me_7_04_3 (2)

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РТЭ

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ №3

по дисциплине «Микроволновая электроника»

Вариант 7_04

Студент гр. 5207		Иванов А.Д.
Преподаватель		Иванов В.А.

2018

Задача №1.

Диоды с положительным динамическим сопротивлением.

1. Рассчитать максимальное значение выпрямленного тока для ДД с коэффициентом идеальности, при микроволновой мощности

2. Оцените тангенциальную чувствительность (выразить в ), если эффективная шумовая температура диода составляет , а полоса усилителя .

3. Охарактеризуйте основные сходства и отличия в функциональной роли, структуре, параметрах микроволновых ДД, СД, ВД и PIN диодов.

4. Опишите популярные схемотехнические модели (не схемы применения!) микроволновых ДД и СД, используя доступные информационные источники Интернет, лекции, программу Microwave Office и т.п.

Дано:

n = 1.75

P_micro = 4 мВт

T_eff = 311 K

Δf = 4 MHz

Найти:

I

Решение

1. 

Как видно из последнего выражения, DI максимально при .Кроме того, ввиду экспоненциального вида ВАХ диода, левая часть последнего выражения примерно равна величине . Это нетрудно понять, подставив вместо функции f выражение для ВАХ и проведя дифференцирование, приняв величину постоянной.

2. 

3. Сходства:

а) диоды с положительным дифференциальным сопротивлением

в) есть потенциальный барьер

4. Основное функциональное назначение детекторного диода – преобразование энергетически слабых микроволновых сигналов ( ) Вт. в сигнал постоянного тока или выделять низкочастотную огибающую этого сигнала при наличии модуляции. Требуемое быстродействие в таком приборе достигается использованием потенциальных барьеров с высоким легированием и малой площадью контактов.

Рис.1 - Эквивалентная схема диода Рис. 2 - Детектирование СВЧ колебаний

Рис. 3 – Структура детекторного диода

1-поликристалл кремния p- типа

2-Пружина из заостренной на конце вольфрамовой проволоки

3,4-Электроды

5-Керамический корпус

Рис.4 – ВАХ детекторного диода

5. Смесительный диод во многом аналогичен детекторному. Его эквивалентная схема аналогична схеме детекторного диода. Однако, ввиду особенностей применения, в конструкциях смесительного диода имеется ряд особенностей.

В частности, смесительный диод является весьма чувствительным к малым сигналам СВЧ диапазона полупроводниковым прибором. С другой стороны, амплитуда сигнала, поступающего с генератора гетеродина может достигать достаточно больших величин. Обычно порядок мощности этого сигнала составляет 100 мВт.

Рис.4 - Сигналы, подаваемые на смесительный диод

Рис.5 – Структура СД

6. Для коммутации мощных сигналов разработаны специальные структуры, называемые p–i–n-диодами. Другое их название — управляющие диоды. Из названия следует, что эти диоды представляют собой структуру, которая содержит слой p- и слой n-полупроводника со встроенной между ними нелегированной i-областью. Естественно, инерционность такого прибора резко возрастает из-за влияния множества факторов, в частности времени пролета носителей, диффузионной емкости, времени рекомбинации носителей в i-области. Такой прибор можно использовать как выпрямитель на низких частотах, но нельзя использовать как детектор слабых сигналов микроволнового диапазона. Вольт-амперная характеристика такого диода в сравнении с типичным p–n-диодом или ДБШ имеет положительную ветвь, сдвинутую в сторону более высоких напряжений. Наличие i!области уменьшает напряженность электрического поля в базе и способствует увеличению пробивного напряжения при обратном смещении.

7. Варактором называют диод, специально разработанный для использования зависимости его реактивного сопротивления от приложенного напряжения. В качестве структур, реализующих такую нелинейность, могут использоваться диоды с барьером Шоттки или p–n_переходы, в которых емкость зависит от приложенного напряжения. На варакторных диодах создаются устройства электрической перестройки частоты, умножители частоты, параметрические усилители. В приемо-передатчиках эти диоды используются, прежде всего, в перестраиваемых по частоте гетеродинах (англ. VCO — Voltage_Controlled Oscillator) и перестраиваемых фильтрах.

Омические контакты(1)

Диффузионный p-слой (2)

Обедненная область (3)

Эпитаксиальный п–слой (4)

Подложка из сильнолегированного полупроводника (5)

где m – коэффициент, определяющий профиль легирования. Для m = 0 уровень легирования по разные стороны металлургической границы не зависит от координаты. Такой переход называют резким. При m=1 уровень легирования меняется по линейному закону. В этом случае переход

называют плавным. При m < 0 степень легирования увеличивается при приближении к металлургическому переходу. Такой переход называют сверхрезким.

Рисунок 6 - Эквивалентная схема СД и ДД

Нелинейные элементы и отображают свойства барьера и соответствуют емкости и сопротивлению барьера Шоттки, которые определяются по ВАХ и ВФХ диода. Сопротивление R_s равно сумме сопротивлений нейтральной части полупроводника и контактного сопротивления. Параметры L_s и C_корп — «холодные» реактивности корпуса — индуктивность подводящих контактов и емкость корпуса. На основе полученной модели можно проанализировать частотные свойства диода.

Частота, на которой выполняется это равенство, называется граничной и рассчитывается по формуле

Задача №2.

Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением.

1. Нарисовать типовое распределение по координате статического поля и скорости дрейфа для двух структур из списка диодов с отрицательным динамическим сопротивлением (выбор произвольный из вышеприведенного списка, но один прибор должен быть с использованием арсенида галлия, а второй – кремневый). Представьте прибор как слоистую структуру.

2. Определить частоту генерации ЛПД и ДГ с бегущим доменом при длине активной области ..

2.1)

Лавинно-пролетный диод:

Напряженности поля велики, и скорость равна скорости насыщения (то есть примерно 10⁵ м/с) во всем объеме ЛПД за исключением сильнолегированных приконтактных областей.

Диод Ганна:

2.2) Частота генерации ЛПД и ДГ с бегущим доменом

Дано:

L_d = 3,5 мкм

ϑ_s = 10⁵

Найти:

f_лпд - ?

f_ДГ - ?

Ответ:

Задача №3.

Транзисторы

1. Сравните максимально возможную толщину базы Биполярного транзистора и длину затвора Полевого транзистора при работе на частоте . Оцените угол пролета в обоих случаях. Свяжите с решением задачи №5 из 1-го задания.

Дано:

f₀ = 6 ГГц

Найти:

W_б; L_з

Решение:

Для вакуумного прибора в задании 5:

Длина затвора полевого транзистора значительно больше ширины базы биполярного, но меньше области взаимодействия в вакуумном приборе, поскольку скорость дрейфа носителей существенно выше в вакууме, и уж тем более выше скорости диффузии. Угол пролета 2π

2. Обоснуйте тенденцию использования в современных транзисторах таких материалов как GaN , InP, SiC, алмаз С.

Характеристика материала	Si	GaAs	GaN	C, (алмаз)
1. Ширина запрещенной зоны, эВ	1,12	1,42	3,4	545
2. Критическая напряженность поля, кВ/см	300	400	3000	10000
3. Подвижность, см2/(В*cек)	1300	8500	1500	2000
4. Дрейфовая скорость, 105 м/cек	1,0	2,0	2,7	2,7
5.Теплопроводность, Вт/(m*K)	1,5	0,5	1,5	22
6. Диэлектрическая проницаемость	11,9	12,5	9,5	5,5
7.Максимальная температура, К	300	300	700

Фосфид индия является одним из важнейших полупроводников, благодаря сочетанию в себе ряда свойств:

-высокая подвижность носителей заряда (подвижность электронов 5000 см2/(Вхс) при 300);

-большая ширина запрещенной зоны (1,34 эВ);

-благоприятные теплофизические характеристики (температурный коэффициент -линейного расширения 4,75.10-6 К-1; теплопроводность 67,2 Вт/(мхК));

-прямой характер межзонных переходов.

Энергетические параметры его монокристаллической фазы очень близки к параметрам монокристаллического кремния, и на основе его легко изготавливать приборы интегральной оптоэлектроники совместимые с кремнием, в частности, резистивные оптопары.

http://sci-article.ru/stat.php?i=1420491849

Высокая критическая напряженность поля у нитрида галлия дает потенциальную возможность реализовывать более высоковольтные приборы. Большая ширина запрещенной зоны обеспечивает высочайшую стабильность свойств при изменении температуры или воздействии радиации, что чрезвычайно важно в первую очередь для космической и военной электроники, а также для устройств, работающих в жестких условиях.

Высокая подвижность электронов и дрейфовая скорость определяют значительно меньшее сопротивление в проводящем состоянии и высокую удельную мощность, по сравнению с Si.

https://www.compel.ru/lib/ne/2015/7/2-moshhnyie-nitrid-gallievyie-tranzistoryi-gan-ot-epc-konets-eryi-kremniya

Карбид кремния характеризуется большой шириной запрещенной зоны (2,68 эВ), отличными температурной и химической стабильностью, высокими дрейфовой скоростью в режиме насыщения (10⁵ м/с) и подвижностью электронов (10³ см²/В/с), сравнимой с тем же показателем для кремния. Монокристаллические пленки карбида кремния могут быть получены методом гетероэпитаксии на кремнии, а изолирующие покрытия на них – с помощью методов, используемых для изготовления МОП-структур. Это упрощает применение карбида кремния в микроэлектронике. Важнейшей особенностью карбида кремния является возможностью увеличения рабочей температуры до 500-600 ^оС, что определяет перспективы применения при создании аппаратуры в тяжелых эксплуатационных условий

https://cyberleninka.ru/article/v/perspektivy-primeneniya-karbida-kremniya-v-mikroelektronike

Уникальные свойства алмаза по сравнению с другими широкозонными полупроводниками SiC и GaN такие, как высокая подвижность электронов 4500 см2/(В∙с) и дырок 3800 см²/(В∙с), а также соответствующие скорости дрейфа в насыщении (1,5–2,7)∙107и (0,85–1,2)∙10⁷ см/c, рекордная теплопроводность 22 Вт/(см⋅К), высокая напряженностью электрического поля пробоя и сравнительно низкая диэлектрическая проницаемость при удельном сопротивлении нелегированного материала ~10¹⁶Ом⋅см, делают алмаз перспективным материалом для мощных СВЧ-приборов

Источник: Алтухов А.А., Талипов Н.Х., Чучева Г.В. «Полевой СВЧ-транзистор на основе алмаза с δ-легированным бором каналом»

3. Сравните преимущества и недостатки использования в микроволновом диапазоне HEMT-приборов и транзисторов с баллистическим транспортом. Какова должна быть толщина высоколегированной области HEMT c , если контактная разность потенциалов равна

Баллистические транзисторы — электронные устройства, в которых носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей много больше размера канала транзистора. В теории эти транзисторы позволят создать высокочастотные (f_кр≈400 ГГц) интегральные схемы, поскольку быстродействие определяется временем пролёта между эмиттером и коллектором или другими словами расстоянием между контактами делённое на скорость электронов. Однако в настоящее время баллистический транзистор так и не реализован. Это связано с технологическими сложностями.

HEMT – гетероструктурные полупроводниковые транзисторы, за счет перегиба зон имеющие квантовую потенциальную яму шириной несколько нанометров. За счет того, что носители перемещаются в двух измерениях в слаболегированной области, их скорость высока, что обеспечивает хорошие частотные свойства.

HEMT являются широко используемыми и перспективными приборами, начинается освоение ими области терагерцовых частот и высоких мощностей, способных сравниться с мощностью вакуумных приборов, в то время как баллистический транзистор пока не более чем идея принципа работы прибора. Сложны и дороги в производстве, поэтому не являются такими же популярными, как другие транзисторы

Рис. 6. Структура HEMT

Гетеропереход GaAs-Al_xGa_1-xAs

Дано:

N_d = 8.1*10²³ м^-3

φ_k = 0.71 B

Найти:

А

Решение

=

4. Нарисуйте (качественно) выходные и входные ВАХ трех ПТБШ с одинаковыми размерами, но изготовленными из Si, GaN, GaAs. Обоснуйте зависимости.

Рис.7 – Входные характеристики

Ширина запрещенной зоны определяет напряжение пробоя в п/п. Наибольшим напряжением пробоя будет обладать транзистор на GaN ввиду высокой ширины запрещенной зоны.

Ток стока определяется подвижностью (GaAs – 8500 , GaN – 1500 , Si – 1300 )

Напряжение отсечки определяется диэлектрической проницаемостью

5. Нарисуйте семейство входных и выходных ВАХ и коэффициента шума на одном графике. Объясните, почему у ПТБШ хорошие шумовые характеристики при большой электронной температуре носителей.

При анализе используйте решение задачи №7 из первого задания.

Рис. 8 - Зависимость коэффициента шума от режима работы транзистора

В рабочем режиме, когда ток стока достигает насыщения, скорость в подзатворной части транзистора слабо зависит от напряжения затвора и напряжения стока. Она стремится к скорости насыщения. Коэффициент диффузии в зависимости от электронной температуры изменяется, но не значительно. Тогда отношение D/V будет меняться слабо. Обращаясь к формуле, видим, что, чем меньше ток Id, тем меньше шумовой ток. Этот тезис получил экспериментальное подтверждение.

Характерной особенностью экспериментальной зависимости N_F=f(I_d) является наличие минимум коэффициента шума при токе I_dNFmin=(0.15-0.2)I_d0, где I_d0 – ток при нулевом напряжении на затворе. Этот факт противоречит высказанному положению о снижении шума при уменьшении тока. Противоречие устраняется при учете влиянич буферного слоя. При малых тока электроны разогреваются уже в начальной части транзистора и приобретают возможность преодолеть барьер и дрейфовать в буферном слое. Это приводит к снижению переходной проводимости (крутизны), уменьшению усиления, а соответственно к увеличению коэффициента шума. С этой точки зрения наименьшими шумами должен обладать симметричный транзистор, в котором нет ухода в буферный слой.

В настоящее времяя на классических ПТШ достигнут коэф. шума NF=1.5…2 дБ в диапазоне 10..12 ГГц.

Источник: А.Д.Григорьев, В.А. Иванов, С.И. Молоковский «Микроволновая электроника»

Благодаря более простой и совершенной технологии изготовления ПТШ имеет меньший разброс электрических параметров. Ток в них течёт не через р–n-переходы, а между омическими контактами в однородной среде канала. Благодаря этому ПТШ обладают более высокой линейностью передаточной характеристики, у них нет шумов токораспределения, а плотность тока может быть большой, следовательно, уровень их шумов меньше, отдаваемые мощности больше. Подвижность электронов в слабом поле арсенида галлия (GaAs), из которого изготавливают ПТШ, примерно в 2 раза выше, чем в кремнии (Si), а вместо ёмкостей эмиттерного и коллекторного переходов у ПТШ имеется сравнительно малая ёмкость обратно смещённого затвора на барьере Шоттки, поэтому они могут работать на более высоких частотах до 90…120 ГГц. Внутренняя обратная связь через паразитные ёмкости в ПТШ незначительна, усилители работают на них более устойчиво в широком диапазоне частот.

http://www.phys.sfedu.ru/~kobrin/sem/SHFdevch9.html