Рис. 10.9. Зависимости коэффициента усиления ПТШ при U = 14 В от удельной входной мощности на 1 мм ширины затвора на частоте 6 ГГц. Параметром является общая ширина затвора. Ширина единичного зубца затвора 500 мкм

более высоких напряжениях на стоке. Выбранный диапазон входной мощности соответствует режиму большого сигнала для типичных мощных приборов с выходной мощностью Рц, = 0,25 ... ... 1,0 Вт/мм. Каждая точка на графиках соответствует усредненной совокупности измеренных величин с разбросом примерно 1 дБ. Заключаем, что при фиксированной входной мощности имеется явная тенденция в направлении уменьшения коэффициента усиления с возрастанием размера кристалла. Неожиданным оказался результат, согласно которому для одного и того же прибора с затвором шириной 16 мм коэффициент усиления значительно выше на частоте 7 ГГц, чем на частоте 4 ГГц, что является прямо противоположным изменению мопщости насыщения.

Теперь можно спросить, с помощью каких изменений конструкции можно повысить коэффициент усиления, зависимости которого приведены на рис. 10.8 и 10.9. Во-первых, необходимо отметить, что потери коэффициента усиления в диапазоне частот от 4 до 7 ГГц составляют от 1 до 2 дБ. Эти значения лишь немного превышают значения, полученные при анализе мощности насыщения, и немного меньше потерь, равных 4,9 дБ, предсказываемых теорией малого сигнала (т. е. А"у ~/"). Таким образом, сомнительно, чтобы конструкторские предпосылки, получаемые из анализа при малом сигнале, бьши применены к мощному ПТШ. Мы определили, например, что параметры прибора на частоте 7 ГГц не зависят от ширины зубца затвора во всяком случае до величины 500 мкм и длины затвора по меньшей мере до 2,5 мкм. Найдено, что даже на высоких частотах (12 ГГц) может быть получен коэффициент усиления более 10 дБ для приборов с длиной затвора 2 мкм {W. = = 1 мм). Утверждение о том, что длина затвора и ширина зубца затвора ограничены работой в диапазоне 8 - 12 ГГц, остается в силе.

10.9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этом обзоре рассмотрены важнейшие для изготовления мощных ПТШ факторы: технология материала GaAs, технологические процессы, геомет-

)ия пространства исток-сток, металлические слои в кристалле, тепловой 1)асчет и конструирование. На протяжении обсуждения подчеркивалось, что подавление внезапного отказа, развивающегося на стоковом контакте, а также управление пробоем затвор-сток являются ключевыми вопросами н получении максимальной выходной мощности. Увеличение пробивных напряжений может быть достигнуто введением углубленной структуры затвора. В оригинальной конструкции, в которой использован «-контактный слой с выступом в области стока на 2 мкм, была достигнута мощность 4 - 5 Вт/мм, не приводящая к пробою прибора. Высокочастотная выходная мощность может быть существенно повышена за счет предотвращения развития пробоя в пространстве затвор-сток. Для оптимального конструирования канала необходимо учитывать следующие положения: 1) пространственный заряд в выходном промежутке затвор-сток ПТШ должен быть минимальным, что является основным средством для достижения более высоких пробивных напряжений, чем предсказывалось одномерной объемной теорией пробоя; 2) пространственный заряд в выходном промежутке затвор-сток должен согласовываться с зарядом, находящимся под затвором и необходимым для получения максимального управляемого тока на высокой частоте; 3) затвор должен быть углублен в затворной канавке на глубине, сравшмой с толщиной поверхностного обедненного слоя. Экспериментально обнаружено, что двумерная модель бокового распространения пригодна при 2ед < 2,3 • 10 см" и не зависит от уровня легирования активного слоя в диапазоне 2<«/10* см" <20. Для лучшего управления процессом травления, когда формируется канал транзистора, выбран нижний предел области легирования. Поскольку описываемые приборы работают при токе стока около 10 мА/мм и напряжении на стоке, равном 14 В, канал утоньшается до достижения тока 350мА/мм, с тем чтобы ток насыщения стока при нулевом смещении на затворе составлял около 200 мА/мм. При таких условиях выходная мощность возрастает с ростом напряжения на стоке вплоть до напряжения 25 В, однако неидеальность технологического процесса, проявляющаяся, например, в виде неровного края затвора из алюминия, или наличие заряда ц пленке нитрида кремния может послужить причиной преждевременного пробоя, ограничивающего СВЧ параметры приборов.

Подчеркнута важность надлежащего конструирования канала с целью ограничения плотности тока до величины более 2 10 А/см и роста температуры более чем 50°С. Кратко рассмотрен выбор сплава AuGe для омического контакта, А1 для затвора, Ti-Pt-Au для толстого верхнего слоя металлизации, как и нитрида кремния в качестве предпочтительного слоя для пассивации.

В конце представлены результаты, показывающие, что СВЧ мощность насыщения на единицу ширины затвора в диапазоне частот от 4 до 7 ГГц: 1) не зависит от длины затвора для 1 мкм <з < 2,5 мкм; 2) не зависит от ширины зубца затвора для 125 мкм <Wj< 500 мкм; 3) не зависит от общей ширины затвора И вплоть до значения 8 мм и падает на 0,5 дБ на

частоте 4 ГГи и 1,2 дЬ ьа частоте 7 ГГц для приГюра с W. = 16 мм; 4) уменьшается на 1,3 дБ при сравнении результатов измерения мощности в диапазоне от 4 до 7 ГГц для приборов с шириной затвора от 1 до 8 мм и на 2 дБ для приборов с шириной затвора 15 v\..

В результате заюаочаем, чти СВЧ счойства приборов с затвором шириной 500 мкм и длиной 2 мкм в диапазоне частот oi 4 до 7 ГГц не ухудшаются.

На частотах 4 и 7 ГГц при .малом уровне входного высокочастотного сигнала было устаиов-лечо, что 1) тшблюдается общая тенденция к уменьшению коэффициента усиления (примерно 2 дБ] с возрастанием размера кристалла 1 мм < < 15 мм. Заметим, что есть иск.лючение: па частоте 4 ГГц прибор с шириной затвора 16 m-i имел коэффищ1епт усиления на 3,5 дБ меньше, чем прибор с щ-ириной ;я1вог>г. 1 мм; 2) уменьшение меньше того, которое предсказывается теорией чля малого сигнала 3) уменьп!сние не зависит от ширины зубца зптвора в области 125 мкм < И- < 500 мкм; 4) уменьшение оказывается пе зависящим от ширины зубпа до значений И- = 500 мкм при обшей ширине затвора 8 мм.

Таким образом, опгил.альное конструирование мощных IITLi это комплексный выбор многих нарамегроь. "Искусство изготовления" приборов фирмы BTL - это: 1) ылбор режима заботы при огиосительно малых токах смещения (ЮОмА/мм) и высоких напряжениях смещения (14 В); 2) выбор больших размеров затвора (2X500 мкм)" 3) изготовление приборов при относительно низких уровнях легирования канала (3<п/10* см""* < < 7). Как правило, припцины ксиструирования ПТШ, принятые в других лабораториях, отвечают следующим хребованиям. 1) режим работы при больших уровнях тока (200 мА/мм), но при низких напряжениях смещения на стоке (10 В); 2) иоюльзоварые затворов меньшей длины и ширины (1X200 мкм); 3) испо !ьзование высокого уровня легирования канала (10 см"). Во всех остэльних отношениях (использование углубления в пространстве между стоким и истоком, системы мета;и1ИЗаЩШ к топологии кристалла) приборы qmpMbi В1 L подобны приборам разрабаплваемым в других лабораториях.