Диссертация (1090806), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Эти эффекты связаны(как и в транзисторах на арсениде галлия) с ловушечными центрами захвата(дефектами материала).АлмазАлмаз обладает широкой запрещенной зоной 5.47 эВ, при этом подвижностьэлектронов и дырок 1800 и 1200 см2/в·с соответственно. Применение алмазов—28 —началось с их использования в качестве теплопроводящих подложек, за счетвысокой теплопроводности материала.
Формирование активных структур наоснове алмазов связано со значительными трудностями, главным образомсвязанными с легированием, т.к. легирующими примесями алмаза являются бор вкачестве акцептора и азот с фосфором в качестве донора. Из-за высокой энергииактивацииэтихэлементов,прикомнатнойтемпературеединственнымлегирующим элементом является бор (необходима высокая концентрация свыше1020 см-3). К другим недостаткам можно отнести высокую стоимость, отсутствиесобственного окисла или другого изолирующего слоя, отсутствие технологиитравления поверхности и отсутствие элементов обеспечивающих электроннуюпроводимость и обеспечивающих возможность создания биполярных структур.ВыводыСуществуетбольшоеколичествоиспользуемыхполупроводниковыхматериалов для создания СВЧ приборов, отличающихся по своим физическимсвойствам и характеристикам, разные технологии являются оптимальными дляразных применений.
За последние годы отсутствие значительного ростахарактеристик арсенид-галлиевых устройств говорит о том, что стремительноразвивавшийся арсенид галлия достигает своих предельных результатов, аисследования всё больше смещаются в сторону других материалов [35]. Впоследнее время наиболее развивающимся из этих материалов можно назватьнитрид галлия. Совокупность высокой удельной мощности, широкой запрещеннойзоны, высокого напряжения пробоя и большой подвижности носителей делают этотматериал крайне перспективным для исследований и разработки новых устройств.Нитрид галлия наиболее широко используется в усилителях мощности, ноперспективным направлением является его использование в малошумящихусилителях.
Хотя арсенид-галлиевые схемы обладают меньшим уровнем шума, нодля их функционирования необходим ограничитель мощности на входе, который—29 —из-за расположения во входной цепи оказывает существенное негативное влияниена общий уровень шума схемы. При этом на нитриде галлия, за счет отказа отограничителя мощности во входной цепи, можно добиться сопоставимого или дажеменьшего коэффициента шума, чем в схемах на арсениде галлия с ограничителеммощности. С развитием и удешевлением подложек для нитрида галлия, а вособенности с появлением отечественных подложек карбида кремния, можноожидать существенного роста количества разработок на нитриде галлия и егоиспользование в более высокочастотных диапазонах.1.3 Коммерчески доступные аналоги МШУ диапазона 57-64 ГГцАнализдоступныхисточниковпоказалналичиенасайтахрядапроизводителей МШУ диапазона 57-64 ГГц или близких к нему.
Создание схемданного диапазона является сложной задачей как с технологической точки зрения,так и с точки зрения проектирования, поэтому количество разработок невелико.Они созданы крупнейшими производителями СВЧ электроники – TriQuint, UnitedMonolithic Semiconductors, Microsemi, Hittite, Norden Millimeter, Sumitomo,RFlambda, Microsemi и Ducommun. Характеристики найденных образцов сведеныв таблицу 2.
У большинства усилителей в качестве материала гетероструктурыуказан арсенид галлия. По достигнутым характеристикам усилителей безуказанной технологии можно предположить, что они тоже изготовлены наарсениде галлия.Основными характеристиками рассмотренных усилителей являются рабочаяполоса частот, коэффициент передачи (S21) и коэффициент шума (NF).Характеристикой согласования будем считать коэффициент стоячей волны понапряжению, который связан с уровнем обратных потерь формулой:YZКСВН =Q#?#X J=YZQ#K#X J=(1.8)—30 —где RL (Return Loss) – входные (IRL) или выходные (ORL) обратные потери.При хорошем согласовании значение КСВН менее 2, что соответствует уровнюобратных потерь менее -10.Таблица 2 - Сводная таблица характеристик малошумящих усилителейдиапазона 57-64 ГГцПроизводительСерийныйномерТипгетероструктурыЧастота,ГГцS21,дБIRL,дБORL,дБNF,дБТок,мАНапряжение, ВРазмерыкристалла, мм2TriQuintTGA4600pHEMT, GaAs57-6513-20-644131.62 x 0.84FMM5716XGaAs57-6420-10-1553031.54 x 0.7CHA2159pHEMT, GaAs55-6520-7-1141153.52.35 x 1.11CHA2157pHEMT, GaAs55-6010-5-83.5803.31.71 x 1.04MicrosemiMMA036AAНе указан0-6511-15-152.3*854.5-MicrosemiMMA035AAНе указан0-6511--4.5*1507-SumitomoElectric IndustriesUnited MonolithicSemiconductorUnited MonolithicSemiconductorMicrosemiMMA034AAНе указан0-6510.5--5.5*2508-Analog Devices(Hittite)HMC-ALH382GaAs57-6522-12-104.5642.51.55 x 0.73RF-LAMBDAR50G69GSAНе указан50-69-15-203.82205-RF-LAMBDAR50G69GSBНе указан50-6922-10-105-61525-RF-LAMBDAR50G69GSCНе указан50-6940-8-742275-DucommunALN-61086015pHEMT, GaAs57-6515-10-10610012-DucommunALN-61086030pHEMT, GaAs57-6530-10-10615012-10.5* - приведено значение коэффициента шума на 20 ГГц.S21 – коэффициент передачи;IRL (Input Return Loss) – входные обратные потери;ORL (Output Return Loss) – выходные обратные потери;NF (Noise Figure) – коэффициент шума (KШ).В работе [36] описан трёхкаскадный малошумящий усилитель компанииTriQuint (TGA4600) для диапазона 57-65 ГГц (рисунок 1.5), построенный по0.15 мкм pHEMT технологии с использованием микрополосков, и трёхслойнойметаллизации.
Коэффициент передачи достигает значения 13-14 дБ. Усилительхорошо согласован по входу КСВН входа около 1.2 (по уровню обратных потерьвхода -20 дБ), но сильно хуже согласован по выходу КСВН выхода около 3 (поуровню обратных потерь выхода -6). Коэффициент шума составляет около 4 дБ в—31 —рабочей полосе. Ток потребления составил 41 мА при напряжении питания 3 В.Размеры МИС 1.62 x 0.84 мм2.а)б)в)Рисунок 1.5 - Внешний вид (а) и характеристики усилителя компании TriQuint:зависимости S-параметров (б) и коэффициента шума (в) от частотыМалошумящий усилитель японской компании Sumitomo Electric Industries(SEI) для диапазона 57-64 ГГц описан в работе [37] (рисунок 1.6).
Усилитель имеет3 каскада, построен по микрополосковой технологии на гетероструктуре арсенидагаллия. Коэффициент передачи составил 20-22 дБ в рабочей полосе и имеетхорошее согласование по входу и выходу (входные и выходные обратные потерисоставляют около -10 дБ, таким образом КСВН по входу и выходу менее 2).—32 —Коэффициент шума составил 4.5-5 дБ. Ток потребления 30 мА при рабочемнапряжении 3 В. Габариты кристалла 1.54 x 0.7 мм2.а)б)в)г)Рисунок 1.6 - Усилитель компании Sumitomo Electric Industries: внешний вид (а),зависимости S-параметров от частоты (б, в), зависимость коэффициента шума (г)от частотыНарисунке1.7французско-германскойсхематичнокомпаниипоказанUnitedчетырехкаскадныйMonolithicусилительSemiconductors[38].Усилитель построен по pHEMT технологии с длиной затвора 0.15 мкм и имеетрабочий диапазон 55-65 ГГц.
Усилитель относится к категории малошумящих, ноодновременно позиционируется производителем и как усилитель мощности.Коэффициент передачи составляет около 20 дБ в рабочем диапазоне. Усилитель—33 —имеет хорошее согласование по выходу – КСВН выхода менее 2.1 (обратныепотери менее -9 дБ) и немного хуже согласование по входу – КСВН входа 2.1-3 (поуровню обратных потерь от -6 до -9 дБ). Коэффициент шума, заявленныйпроизводителем, составил 4-4.8 дБ. При рабочем напряжении 3.5 В токпотребления составил около 115-150 мА. Габариты кристалла 2.35 x 1.11 мм2.а)б)Рисунок 1.7 - Схема топологии (а) и зависимости S-параметров и коэффициенташума от частоты (б) малошумящего усилителя United Monolithic SemiconductorsCHA2159У компании United Monolithic Semiconductors есть еще один усилитель,построенный по технологии pHEMT с длиной затвора 0.15 мкм, но двухкаскадныйи работающий в частотном диапазоне 55-60 ГГц (рисунок 1.8) [39].
Уменьшениеколичествакаскадовположительноповлиялонаразмерыкристалла–1.71 x 1.04 мм2, но при этом ожидаемо снизился коэффициент передачи – теперь онсоставляет около 10 дБ. При этом усилитель имеет не очень хорошее согласованиепо выходу (обратные потери выхода -8 дБ, что соответствует КСВН выхода 2.3) иплохое согласование по входу (обратные потери от -7 до -4 дБ, что соответствуетКСВН входа 2.6-4.4). Улучшился коэффициент шума, так в большей части рабочегодиапазона он составляет 3 дБ и лишь на частотах 58-60 ГГц резко возрастает до4.5 дБ.
Ток потребления составил 80-150 мА при напряжении питания 3.3-3.8 В.—34 —а)б)Рисунок 1.8 - Усилитель United Monolithic Semiconductors CHA2157: зависимостиS-параметров от частоты (а) и зависимости коэффициента усиления икоэффициента шума от частоты (б)Три образца широкополосных усилителей, работающих на частоте от 0 до65 ГГц произведены компанией Microsemi [40]. Для общего доступа размещеныхарактеристики только одного усилителя, работающего при наименьшемнапряжении питания (4.5 В против 7-8 В у двух других). Он позиционируется какмалошумящий и его характеристики показаны на рисунке 1.9. Усилитель имеет неочень высокий коэффициент передачи – около 11 дБ, но хорошо согласован повходу и по выходу во всем диапазоне частот (обратные потери входа и выходаменее -10 дБ, то есть КСВН входа и выхода менее 2).
К сожалению, производителемне предоставлен график зависимости коэффициента шума от частоты, а указанолишь значение на частоте 20 ГГц и составило 2.3 дБ.—35 —Рисунок 1.9 - Частотная зависимость S-параметров усилителя MMA036AAкомпании MicrosemiКомпанией Hittite (Analog Devices) разработаны 4 усилителя в интересующемдиапазоне частот [41], [42], [43], [44]. Все они разработаны на гетероструктурахарсенида галлия. Три усилителя относятся к усилителям мощности и один кмалошумящим усилителям, он представляет наибольший интерес. Усилительсостоит из 4 каскадов и изготовлен на гетероструктуре арсениде галлия, рабочийдиапазон составил 57-65 ГГц [41].
Зондовые измерения на кристалле показали(рисунок 1.10), что в рабочем диапазоне частот коэффициент передачи составил 1921 дБ, при хорошем согласовании входа и выхода усилителя (обратные потерименее -10 дБ, то есть КСВН менее 2). Коэффициента шума составил от 3.8 до 5 дБ.Производитель не показывает топологию усилителя, ограничившись габаритамикристалла – 1.55 x 0.73 мм2. Ток потребления 115-150 мА при рабочем напряжениипитания 2.5 В.—36 —а)б)в)г)Рисунок 1.10 - Малошумящий усилитель компании Hittite (Analog Devices):зависимости S-параметров (а, б, в) и коэффициента шума (г) от частотыТри других усилителя относятся к усилителям мощности, работают прибольшем напряжении питания, с большими токами потребления от 80 до 320 мА, иимеют коэффициенты передачи от 12 до 24 дБ.Три малошумящих усилителя для диапазона 50-69 ГГц разработаныкомпанией RF-LAMBDA [45], [46], [47].
Производитель не показывает топологиюи габариты усилителей, также не указывается по какой технологии ониизготавливались. Усилители имеют серийные номера R50G69GSA, R50G69GSB иR50G69GSC, но для краткости будем называть их по последней букве A, B и Cсоответственно. Характеристики усилителя A показаны на рисунке 1.11, он имеетсамый низкий коэффициент передачи около 11 дБ, но и самый низкий коэффициентшума – 3.8 дБ (графики измерений шума отсутствуют для всех усилителей,—37 —значения указаны в текстовом виде), при этом хорошо согласован по входу и повыходу (обратные потери менее -10 дБ, КСВН менее 2).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
