МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» им. В. И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра РТЭ ОТЧЕТ к самостоятельной работе №3 по дисциплине «микроволновая электроника» Тема: «Теоретические основы микроволновой электроники» Студент гр. 9207 Преподаватель Дмитриев К.А. Иванов В.А. Санкт-Петербург 2022 Прибор: диод Ганна (режимы: с бегущим доменом, со статическим доменом) Задание 1 1. Рассчитать токовую чувствительность ДД с коэффициентом идеальности n = 1+0,1*8 + 0,05*7 = 2,15 2. Каково будет приращение тока при подаче на диод микроволновой мощности Рмикро = 2 мВт. 3. Оцените тангенциальную чувствительность (выразить в дБ), если эффективная шумовая температура диода составляет Тэфф = 3150, а полоса усилителя df = 8 MHz. 4. Охарактеризовать основные сходства и отличия в функциональной реш. структуре, параметрах микроволновых приборов с номерами: ДД и pin. 5. Описать схематические модели микроволновых диодов с положительным динамическим сопротивлением (произвольный выбор), используя доступные информационные источники: интернет, лекции, программу AWR, microwave office, и т.п. Дано: n = 2.15 Pmicro = 2 мВт Тэфф = 3170К Df = 8 MHz 𝛽= 𝛼 = 2𝑔 1 𝑅𝑠 2 𝜔 2 (1 + 𝑅 ) (1 + (𝜔 ) ) 𝑗 𝑟𝑝 𝐼𝑔 = 𝐼𝑠 (exp ( 𝑞𝑈 ) − 1) 𝑛𝑘𝑇 𝑞 2 𝑞𝑈 𝐼𝑠 ( ) exp ( ) 𝛼 𝑞 𝑛𝑘𝑇 𝑛𝑘𝑇 𝛽= = = 𝐼𝑞 𝑞𝑈 2𝑔 2𝑛𝑘𝑇 2 𝑠 exp ( ) 𝑛𝑘𝑇 𝑛𝑘𝑇 1.6 ∗ 10−19 𝛽= = 8.98 1/𝑉 2 ∗ 2.15 ∗ 1.38 ∗ 10−23 ∗ 300 = 𝛼 2𝑔 𝛽= ∆𝐼 𝑃𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜 → ∆𝐼 = 𝛽𝑃𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜 ∆𝐼 = 8.98 ∗ 2 ∗ 10−3 = 17.97 𝑚𝐴 𝜇 = 10 lg ( 𝑃𝑚𝑖𝑛 ) 106 𝑃𝑚𝑖𝑛 = 𝑃𝑛 𝑐𝑝 = 𝑖𝑛2 𝑐𝑝 𝑅 = 4𝑘𝑇𝑒𝑓𝑓 ∆𝑓 = 4 ∗ 1.38 ∗ 10−23 ∗ 317 ∗ 106 = 1.14 ∗ 10−13 𝑊𝑡 1.4 ∗ 10−13 𝜇 = 10 lg ( ) = −98.54 дБм 106 Ответ: 𝛽 = 8,98 1/В, ∆𝐼 = 17.97 𝑚𝐴, 𝜇 = −98.54 дБм 1.1. Необходимо охарактеризовать основные сходства и отличия в функциональной роли, структуре, параметрах таких микроволновых приборов, как детекторный диод (ДД) и РIN диод. И детекторный диод, и PIN-диод являются полупроводниковыми приборами микроволнового диапазона с положительным дифференциальным сопротивлением. Функциональная роль. Детекторный диод: (10 −2 Преобразование энергетически слабых … 10−6 ) Вт в сигнал постоянного тока. микроволновых сигналов Использование выпрямляющего свойства диода для выделения из модулированных по амплитуде СВЧ колебаний сигнала более низкой частоты, которые затем поступают на вход усилителя. Применяется в качестве индикационных (детекторных) устройств слабых сигналов PIN-диод: Принцип действия основан на изменении сопротивления при изменениях приложенного напряжения смещения или уровня СВЧ-мощности в тракте. Применяются для управления уровнем и фазой СВЧ-сигналов, для коммутации и стабилизации СВЧ-мощности в линиях передач, для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ-импульсов (ограничитель) Структура. Детекторный диод: 1. Точечный диод – структура с контактом металл–полупроводник. Рисунок 2 – Точечный диод Поликристаллической пластина кремния р типа (1) в контакте с которым находится пружина из заостренной на конце вольфрамовой проволоки (2). Электроды (3) и (4) спаяны с керамическим корпусом (5). Острие пружины приваривается к полупроводнику пропусканием импульса тока. В месте сварки образуется барьер Шоттки малой площади, что обусловливает малую емкость перехода и сравнительно высокое значение Rs. Структура несовершенна, что приводит к отклонению его ВАХ от идеальной и появлению шумов. 2. Планарный диод – эпитаксиальная структура с напылённой металлической пленкой. Рисунок 3 – Планарный диод Металлизация (1), нанесенная методом вакуумного испарения, образует с эпитаксиальной пленкой п типа (2) барьер Шоттки, по своим свойствам близкий к идеальному. Сильнолегированная п+ подложка (3) способствует малому сопротивлению RS. Такой ДБШ обладает более высокими значениями критической частоты при меньшем уровне шумов. PIN-диод: Основной особенностью структуры является то, что между p– и n– областями полупроводника с контактами имеется высокоомная область чистого кремния (или германия) с предельно низкой концентрацией примесей (полупроводник с собственной проводимостью i–типа). Параметры. Детекторный диод: 1. ВАХ 𝐼д = 𝐼𝑠 (exp ( I lnI IS U I II 0,1 III 0,5 Рисунок 4 – ВАХ ДД 2. Токовая чувствительность 𝛽= ∆𝐼 𝑃𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜 U,В 𝑞𝑈 ) − 1) 𝑛𝑘𝑇 3. Тангенциальная чувствительность 𝜇 = −10 lg ( 𝑃𝑚𝑖𝑛 ) 1 мВт 4. Шумовое отношение ⟨𝑢2 ⟩ 𝑛 = ⟨𝑢2 𝑛𝑑 𝑛𝑅𝑑𝑖𝑓 ⟩ 5. Граничная частота 𝜔гр = 1 𝑅𝑠 𝐶𝑗 6. Полное сопротивление 𝑍𝑑 = 𝑅𝑑 + 𝑗𝑋𝑑 PIN-диод: 1.ВАХ 𝐼д = 𝐼𝑠 (exp ( 𝑞𝑈 𝑛𝑘𝑇 ) − 1) Рисунок 5 – ВАХ PIN-диода 2.Потери на пропускание (запирание) 𝐿п(з) = 10 lg 𝑃вх | 𝑃вых п(з) 3. Коэффициент качества 𝐾= √𝑃п −1 √𝑃з −1 4. Граничная частота 𝜔гр = 1 𝑅𝑠 𝐶𝑗 ; 𝐶𝑗 = 𝜀𝑆 𝑑𝑖 5. Время срабатывания 𝜏𝑚𝑖𝑛 = 𝑑𝑖 𝑣𝑠 Можно сделать вывод о том, что у детекторного и PIN диодов функциональная роль разная в общем случае. Однако, учитывая структуру PIN диода, в некоторых детекторах применяются эти диоды для регистрирования сантиметрового диапазона волн, в то время как у детекторного диода диапазон включает в себя и миллиметровые волны. Задание 2 Нарисовать типовое распределение по координате легированной примеси, концентрации подвижных носителей заряда статического пол и скорости дрейфа для двух структур из списка диодов с отрицательным динамическим сопротивлением. 𝐿 = 2 ∗ 8 − 0.25 = 15.75 Найти fлпд, fgr у Si и GaAs V = 105 m/c Для ЛПД: 𝐿 1 𝑉𝑛𝑎𝑠 105 = → 𝑓𝑙𝑝𝑑 = = = 3.17 ∗ 109 𝐻𝑧 𝑉𝑛𝑎𝑠 𝑓𝑙𝑝𝑑 2𝐿 2 ∗ 15.75 ∗ 10−6 Для ДГ: 𝑉𝑛𝑎𝑠 105 𝑓𝑔𝑟 = = = 6.35𝐺𝐻𝑧 𝐿 15.75 ∗ 10−6 Задание 3 Транзисторы: 1. Сравните максимально возможную толщину базы биполярного транзистора и длину затвора полевого транзистора при работе на частоте f0 = 10 ГГц. Оцените угол пролёта в обоих случаях. Свяжите с решением задачи №3 из 1 задания. 2. Сравните преимущества и недостатки использования в МВдиапазоне НЕМТ-приборов и транзисторов с баллистич. транс. Какова должна быть толщина высоколегированной области в НЕМТе Nd = (1+0.025*8+7)*1017 cm-3, если контактная разность потенциалов равна 𝜑к = (7 ∗ 0,01 + 0,5 + 0,08)В. 3. Обосновать тенденцию использования в современных транзисторах таких материалов как GaN, InP, SiC diamond C. 4. Качественно нарисовать вх и вых ВАХ у ПТБШ с одинаковыми размерами уровня легирования, но изготовленными из Si, GaN, GaAs. Обосновать зависимости. 5. Как связаны НЧ шумы с технологиями изготовления транзисторов? a) Полевой транзистор 𝑉𝑛𝑎𝑠 105 𝑙 = 𝑉𝑛𝑎𝑠 𝜏 = = = 1.59 𝑚𝑘𝑚 2𝜋𝑓0 2 ∗ 3.14 ∗ 10 ∗ 109 b) Биполярный транзистор 𝑚2 𝑚2 𝑊𝐵 = √𝐷𝑟 𝐷𝑛 = 0.012 𝐷𝑝 = 0.005 𝑐 𝑐 Для p-n-p 0.005 𝑊𝐵 = √ = 0.282 𝑚𝑘𝑚 2 ∗ 3.14 ∗ 10 ∗ 109 Для n-p-n 0.012 𝑊𝐵 = √ = 0.437 𝑚𝑘𝑚 2 ∗ 3.14 ∗ 10 ∗ 109 Угол пролета: Для полевого транзистора: 𝜔𝑙𝑛/𝑛 2𝜋𝑓0 𝑙 2 ∗ 3.14 ∗ 10 ∗ 109 ∗ 1.59 ∗ 10−6 𝜃= = = = 0.998 𝑟𝑎𝑑 𝑉max 𝑛/𝑛 𝑉𝑛𝑎𝑠 105 Для биполярного транзистора: p-n-p 2𝜋𝑓0 𝑊𝐵 2 ∗ 3.14 ∗ 10 ∗ 109 ∗ 0.282 ∗ 10−6 𝜃= = = 0.177 𝑉𝑛𝑎𝑠 105 n-p-n 2𝜋𝑓0 𝑊𝐵 2 ∗ 3.14 ∗ 10 ∗ 109 ∗ 0.437 ∗ 10−6 𝜃= = = 0.274 𝑉𝑛𝑎𝑠 105 Толщина высоколегированной области: 𝜑𝑘 = 𝑞𝑁𝑑 𝑎𝑘 2 2𝜀𝜑𝑘 2 ∗ 8.85 ∗ 10−12 ∗ 0.65 𝐴𝑘 → 𝐴𝑘 = √ =√ 2𝜀0 𝑞𝑁𝑑 𝑎𝑘 1.6 ∗ 10−19 ∗ 8.2 ∗ 1023 = 0.922𝑛𝑚 3.3Обоснуйте тенденцию использования в современных транзисторах таких материалов как GaN, InP, SiC, алмаз С. Наибольший интерес вызывают широкозонные п/п и гетероструктуры на их основе. Предпочтения при создании мощных транзисторов следует отдать структурам с использованием нитрида галлия (GaN). Он обеспечивает большую скорость дрейфа (около 2,7*105 м/с), их скоростей насыщения (2,7*107 см/с), а также высокую критическую напряжённость электрического поля (3,3*106 В/см). При этом низкополевая подвижность хотя и снижена по сравнению с GaAs, но достаточно высока, существенно выше, чем у SiC. На практике используются гетероструктуры с использованием комбинации представленных материалов. В частности, наиболее перспективной является структура GaN, AlGaN/GaN на SiC подложке (см. рисунок 6). Рисунок 6 – Структура GaN транзистора Исследование карбид кремниевой подложки упрощает решение вопросов теплоотвода в мощных приборах. В тех случаях, когда потребителю важна стоимость прибора, используют структуру именно на кремниевой подложке. В наглядной форме на рисунках 7 и 8 представлены статические полескоростные зависимости, сравнение типовых рабочих режимов для трёх приборов: на кремнии, арсениде галлия и нитриде галлия. Из графика ясно видно, что мощность развиваемая приборами на GaN на порядок выше чем в GaAs. Рисунок 7 – Зависимость скорости дрейфа от напряженности поля Рисунок 8 – Сравнение типовых режимов работы Si, GaAs и GaN – транзисторов Рисунок 8 наглядно показывает тот факт, что допустимые амплитуды тока и напряжения в приборах на основе GaN существенно превышают аналогичные параметры для кремниевых и арсенид галлиевых транзисторов. Таблица 1 - Свойства некоторых материалов для создания мощных приборов Характеристика материала Si GaAs GaN 6H-SiC 4H-SiC C (алмаз) 1. Ширина запрещённой зоны, эВ 1,12 1,42 3,4 3,03 3,26 5,45 2. Критическая напряжённость 300 элетрического поля, кВ/см 400 3000 2500 2200 10000 3. Подвижность, см^2/(В*с) 1300 8500 1500 260 500 2000 4. Дрейфовая скорость, 10^5 м/с 1 2 2,7 2 2 2,7 5. Теплопроводность, Вт/(кг*К) 1,5 0,5 1,5 4,9 4,9 22 6. Диэлектрическая проницаемость 11,9 12,5 9,5 9,66 10,1 5,5 7. Максимальная температура, К 300 300 700 600 600