Введение к работе
Актуальность темы. Интегральные СВЧ схемы (ИС) широко используются в системах спутникового телевизионного ведения, системах спутниковой связи, в аналоговой и цифровой сотовой связи, радиолокационных и навигационных системах. В настоящее время развитие СВЧ техники идет в направлениях перехода от гибридной к монолитной технологии и продвижения в область более коротких длин волн. В качестве активных элементов ИС перспективны полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ), которые имеют отработанную технологию и могут работать на частотах достигающих десятков гигагерц. Достоинствами монолитных ИС на ПТШ являются малые размеры, надек-нооть, низкая себестоимость при массовом производстве и высокая технологичность. Прогресс в развитии интегральных схем стимулиру-етоя в основном потребностями гражданской, военной и космической техники СВЯЗИ.
Перспективность использования монолитных ИС в качестве входных малошумящих усилителей, усилителей промежуточной частоты, мощных выходных, усилителей, стабилизированных и перестраиваемых СВЧ генераторов, смесителей, фазовращателей, активных элементов фазированных антенных решеток обусловливает необходимость развития методов проектирования, ориентированнных на создание монолитных схем. Разработка этих устройств составляет слокную, многоцелевую задачу, требукяцую больших материальных затрат. Эта задача может быть решена только на основе применения методов машинного моделирования. Необходимость качественного машинного моделирования связана прежде всего о неадекватностью макетирования монолитной схемы устройством на дискретных елементах, трудностью оперативного изменения и корректировки изготовленных образцов.
Несмотря на активное развитие в настоящее время методов машинного моделирования, существует ряд нерешенных проблем, связанных с необходимостью експериментального определения параметров эквивалентной схемы (ЭС) ПТШ, разработки методик расчета и нахождения схемотехнических решений разнообразных СВЧ устройств в монолитном исполнении.
Целью диссертационной работы является разработка методов анализа и проектирования монолитных интегральных схем СВЧ диапа-
'''.- 1
зона .на ЮТ.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следу ювдае задачи:
-
Разработка метода експериментального определения параметров малссигнельной вквивалентной схемы ЮТ.
-
Экспериментальное исследование параметров малосигнальной эквивалентной схемы ПТШ.
-
Разработка методики численного расчета характеристик усилителей, основанной на базе данных параметров малосигнальной вквивалентнои схемы ПТШ.
-
Рассмотрение особенностей реализации схем усилителей в монолитном и гибридно-монолитном исполнении.
-
Создание модели автогенераторов и программ, пригодных для анализа схем разнообразных интегральных СВЧ генераторов.
Научная новизна определяется основными результатами, впервые полученными в работе:
-
Теоретически получено распределение тока и потенциала вдаль канала ПТШ при прямом смещении на затворе. С использованием того распределения выведэны уравнения, связывающие токи и напряжения на внешних зажимах транзистора,-
-
На основе теоретического анализа разработана методика измерения резистивных параметров ШШ. Проведено экспериментальное исследование резистивных параметров ряда образцов ПТШ.
-
Разработан метод экстракции параметров малосигнальной эквивалентной схемы ПТШ при большом числе элементов в схеме, основанный на оптимизационной процедуре.
-
Проведены вкеперименгальные исследования параметров мало-сигнальной эквивалентной схемы ПТШ в частотном диапазоне от 1 до 12 ГГц. Получены значения параметров эквивалентной схемы в зависимости от напряжений на затворе и стоке транзистора. Экспериментально исследованы образцы ПТШ с шириной затвора 200, 300, 370, 600, 800, 1200 мкм и длиной затвора от 0,3 до 1,0 мкм.
-
Разработан полевой транзистор для использования в усилителях дециметрового диапазоне, проведен анализ возможных структур усшштелейг расомотх^ены особенности реализации схем усилителей в монолитном и гиоридног-монолитнои исполнении. Предложена методика расчета характеристик усилителя на основании результатов измере-
2.'
ния параметров малосигаадьнсй эквивалентной схеми ПИП. Рассчитаны частотные зависимости матрицы проводамостей и коэффициента шума монолитной каскодной СВЧ схеми. Разработаны два варианта усилителей дециметрового диапазона: гибридно-монолитный и монолитный, а также експериментально исследованы их характеристики.
6. Разработана методика проектирования разнообразных СВЧ автогенераторов на ПТШ, основанная на методе гармонического баланса, включающая гтарамэтрический синтез принципиальной схемы гене- ратора по заданной частоте и кругазнэ активного елемента в малосигнальном приближении. Представлень целевая функция, с помощью которой можно определить значения элементов схемы с требуемым запасом по самовозбуждению. Рассмотрен класо генераторов на шш с произвольными цепями между електродами транзистора и общей точкой. Проведено сравнение расчетных результатов с данными експериментального исследования изготовленных образцов автогенераторов на ПТШ сантиметрового диапазона длин волн о шириной затвора 600 мкм и 1200 мкм.
Основные положения, выносимые на защиту;
-
Сопротивления пассивных областей истока, стока и затвора, а также сопротивление канала полевого транзистора о барьером Шот-ки могут быть експериментально определены при прямом смещении на затворе, о учетом падения напряжения на области канала под затвором с помощью теоретически полученных распределений тока и потенциала вдоль канала ПТШ, представленного в виде распределенной цепи.
-
Параметры сосредоточенной малосигнальиой эквивалентной схемы ПТШ, включающей-20 элементов могут быть.экспериментально определены с помощью метода, основанного на измерениях матрицы рассеяния транзистора в широком диапазоне частот и оптимизационной обработке експериментальних данных. Измерения матрицы рассеяния ПТШ выполняются в. рабочем режиме по постоянному току, в режиме перекрытого канала и при положительном напряжении на затворе, когда канал транзистора оказывается практически полностью открытым.
-
Разработан полевой транзистор с шириной затвора 800 мкм для использования в широкополосных усилителях дециметрового диапазона. Характеристики различных вариантов схем усилителей в мо-
нолитном и гибридно-монолитном исполнении могут быть рассчитаны с помощью предложенной методики, основанной на модели ПНИ и результатах измерения параметров малосигнальной вквивалентной схемы. Проведен расчет характеристик монолитной каскодной СВЧ схемы.
4. Частотные, энергетические, температурные характеристики СВЧ автогенераторов на ПТШ могут быть рассчитаны с помощью предложенной численной методики, основанной на гармоническом балансе и включающей параметрический синтез принципиальной схемы генератора по заданной частоте и крутизне активного елемента в малосигнальном приближении. С помощью предложенной целевой функции мокно определить значения элементов схемы с требуемым запасом по самовозбуждению системы.
Практическая ценность работы состоит в разработке: модели ПТШ, описывающей транзистор в режимах малого и большого сигналов; методики и программ численного анализа характеристик усилителей дециметрового диапазона длин волн; методики и программ параметрического синтеза и расчета частотных, энергетических, температурных характеристик СВЧ автогенераторов на ПТШ. Предложенные метода позволяют проводить машинное моделирование проектируемых монолитных СВЧ схем на полевых транзисторах. В работе получен экспериментальный материал по зависимостям параметров малосигнальной вквивалентной схемы ПТШ от напряжений на затворе и стоке транзистора, необходимый как для проверки теоретических моделей транзисторов, так и для разработчиков СВЧ интегральных схем на ІГГШ.
Апробация работы. Полученные результаты использованы в научно-исследовательских работах СПбГТУ, выполнявшихся по хоздоговорам с организациями ОКБ ЭП и ЛКТБ ЛОЭП "Светлана", НИИ "Исток", а также в рамках конкурсов грантов Госкомвуза РФ по фундаментальным исследованиям в области электроники и радиотехники. Результаты исследований используются в учебном процессе СПбГТУ.
Результаты диссертационной работы докладывались и обоувда-лись ка Всесоюзной научно-технической конференции "Интегральная электроника СВЧ" (г.Красноярск, 1988 г.), XII Всесоюзной научно-техническг конференции по твердотельной електронике СВЧ (г.Киев, 1S90 г.), Региональной научно-технической конференции "Современные методы радиокзмерений в диапазонах высоких частот (ВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ)И (г.Новосибирск, 1991 г.). оеминарах по
теоретическим вопросам полупроводниковой электроники СВЧ МГПНТО-РЗС и Научного Совета по физической електронике АН СССР (г.Москва, 1992-1993 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (г.Таганрог, 1994 г.), научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (П.Черноголовка, 1991 г.), 45-ой - 49-ой научно-технических конференциях, посвященных Дню радио (г.Ленинград, 1990-1991 гг., г.Санкт-Петербург, 1992-1994 гг.).
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 146 наименований. Объем диосертации - 244 страницы, включая 114 рисунков и 16 таблиц.
