Ч А с Т Ь VII

ПРИМЕНЕНИЕ. GaAs ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

ВВЕДЕНИЕ

Рассмотрев в предыдущих главах вопросы, связанные с технологией изготовления GaAs ПТШ, перейдем теперь к обсуждению характеристик этих транзисторов и их применения на СВЧ. Полевые транзисторы широко используются в СВЧ диапазоне в качестве активных приборов, выполняющих самые разнообразные функции.

В гл. 13 будут обсуждены вольт-амперные характеристики ПТШ и их высокочастотные параметры. Она охватывает широкий спектр возможных вариантов применения на СВЧ современных GaAs ПТШ с учетом их структур, принципов проектирования и конкретных результатов. Рассмотрен также полевой транзистор с двумя затворами Шотки. За основу при этом взят обычный однозатворный ПТШ с заменой затвора двумя отдельными электродами, располагаемыми между истоком и стоком.

Наиболее широкое распространение в СВЧ диапазоне GaAs ПТШ получили в линейных и маломощных усилителях, а также в усилителях мощности. Вопросам применения GaAs ПТШ на СВЧ посвящена гл. 14. Наряду с рассмотрением методов проектирования линейных усилителей детально обсуждены вопросы их линейности. Отражены и вопросы технологии изготовления микрополосковых интегральных микросхем, наиболее распространенной в случае использования GaAs ПТШ в качестве активных приборов. Обсуждаются проблемы разработки усилителей на ПТШ, в частности в виде арсенид-гал-лиевых полупроводниковых интегральных микросхем СВЧ диапазона, актуальность которых постоянно возрастает.

В конце гл. 14 приводится обширный список литературных источников.

ГЛАВА 13

МАЛОСИГНАЛЬНЫЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА GaAs ПТШ Г. Д. Венделин 13.1. ВВЕДЕНИЕ

Арсенид-галлиевые полевые транзисторы являются одними из основных приборов, используемых в СВЧ технике, что объясняется их отличной способностью усиливать СВЧ сигналы (табл. 13.1). Хронологию создания полупроводниковых приборов можно представить следующим образом [1-9]:

1948 г. - германиевые точечно-контактные биполярные транзисторы;

Фирма I .iton, Саннивейл, шт. Калифорния , США.

1952 г. - описание полевого транзистора ср-«-переходом; 1960 г. - кремниевый планарный биполярный транзистор;

1965 г. - германиевый биполярный транзистор, работающий в диапазоне 1-2 ГГц;

1966 г. - полевой транзистор с затвором Шотки [1 ];

1969 г. - кремниевый ПТШ;

1970 г. - технология создания ПТШ на Si и GaAs;

1972 г. - малощумящий усилитель на GaAs ПТШ;

1973 г. - серийные GaAs ПТШ.

Таблица 13.1. Характеристики современных малошумящих и мощных ПТШ (1981)

Малошумящие ПТШ

Мощные ПТШ

В настоящее время GaAs ПТШ пригодны для применения в малошумящих усилителях и усилителях мощности [10- 13]. Кроме того, они могут быть использованы на СВЧ и для других целей (например, в генераторах [14-17], смесителях [18- 19], переключателях [20-22], аттенюаторах [23-25], модуляторах [26], умножителях [27-28] и ограничителях [25]).

Основные принципы работы GaAs ПТШ могут быть объяснены с помощью рис. 13.1. С учетом закона Ома плотность тока, протекающего через область между омическими контактами истока и стока, представляющую собой линейный резистор, определяется следующим образом:

/ = аЕ.

Проводимость эпитаксиального слоя «-типа находится как

где подвижность Ai определяет дрейфовую скорость электронов:

V = рЕ.

Общий ток, протекающий через резистор, сформированный в эпитаксиальном слое толщиной а и шириной может быть найден следующим образом:

/, =М = {аЕ) {а W) = qNovaW. (13,4)

(13.1)

(13.2)

(13,3)

К данным полупроводниковым приборам необходимо добавить появившиеся в 1979 г. транзистор с проницаемой базой и гетероструктурные ПТШ. - Прим. перев. 216

1*ис. 13.1. Структуры и характеристики ПТШ: а - омические контакты истока (И) и стока (С); А - линейная область; В - область насыщения; б - обратносмещенный затвор Шотки; С ~ насыщение скорости

Эпитаксиальный слой п-типа

H3onupywuiaH подло/кка

с нас

При увеличении напряженности электрического поля в таком резисторе наблюдается насыщение скорости дрейфа, а следовательно, и тока стока 1. Затем между омическими контактами истока и стока формируется электрод затвора, представляющий собой барьер Шотки. При напряжении между затвором и истоком, равном нулю, зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком имеет как линейную область, так и область насыщения (ток насыщения „ар). При увеличении отрицательного (запирающего) напряжения между затвором и истоком в конечном счете можно достичь смыкания канала, что уменьшит ток по существу до нуля. Таким образом, ПТШ представляет собой резистор, изменяемый ток которого управляется напряжением на затворе.

Высокочастотный сигнал будет усиливаться в том случае, когда рабочая точка транзистора по постоянному току лежит в области насыщения (Ц > > tcHHEc) сигнал подается между затвором и истоком (Uj„). Этот сигнал будет модулировать ток в канале, который имеет высокочастотную составляющую .

с = 5ызи- (13.5)

Для увеличения коэффициента усиления ПТШ необходимо оптимизировать его характеристики, стремясь получить определенные значения отношения крутизны к ширине затвора (S / W.). Теоретические исследования по-казьшают, что этот параметр будет максимальным при выборе рабочей точки по постоянному току, соответствующей области насыщения и минимизации длины затвора (например, до 0,5-1,0 мкм). Дальнейшее уменьшение длины затвора не приводит на СВЧ к существенному увеличению коэффициента усиления из-за возрастания влияния паразитных элементов транзистора, особенно сопротивления металлизационного слоя затвора.