транзисторов и к использованию арсенида галлия, имеющего более высокую подвижность носителей.

39

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Полевые транзисторы основаны не на диффузионном, а на дрейфовом механизме движения носителей. Возможности современной технологии позволили уменьшить длину канала до нескольких десятых долей микрона. Однако вскоре и здесь пришлось повышать концентрацию носителей в области канала, иначе при небольшом объеме количество носителей в ней становится очень мало и эффективность управления проводимостью канала с помощью затвора падает. Но повышение концентрации примесей в области канала снижает подвижность, а, следовательно, ухудшает частотные свойства, так как пролетные времена возрастают.

Традиционный путь повышения быстродействия – снижение размеров и повышение плотности упаковки становится все менее эффективным, так как достигаются все более дорогой ценой. Кроме того, существуют пределы снижения размеров приборов, обусловленные рядом технологических и физических ограничений. Совершенно очевидный путь повышения быстродействия – увеличение скорости носителей. Оказалось, что реализовать это в реальных приборах позволило только использование гетеропереходов.

В отличие от гомогенных переходов они образуются между двумя областями различных полупроводников с принципиально различными электрофизическими свойствами. Главным образом это относится к ширине запрещенной зоны.

Принято считать, что изучение гетеропереходов началось с работы американского физика Герберта Крёмера, лауреата Нобелевской премии по физике 2000 года, опубликовавшего в 1957 году теорию широкозонного эмиттера для транзистора. Крёмер выдвинул идею относительно преимуществ р-п-переходов с переменной шириной запрещенной зоны, заключающихся в увеличении инжекции и управлении длиной диффузии неосновных носителей заряда из-за возникновения "квазиэлектрических" полей в таких структурах.

Мощным толчком развития электроники на основе GaAs и родственных соединений явилось создание в 1967 г. в ФТИ им. А.Ф. Иоффе под руководством Ж.И. Алферова, также лауреата Нобелевской премии по физике 2000 года, эффективно инжектирующих гетеропереходов в системе GaAsAlGaAs.

Если в гомопереходах высота барьера в отсутствие внешнего напряжения в обоих направлениях одинакова, то для гетеропереходов условия прохождения носителей через переход в ту и другую сторону существенно отличаются. Использование этого эффекта в эмиттерных переходах биполярных транзисторов позволило существенно поднять коэффициент инжекции при сильном легировании базовой области. Это явление получило название суперинжекции. При одновременном использовании GaAs в качестве материала базы и коллектора это позволило существенно расширить частотный диапазон биполярных транзисторов. Кроме того, большая по сравнению с Si ширина запрещенной зоны GaAs допускает большую рассеиваемую мощность, а, следовательно, дает возможность повысить при этом и отдаваемую мощность. Использование для области эмиттера и области базы полупроводников с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереход) резко ограничивает

40

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

инжекцию носителей в эмиттер даже при высоком уровне легирования базовой области. В результате сопротивление базы резко снижается, а коэффициент усиления по току при этом может достигать 500. В перспективе рабочие частоты таких транзисторов могут охватить 50 – 100 ГГц.

Еще более существенный эффект дало применение гетеропереходов в полевых транзисторах. Полевые транзисторы с изолированным затвором и особенно с затвором в виде барьера Шоттки довольно быстро вписались в конструкции СВЧ-приборов, существенно обгоняя биполярные транзисторы в освоении частотных рубежей. При этом, как уже отмечалось, при малой длине и малом объеме канала стали ощутимыми противоречивые требования к высокой подвижности и высокой концентрации носителей в канале. И здесь пришли на помощь гетеропереходы. В 1979 г. Такаши Мимура (Fujitsu Laboratories) изобрел HEMT (High Electron Mobility Transistor) - транзистор с высокой подвижностью электронов (рис.2.11).

С помощью гетеропереходов в полевых транзисторах создается тонкий, проницаемый для электронов барьерный слой. По одну сторону этого барьерного слоя расположена сильно легированная донорами область, по другую - глубокая потенциальная яма (квантовый колодец). Электроны, содержащиеся в большом количестве со стороны сильно легированной области, в результате диффузии переходят в соседнюю область, где и "падают" по другую сторону границы раздела в глубокий потенциальный колодец, из которого уже не могут вернуться обратно к покинутым ими ионам доноров.

Рис.2.11. Поперечное сечение HEMT с характерными толщинами слоев ( А – нелегированный GaAs, В – спейсер нелегированный слой AlGaAs, С – барьерный слой –N+AlGaAs, D – контактный

слой –n+GaAs).

Перешедшие электроны из-за эффекта электронного ограничения остаются в потенциальной яме. Электроны пространственно отделены от ионизированных донорных атомов, что существенно снижает примесное рассеяние. Кроме того, высокая плотность электронов на гетерогранице снижает кулоновское рассеяние из-за эффективного электронного экранирования. В результате подвижность электронов, перешедших в

41