Главная Промышленная автоматика.

9.3.1. ТЕПЛОВОЕ СОПЮТИВЛЕНИЕ

Расчеты и измерения, проведенные в нашей лаборатории и в других лабораториях, показали, что для типичного GaAs ПТШ с толщиной кристалла 100 мкм продольный тепловой поток пренебрежимо мал на расстоянии, превышающем толщину кристалла и не очень велик на расстоянии около 30 мкм. Следовательно, поскольку размеры ячейки обычно составляют сотни квадратных микрометров, составной кристалл характеризуется лишь небольшой тепловой добавкой по сравнению с кристаллом с одной ячейкой.

Однако кристалл должен иметь хороший контакт с теплоотводом, способным отвести все генерируемое тепло. Как правило, применяется напайка кристалла на медный блок, покрытый золотом. При обычно используемой толщине кристалла, равной 100 мкм, наблюдается рост температуры кристалла на 50-100°С. Поскольку коэффициент усиления прибора снижается с ростом температуры на 0,01 дБ/°С, то уменьшение толщины кристалла от 100 до 50 мкм не будет в общем оправданным из-за чрезвычайных сложностей работы с тонкими кристаллами, тем более, что добавка коэффициента усиления составит всего несколько десятых долей децибела. Для работы в условиях высоких температур окружающей среды, где надежность прибора будет критичной, можно использовать тонкие кристаллы для того, чтобы понизить температуру и увеличить время наработки на отказ. Температура прибора может стать также важным фактором, если в погоне за уменьшением размера кристалла расстояние между затворами станет меньше 30 мкм. Тогда требуется очень тщательно рассмотреть влияние температуры на свойства прибора и, может быть, использовать более тонкие кристаллы.

9.3.2. ОДНОРОДНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ЯЧЕЕК ПРИБОРА Обычно мощный GaAs ПТШ включается в микрополосковую цепь и его размеры должны быть не больше ширины микрополоскового проводника, иначе для подключения крайних ячеек потребуются слишком длинные выводы. Неравные длины про-


х- ьЛ-:

Рис. 9.6. Фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа четырехъячеечного мощного GaAs ПТШ, смонтированного обычным образом



водников в центральных и крайних ячейках кристалла приводят к ухудшению СВЧ свойств. Это накладывает ограничение на размер кристалла он должен быть не больше А/4. На частоте 10 ГГц с микрополосковыми линиями на подложках из окиси алюминия он составляет 2 мм.

На рис. 9.6 представлена фотография, выполненная с помощью растрового электронного микроскопа, мощного GaAs ПТШ с шириной затвора 4800 мкм, в котором все площадки соединены проволочными выводами. Когда все четыре ячейки были соединены как один прибор, бьшо обнаружено, что необходимо соединять между собой четыре затворные и стоковые площадки, как показано на рис. 9.6. Отсутствие этих проводов уменьшает выходную мощность на 50%. Видимо, они служат для выравнивания уровней СВЧ сигнала в каждой ячейке. Пока еще не вполне ясно, необходимо ли такое соединение, если отдельные ячейки содержат индивидуальные элементы согласования.

9.3.3. ИНДУКТИВНОСТЬ ИСТОКОВОГО ПРОВОДНИКА

Даже когда индивидуальные ячейки соединены, как показано на рис. 9.6, малосигнальный коэффициент усиления на частоте 10 ГГи транзистора, состоящего из четырех ячеек, уменьшается примерно на 2 дБ по сравнению с коэффициентом усиления прибора, состоящего из одной ячейки. Причина состоит в том (см. рис. 9.6), что чем больше ячеек соединяется, тем больше становится индуктивность выводов истока на единицу ширины затвора, а это ведет к уменьшению коэффициента усиления. Когда четыре отдельные ячейки соединяются таким образом, что истоковые проводники могут быть заземлены между ними, то индуктивность истоковых проводников на единицу ширины затвора не зависит от числа ячеек и снижение коэффициента усиления уменьшается до 0,7 дБ. Примерно половина этой величины обусловлена индуктивностью на входе и половина - на выходе; дальнейшее уменьшение спада коэффициента усиления с применением проволочных выводов для соединения ячеек невозможно.


Рис. 9.7. Фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, четырехъячеечного мощного GaAs ПТШ с гальванически осажденным тештоотводом и соединением истоковых площадок с помощью воздушных мостиков



Если подключить дополнительные ячейки, то падение коэффициента усиления происходит очень быстро, поэтому обычно применяется не более четырех ячеек. Пока еще неизвестно, справедливо ли это правило ограничения числа ячеек в случае их индивидуального согласования.

Более современная, чем показанная на рис, 9.6, конструкция прибора приведена на рис, 9.7. Здесь возможно соединение проводами с корпусом между четырьмя ячейками кристалла. Для этого требуется, чтобы кристалл монтировался на гальванический тепло-отвод и арсенид галлия травлением удалялся между ячейками. С этой целью необходимо использование GaAs толгциной от 25 до 50 мкм вместо 100 мкм таким образом, чтобы вытравленная область была не слишком широкой. Большим достоинством является то обстоятельство, что температура кристалла несколько падает. Как следствие такой конструкции, вытравленная область занимает столь большую часть кристалла, что сохранить размер кристалла и не допустить увеличения длины связывающих проводов можно, только сократив размер истоковых площадок. Поэтому истоки были соединены с помощью воздушных мостиков, как схематически показано на рис. 9.7, Такая схема была испытана с целью увеличения процента выхода годных и значительного упрощения технологии по сравнению с конструкцией стежкового соединения контактных площадок истоков. Поскольку процесс формирования гальванического тепло-отвода сравнительно сложен, длителен и имеет низкий процент выхода ло сравнению с обычным процессом, то процесс с воздушными мостиками является более экономичным. Для дальнейшего уменьшения индукттности истока можно применить сквозное травление ("отверстия") в истоковых площадках [] 1], что является дополнительным усложнением.

9.3.4. СОГЛАСОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Входное и выходное сопротивления GaAs ПТШ уменьшаются с возрастанием пшри-ны затвора и в конце концов становятся слишком малыми для согласования. Входное сопротивление особенно трудно для согласования. Простейшая техника согласования сопротивлений заключается в "компенсации" входного и выходного сопротивлений проволочными выводами затворов и стоков и в применении простейшего трансформатора согласования реальной части сопротивления. Когда ширина затвора ячейки становится больше некоторой величины, входная емкость уже не может быть компенсирована физически реализуемыми индуктивностями. В этом случае необходимы более сложные согласующие цепи. Это ограничение соответствует ширине затвора 1200 мкм на частоте 10 ГГц, Действительная часть полного сопротивления прибора с шириной затвора 4800 мкм равна 1 Ом, что близко к тому минимуму, который може! быть согласован в диапазоне 8-12 ГГц простыми полосковыми линиями с распределенными параметрами.

Второй подход заключается в согласовании с помощью сосредоточенных элементов В этом подходе сосредоточенные индуктивные и емкостные элементы используются для трансформации сопротивления каждой отдельной ячейки до более высокой величины таким образом, что сопротивление многоячеечного прибора повышается и легче согласовывается. Ограничения по числу ячеек или по общей ширине затвора при использовании описанных методов согласования пока еще не выявлены. Приборы с четырьмя ячейками и шириной затвора 4800 мкм с успехом могут быть согласованы в узкой полосе частот.

9.4. СПЕЦИАЛЬНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРИБОРА

В качестве примера для иллюстрации конструирования прибора с основными параметрами, описанными ранее и необходимыми при производстве, рассмотрим конструирование ПТШ, способного отдавать выходную мощ-140





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

0.0036