Главная Промышленная автоматика.

ре 10 В. Если концентрация носителей тока в активном слое равна примерно Ю см~, т.е. является величиной, достаточной для получения необходимого коэффициента усиления в диапазоне 4 -8 ГГц, то напряжение отсечки должно быть меньше 6 В, а ток насыщения стока меньше 300 мА на 1 мм ширины затвора, как показано на рис. 8.6. Таким образом, ток стока от 100 до 150мА/мм - это практически приемлемая область для нормальной работы мощных транзисторов в диапазоне 4 - 8 ГГц.

Напряжение на стоке должно составлять менее половины пробивного напряжения стока вблизи напряжения отсечки, как описано в п. 8.1.2 (принцип работы) . В диапазоне 4 - 8 ГГц в мощном GaAs ПТШ концентрация носителей тока составляет примерно Ю см"; стоковое пробивное напряжение стока вблизи напряжения отсечки - от 20 до 40 В. Таким образом, подходящее напряжение стока в работающем приборе (для предельных результатов) будет около 10 В, а его максимальное значение составит 15 В.

Исходя из этих величин и выбирая КПД = 30%, можно оценить значения мощности рассеяния по постоянному току {Р) и высокочастотной выходной мощности (/"вых-*

Рд.;, = 100 мА • 10 В = 1 Вт/мм; 150мА-10В= 1,5 Вт/мм; 150 мА-15 В = 2,25 Вт/мм.

При КПД = 30% и коэффициенте усиления 4 дБ можно получить

КПД = вь1х "-вх (2,5 - 1)Рд, \ ,5Рз Р Р Р

i-flT -пт -fITT

р =25 Р =05Р •

вых Вт/мм для = 1 Вт/мм;

вых " Вт/мм дляР, = 1,5 Вт/мм;

Рвух = 1,12 Вт/мм для Р,, = 2,25 Вт/мм.

В принципе пробивные напряжения стока и затвора могут быть увеличены (следовательно, высокочастотная выходная мощность на 1 мм затвора может быть также увеличена) за счет уменьшения концентрации носителей в активном слое. Однако при уменьшении концентрации носителей коэффициент усиления снижается. Для работы в диапазоне 4-8 или 8-12 ГГц мощного GaAs ПТШ необходима концентрация носителей заряда в активном слое во всяком случае не менее Ю см".

8.2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОПОЛОГИИ МОЩНОГО ТРАНЗИСТОРА

Поскольку высокочастотная выходная мощность на 1 мм ширины затвора ограничена (как описано в разд. 8.1), то общая ширина затвора мощного ПТШ должна быть как можно большей. Поэтому для оптимального использования площадки кристалла топологию прибора следует делать встре-



Рис. 8.8. Топология мощного ПТШ: W - ширина зубца затвора; G - расстояние затвор -затвор

чно-штыревой, как показано на рис. 8.8. Должны быть определены два фундаментальных параметра топологии (решетки) прибора: ширина зубца затвора (единичная ширина затвора) и расстояние между зубцами затвора. Первый размер влияет на коэффициент усиления, а второй определяет тепловое сопротивление.


Затдор

8.2.1. ШИРИНА ЗУБЦА ЗАТВОРА (ЕДИНИЧНАЯ ШИРИНА ЗАТВОРА)

Если ширина зубца затвора {W на рис. 8.8) слишком велика, то входной высокочастотный сигнал ослабляется вдоль затвора, что обусловлено сопротивлением и емкостью затвора, и в результате уменьшаются коэффициент усиления и, следовательно, выходная мощность. Если рассматривать затвор как параллельную линию передачи, то входной высокочастотный сигнал, распространяющийся вдоль затвора, можно записать

U=Uoe~ (cosP z+j smp г),

(8.1)

где а и 3 - постоянные распространения параллельной линии передачи. Они могут быть представлены следующим образом:

<зи

и>С,

(8.2)

+ V(

"-зи зи

(8.3)

(при условии, что (зи > соСзд, /3G3J, зСзи), где оэ - угловая частота; Сзи - емкость затвор-исток; /3 - индуктивность затвора; (Зз„ - проводимость затвор-исток; Г3 - сопротивление затвора.

Входная высокочастотная мощность (fg), рассеивающаяся на единичной ширине затвора, может быть определена как

вх =

COS 3 2.

(8.4)

Если предположить, что внутренний коэффициент усиления постоянен вдоль затвора, то выходная мощность на единицу ширины затвора согласно [15] будет равна

вых=увх = е-2- р, вх

(8.5) 119



Рис.

-0,5

-!.S

r = 6 ГГц 3 =!,4 нГи/мкм

0,3 ю-


0 50 100 150 200 250

Ширина зубца затдора, мкм

9. Расчетное уменьшение коэффициента усиления с увеличением ширины зубца затвора

Общая выходная мощность определяется интегралом от выражения (8.5):

р = У вых

K,Ul

/ е-2«- cos р 2dz.

(8.6)

Для идеального транзистора в линии передачи без потерь и без фазового сдвига выходная мощность будет

выхО=Уо/вх. (8.7)

Отношение Рвых/вых О определяет общее уменьшение коэффициента усиления, обусловленное потерями в линии передачи. Численные расчеты показывают, что потери линии передачи очень чувствительны к емкости перехода затвора. К сожалению, емкость затвора изменяется с приложением смещения затвора, и ее очень трудно точно определить, когда амплитуда высокочастотного сигнала слишком велика. Пример расчетного уменьшения коэффициента усиления на частоте 6 ГГц показан на рис. 8.9 при изменении емкости затвора как параметра [16]. Емкость затвора изменяется от 0,3 Ю" до 1,5 • 10" пФ/мкм. Эти величины соответствуют работающему в диапазоне 4-8 ГГц мощному GaAs ПТШ с алюминиевым затвором длиной 1 мкм (толщина алюминия - 0,5 мкм). При емкости затвора 0,3 • 10" пФ/мкм ширина зубца затвора может быть более 250 мкм, если уменьшение коэффициента усиления менее 1 дБ на частоте 6 ГГи, тогда как при Cj, = 1,5Х X10" пФ/мкм ширина зубца затвора равна 140 мкм.

Зубцы затвора шириной от 50 до 250 мкм бьши испытаны в различных лабораториях [2, 3, 6]. Однако, учитывая различия в пластинах, процессе, самой структуре, очень трудно оценить потери в затворе. В едином технологическом гфоцессе бьши изготовлены тестовые приборы с различной шириной зубцов затвора на одних и тех же пластинах в одном процессе [16]. Ширина зубца затвора изменялась от 85 до 250 мкм при общей ширине затвора 3 мм. Приборы представляют собой встречно-штыревые структуры с





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 [39] 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0055