Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 27
Текст из файла (страница 27)
в отсутствие внешней обратной связи пассивная нагрузка и любой импедано источника не приведут к колебаниям. Если К < 1, прибор потенциально неустойчив, т. е. при определенной комбинации пассивной нагрузки и импеданса источника может возникнуть генерация. Коэффициент максимального усиления б,м„„представляет собой максимально возможный коэффициент усиления по мощности транзнстора без внешней обратной связи. Он характеризует пря мое усиление транзистора по мощности, когда вход и выход одновременно и сопряженно согласованны, и определен только для абсолютно устойчивого транзистора (К:> 1): (77) е„=- — '~ — новффнднент отражения на выходе прн согласо.
аф "'=' ванной нагрузке на входе (Лз = Е„означает, что а! =0); е„ = †, ~ — ноеффнннент пряного усиления прн согласовань, ной нагрузке на выходе; Ь1 е„ = †,' ~ — ноеффнпнент обратного усиления прн согласованной нагрузке на входе. Определим ряд показателей качества СВЧ-транзисторов на основе з-параметров. Коэффициент усиления по мощности бр определим как отношение мощности, передаваемой в нагрузку, к мощности на входе схемы 144]: Биполярные транвистора Рис, 21, Упрощенная эквивалентная схема транзистора на высоких частотах. а — схема с общая бааой; б — схема с общим эмиттером.
Из выражения (77) видно, что при 11; ( 1 выражение в круглых скобках становится комплексным, а б„маис — неопределенным. Коэф11.ицпепт однонаправленного усиления Е/ характеризует прямое усиление транзистора по мощности в усилителе с обратной связью, в котором обратное усиление по мощности сведено к нулю за счет настройки идеальной цепи взаимной обратной связи. Этот коэффициент ие зависит от реактивностей внешней пепи и схемы включения транзистора.
Он определяется выражением 0=- ! а11 ааэ!2121 ! (! — !эи !'! (1 — !Ъ~ !'1 (78) Найдем теперь связь полученных выше характеристик четырехполюсннка с внутренними параметрами транзистора, Упрощенная эквивалентная схема высокочастотного биполярного транзистора приведена на рис. 21. Его параметры были определены выше. Малосигнальным коэффициентом усиления по току в схеме с общей базой является величина а, Рассмотрим транзистор с полосковой базой и полосковым эмиттером (рис. 17). Пусть ширина эмит. тера 5, длина ~, а расстояние между краями эмиттера и базового 174 Глава 3 ~~с а=6,о —— —, Н~ (79) Аналогично определяется малосигнальный коэффициент усиления в схеме с общим эмиттером: д!с ()=61 = — '.
Нв (80) Из выражений (21), (22), (79), (80) имеем = ао+ ты д)е ° р = (!о+он д) и р= . (81) дао дно а При низких плотностях тока величины а, и ро возрастают с током (рис. 7), причем а и р превышают свои статические значения.
При больших плотностях тока справедливо ооратное утверждение. Для эквивалентной схемы,.приведенной на рис. 21, а, коэффициент У определяется выражением 188) )аф)о (82) 2л) сеСс 8л)тоСс — 1т 1а ())1+ о 2 о > 1 + 4л2/ ° ;С; где !т (а (Г) ) — мнимая часть коэффициента усиления по току а, Если а (Г) можно пРедставить в виде ао/(1 + )Кт) и если )'< < ~„то !т !а Ц)1 = — аоИ~ = — аоол„. Тогда спРаведливо выражение Ио ао!) о 16л /ЪСсР (~с~ + сеСс/ссо) 16ло5'с С.те (83) то —— то5Х и С, = СоИ., и т„~т,С, выражение (83) где использованы соотношения и ~ее = тес+ теСс(ао. При а,= ! принимает более простой вид и= )т 1тП' 8лРтоСс алЬотоСо (84) Другим важным показателем качества является максимальная частота генерации ~„оао — частота, на которой коэффи цнент контакта 5.
В такой конструкции емкость коллектора приблизительно равна С, = СоЯ., где Со — удельная емкость коллектора. Сопротивление базы при такой геометрии составляет то —— то5/1., причем то = ра! К, где ра — усредненное удельное сопротивление слоя базы. Малосигнальный коэффициент усиления а в схеме с общей базой определяется выражением 175 Биполярные транзисторы однонаправленного усиления равен 1, Из выражений (83) и (84) экстраполированная величина ~м,.„, равна 1 / ао 4л5 1 еС е' 1, 'о а ес 7 (85а) Обратим внимание, что и коэффициент однонаправленного усиления, и максимальная частота колебаний возрастают с уменьшением 5, вследствие чего ширина эмиттерной полоски является определяющим размером СВЧ-транзисторов.
Другим важным показателем качества выступает шум-фак. тор — отношение полного среднего квадрата напряжения шума на выходе транзистора к среднему квадрату напряжения шума на источнике теплового шума с сопротивлением й~. На низких частотах доминирующий источник шума в транзисторе связан с поверхностными эффектами, которые обусловливают возрастание шума по закону 1/~. На средних и высоких частотах шум-фактор описывается выражением 145) 1+ гн ес (! — ае) 11+ (1 — ае) ~ (Все)~1(йз+ ее,+ ее)е й, + 2й, + 2 асеев 3.3.3.
Геометрии и характеристики приборов Простейший биполярный транзистор с полосковыми базовыми контактами показан на рис. 17, В настоящее время все биполярные СВЧ-транзисторы имеют планарную конструкцию, а боль. шинство из нпх представляют собой кремниевые п — р — и-транзисторы. По геометрии их можно подразделить на три основные конфигурации (рис. 22) 146 ): встречноштыревые, многоэмп ггерные и ячеистые. Как уже говорилось выше, из-за падения напряжения вдоль перехода база — эмиттср эмиттерный ток в основном про- (86) Из выражения (86) видно, что на средних частотах при 1' ((( шум-фактор примерно постоянен' и определяется го, г„(1 — а,) и Я,.
Существует оптимальное значение Р,, которое находится из условия е( (Л'Р)ЙЯэ — — О. Минимальный шум-фактор обознаиют Л'Е„ин. Для создания малошумящих приборов очень важно снизить величину (1 — а„), или, что то же самое, повысить а,. На высоких частотах, превышающих критическую частоту ( = =- 1, 1 — а,~, шум-фактор возрастает примерно как квадрат частоты, т. е. как 176 Глава 8 текает по периферии эмиттера. Следовательно, и способность биполярного транзистора пропускать большой ток тем выше, чем больше длина эмиттера.
Все конфигурации, представленные на рис. 22, имеют большое отношение периметра эмиттера к его площади. Во всех конструкциях транзисторов для образования омических контактов к эмиттеру, базе и коллектору использован процесс финишной металлизации. Особо важную роль процесс металлизации играет в технологии транзисторов с балочными выводами 19, 471. На рис, 23 показан кремниевый высокочастотный транзистор с балочными выводами и полосковой геометрией базовых контактов, как в транзисторе, показанном на рис, 17.
Металлические выводы толщиной 10 мкм выполняют роль держателя кремниевого кристалла и одновременно служат электрическими контактами. Технология приборов с балочными выводами позволяет получить исключительно высокую надежность и хорошие электрические характеристики, Для уменьшения расстояния между электродами базы и эмиттера были созданы транзисторы со ступенчатыми выводами Рагаег гта В-В ! ! ! 3 г.агрег па С вЂ” С д С ~ 1::::3 диасе т 1 ~~~~Дшрругианный эмант атер ЦД Дырсругионнаэт бага р+- лтина Рис. 22. Три ионфигурвции СВг!-тринзисторов 1461.
а — вотреяиоштиреввя; б — миогоэииттеривя; в — ячеистая. !77 Баполярные транзастора .4оллеклхор Балочный быЫ Эми(пл7ер Объемньхи Балочный дылд оки сел дремниебый кристалл кремнии" ы, Ямил7лчр б Рис. 23. Транзистор с балочными выводами (91. а — в разрезе; б — ввд сверху. (рис, 24, а) (481.
При помощи селективного травления поликристаллического кремния получают электроды в форме обратной трапеции. Боковые ребра обратных трапеций образуют изолиру. ющие слои между напыленными выводами базы и эмиттера. Расстояние между диффузионным слоем эмиттера и контактом к базе может быть уменьшено до 0,4 мкм и менее; частота отсечки в этом случае составляла 8,4 ГГц.
Другая усовершенствованная конструкция СВЧ-транзистора, в котором активная и пассивная области базы сформированы разными допускающими независимую оптимизацию процессами, приведена на рис. 24, б 149 1. За счет уменьшения эффективной ширины эмиттера и сопротивления базы достигается высокая частота отсечки и низкий шум-фактор.
На рис. 25 приведены коэффициент усиления по мощности и другие показатели качества такого транзистора. Результаты получень', из измерений з-параметров. Коэффициент однонаправленного усиления У в соответствии с формулой (84) изменяется по закону ~ ', Экстраполируя 178 — Ширина змипипе~а. /7аееиена~ Еа Рис, 24. Транзистор со ступенчатыми электролами 1а) и с имплантчрованной базой (б) 1491. зависимость до У = 1 (О дБ), получим, что у исследуемого СВЧ- тРанзистоРа 7маае составлиет 25 ГГц, Коэффициент максимального усиления б,„„.к„и коэффициенг усиления по току в схеме с общим эмиттером 6~, зависит от частоты по закону 7 '.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
