В наше время СВЧ ПТШ получили широкое применение не

УДК 621.382.323
МОДУЛЯЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЧ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С
ЗАТВОРОМ ШОТТКИ
С.А. ЗУЕВ, В.В. СТАРОСТЕНКО, канд. физ.-мат. наук, А.А. ШАДРИН, канд. техн. наук,
В.Ю.ТЕРЕЩЕНКО
СВЧ полевые транзисторы с затвором Шоттки (ПТШ) получили широкое применение не
только в цифровой технике, где они работают в ключевом режиме, но и как основные узлы
приемно-передающих трактов. Устройства такого рода могут также применяться в системах
управления движением и датчиках контроля уровня. В приемниках и передатчиках ПТШ
могут использоваться, как в качестве активного элемента малошумящего усилителя, так и в
качестве модулятора в режиме угловой или амплитудно-импульсной модуляции. Качество
модулятора описывается тремя параметрами [1, 2]: коэффициентом гармоник k Г ,
характеризующим изменение формы выходного сигнала; допустимым отклонением
коэффициента модуляции от среднего значения в заданной полосе модулирующих частот
m m и уровнем паразитной модуляции PШ PСР . Оценить качество модуляции и
значения k Г и m m можно используя статическую и динамическую модуляционные
характеристики.
Для анализа модуляционных характеристик был рассчитан ПТШ на GaAs со
следующими характеристиками: эффективная длина затвора – 240 нм; уровни легирования
слоев GaAs: n  - буферный слой - 1021 м 3 , n - канал - 5 1023 м 3 , n  - контактный слой 1025 м 3 ; материал металлизации затвора – Au с подслоем из W. Геометрия транзистора
приведена на рис.1.
затвор
исток
n
0,32 мкм
Au
0,1мкм
0,24 мкм
W
0,1мкм
сток
n
n
n
Рис.1.
Расчет транзистора проводился в рамках кинетического приближения методом
макрочастиц [3, 4]. При решении кинетического уравнения Больцмана учитывались
следующие основных механизмы рассеяния носителей в кристалле полупроводника:
рассеяние на ионах примесей, рассеяние на дефектах кристаллической решетки, рассеяния на
оптических и акустических фононах, междолинное и электрон-элекронное рассеяние [5]. Для
описания контакта металл-полупроводник использовалось диффузионно-эмиссионная
модель барьера Шоттки с учетом сил зеркального изображения [6, 7]. В качестве объекта
исследования были приняты токи, наведенные во внешних цепях транзистора. Расчеты
проводились для ПТШ, включенного по схеме с общим истоком.
k, дБ
Полученные вольт-амперные характеристики
транзистора имеют традиционный для полевых
14
транзисторов вид [5]. Зависимость расчетного
12
коэффициента усиления от частоты представлена
на рис.2.
10
При работе ПТШ, включенного по схеме с
8
общим истоком в качестве модулятора, можно
несущую
частоту
модулировать
либо
6
информационным сигналом, поданным на затвор,
4
либо информационным сигналом, поданным на
сток вместе с напряжением питания. В таких
2
случаях говорят о модуляции по затвору и
0
модуляции по стоку. Первая схема легче
0
50
100
150
реализуется и она часто используется при
F, ГГц
амплитудно-импульсной
модуляции,
когда
модулирующий сигнал представляет собой
Рис.2.
последовательность прямоугольных импульсов,
открывающих транзистор со стороны затвора.
Для выбора режима модуляции были получены статические модуляционные
характеристики транзистора при разных способах модуляции. На рис.3.а – статическая
модуляционная характеристика для модуляции напряжением, поданным на затвор, то есть
зависимость амплитуды колебаний тока на выходе от уровня постоянного смещения на
затворе. На рис.3.б – та же зависимость для модуляции напряжением, поданным на сток, при
этом, смещение на затворе 0,1В. Обе характеристики считались при напряжении питания
1,5В и амплитуде несущей частоты 0,6В.
8
7
6
I, мА
I, мА
5
4
3
2
1
0
1
0
-1
-0,5
10
9
8
7
6
5
4
3
2
0
0,5
U, В
а
1
1,5
0
0,5
1
1,5
2
U, В
б
Рис.3.
По статическим модуляционным характеристикам, из соображений линейности
характеристики, выбирается смещение и амплитуда модулирующего сигнала. Из рис.3
видно, что при модуляции со стороны затвора можно выделить линейный участок
характеристики в пределах –0,4..0,8В. На этом участке информационный сигнал практически
не будет искажаться. Следовательно, в качестве рабочего смещения для амплитудной
модуляции необходимо использовать напряжение 0,2В, и амплитуда информационного
сигнала должна составлять не более 0,6В. Для модуляции прямоугольными импульсами
можно использовать смещение –0,6В и открывать транзистор импульсом не более 1,2В. При
модуляции питанием, со стороны стока, рабочий диапазон напряжений лежит в пределах от
0 до 1В. Амплитудную модуляцию можно осуществлять при питании 0,5В и амплитуде
информационного сигнала не более 0,5В. При этом полевой транзистор будет работать в
недонапряженном режиме.
Для оценки качества модулятора были рассчитаны амплитудная (рис.4.а) и частотная
(рис.4.б) динамические модуляционные характеристики транзистора при модуляции
напряжением, поданным на затвор (кривая 1, рис.4.а,б) и при модуляции питанием (кривая 2,
рис.4.а,б). Характеристики рассчитаны в выбранных рабочих точках.
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
m
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,6
1
1
0,5
0,4
2
2
m
0,3
0,2
0,1
0
0
0,5
1
1,5
40
U, В
а
90
140
f, ГГц
б
Рис.4.
Как видно на рис.4. при модуляции напряжением на затворе, можно достичь в рабочем
режиме большего коэффициента модуляции. Анализ модуляционных характеристик показал,
что при использовании данного ПТШ в качестве модулятора с несущей частотой порядка 100
ГГц удобно использовать модуляцию затвором, с амплитудой модулирующего сигнала 0,6 В.
При таком режиме коэффициент модуляции равен 0,55 и искажения информационного
сигнала малы. Величина m m для амплитуды информационного сигнала 0,6 В - 0,08.
Список литературы: 1. Дж. Е. Роу., Теория нелинейных явлений в приборах сверхвысоких частот. – Москва:
Советское радио. – 1969 – 616 с. 2. Петров Б.Е., Романюк В.А., Радиопередающие устройства на
полупроводниковых приборах: Учеб. пособие для радиотехн. спец. вузов. – Москва: Высш.шк. – 1989 – 232с. 3.
Хокни Р., Иствуд Д., Численное моделирование методом частиц.  Москва: Мир, 1987.  638 с. 4. Реклайтис
А.С., Мицкявичус Р.В., Новое в жизни, науке, технике: Метод Монте Карло в физике полупроводников. 
Москва: Знание, 1988.  38 с. 5. Зуев С.А., Старостенко В.В., Шадрин А.А., Модель расчета полевых
транзисторов на GaAs субмикронных размеров // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. 2001.
Вып.121. С.146-152. 6. С. Зи, Физика полупроводниковых приборов. – Москва: Мир, 1984. – 456 с. 7. Торхов
Н.А., Эффект баллистического переноса электронов в структурах металл – n-GaAs – n+-GaAs с барьером
Шоттки // ФТП. 2001. Вып.7. Том 35. С.823-830.
Таврический национальный университет им.В.И.Вернадского
Поступила в редколлегию