Главная Промышленная автоматика.

Для современных GaAs ПТШ получены максимальные значения отношения крутизны к ширине затвора:

5 / = 6 uo/а 0,067 мА/ (В • мкм). (13.6)

Дальнейшее улучшение этого параметра связано с применением полупроводников типа All! - BV, отличных от GaAs, таких как 1пР, InGaAs и др.

Таким образом, нолевой транзистор является резистором с переменным сопротивлением, ток которого управляется напряжением на затворе. Усиление осуществляется в том случае, когда напряжение на затворе соответствует большому току в цепи стока. Разработчик СВЧ схем должен выбрать оптимальную рабочую точку по постоянному току транзистора и описать его характеристики через параметры четырехполюсника (обычно 5-параметры) . Соответствующим проектированием входной и выходной согласую-пдих цепей достигается максимальный коэффициент усиления.

Далее будут описаны основные характеристики на постоянном и переменном токе типичного GaAs ПТШ. Методы проектирования усилителей на GaAs ПТШ базируются на теории четырехполюсных цепей. Наряду с методами проектирования линейных усилителей и усилителей мощности будут кратко рассмотрены и обсуждены другие области применения GaAs ПТШ.

13.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ GaAs ПТШ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

Типичные вольт-амперные характеристики маломощного GaAs ПТШ представлены на рис. 13.2. Для такого транзистора важными являются следующие параметры на постоянном токе:

снас ~ максимальный ток стока, соответствующий области насыщения. Типичными значениями напряжений на выводах транзистора при измерении этого тока считаются: t/g = О В, = 5 В;

S - отношение AI/AU, которое в области насыщения является приблизительно постоянным;

зиотс напряжение отсечки, соответствующее отрицательному значению напряжения на затворе, при котором ток стока уменьшается до нуля (У, ~ ~ ЮмкА) .

Эти параметры связаны между собой приближенным соотношением нас - отс

На вольт-амперных характеристиках транзистора (рис. 13.2) можно выделить три различных области:

1. Линейная область при малых значениях f/, когда прибор еще не достигает насыщения. Данный режим работы является важным в случае применения транзисторов в смесителях и других нелинейных устройствах. Линейная область характеризуется линейной зависимостью между током и напряжением (т.е. законом Ома). Когда U достигает U, канал у

в отечественной литературе данный режим принято относить к режиму работы транзистора в крутой области. - Прим. перев. 218




1>ис. 13.2. Вольт-амперные характеристики GaAs ПТШ (цена деления: по вертикали 10 мА, по горизонтали 1 В)

конца затвора со стороны стока практически полностью смыкается, так что дальнейшего увеличения тока стока не происходит (идеальный случай).

2. Когда канал смыкается, транзистор переходит в область насыщения , где ток стока практически не зависит от и. в приборах с коротким каналом, таких как GaAs ПТШ. возникает иной механизм насыщения тока стока из-за появления в канале больших напряженностей электрического поля, приводящих к насыщению скорости дрейфа. Этот режим насыщения возникает при Е > 3 кВ/см, что для GaAs ПТШ соответствует t/(;„ ~ 1 - 2 В. Большинство транзисторов в усилителях (особенно в линейных малосигнальных) работают в области насыщения (подвижные носители заряда в канале двигаются со скоростью насыщения), которая располагается между линейной областью и областью пробоя.

3. Область пробоя или область высоких электрических полей появляется при больших значениях f7„ (обычно 10 - 20 В) и зависит от тока стока и технологии изготовления транзистора. Обычно предпринимаются существенные усилия для увеличения пробивных напряжений, что особенно важно для повышения выходной мощности и надежности транзистора. В случае применения транзистора в линейных и малошумящих усилителях эта область не является важной, так как оптимальный режим работы транзистора не соответствует возникновению в канале больших полей.

Механизм пробоя может быть объяснен как температурным, так и электрическим пробоем. Для удовлетворения требоватшй надежности температура в канале GaAs ПТШ не должна превышать 175°С. Перед тем, как объяснить механизм электрического пробоя, рассмотрим более детально вопрос протекания тока в канале при больших электрических полях (рис. 13.16).

Ток стока для области насыщения можно получить из (13.4);

I=qn{x)v(x)a(x)W., (13.7)

где п (х) - концентрация подвижных носителей заряда, которая при низких значениях напряженности электрического поля равна концентрации донорных примесей Ад.

Анализ рис. 13.3 показывает, что увеличение напряжения сток-исток выще tcHHac приводит к накоплению электронов у края затвора со стороны стока. Исходя из того, что ток в канале транзистора должен быть непре-

Пологая область, - Прим. перев.





Рис, 13.4. Вольт-амперные характеристики ПТШ в случае возникновения больших электрических полей в канале транзистора

Рис. 13.3. Структура ПТШ с областью насыще-<- ния скорости дрейфа

рывным {1(х) является величиной постоянной), область канала может быть разбита на две части:

1) линейную, где Е(х)< Eq и (х)< vq ;

2) насыщения, где Е{х)>Ео и и (х) = Uq .

В области насыщения из-за возрастания потенциала, обусловленного протеканием тока в канале, а{х) уменьшается, увеличивая размеры обедненной области. С учетом уравнения непрерывности в условиях постоянства скорости дрейфа v(x) концентрация подвижных носителей заряда в канале и (л) должна увеличиваться. Таким образом, у конца затвора со стороны стока образуется область накопления электронов, которой соответствует участок канала с обеднением электронов. Последнее объясняется уменьшением напряженности электрического поля в направлении контакта стока. Сформированный диполь располагается под затвором и за затвором в направлении стока. Наличие этого диполя приводит к необходимости введения в линейную эквивалентную схему транзистора емкости сток -канал Cgj,. «0,02пФ, которая не оказывает существенного влияния на высокочастотные характеристики ПТШ. Однако формирование дипольного слоя у границы эпитаксиального слоя с подложкой и наличие на этом участке больших электрических полей весьма важны как факторы, обусловленные возникновением в транзисторе режима пробоя. Высокая плотность накопленных электронов может привести к активизации центров захвата в подложке и в буферном слое у границы с каналом. В экспериментальных исследованиях наблюдалось испускание света при напряжениях сток-исток менее 3 - 4 В, если потенциал на затворе был равен нулю [29-30]. Одновременно с этим отмечалось резкое увеличение тока затвора, что можно объяснить появлением тока дырок из области стока [29]. Когда ток затвора достигает определенного значения, возникает режим пробоя. 220





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

0.004