Введение к работе
Актуальность проблемы. Несмотря на прогресс в разработках мощных ВЧ и СВЧ транзисторов, достигнутый, в том числе, благодаря вкладу российских ученых Аронова В.Л., Асессорова В.В., Бачурина В.В., Диковского В.И., ЬСаменецкого Ю.А., Петрова Б.К., Синкевича В.Ф и др. и обеспечивший среднее время наработки на отказ свыше 250 тыс. часов, превышение рубежа 250 для произведения «рабочая частота fo [ГГц] х выходная мощность Р| [Вт]», продвижение транзисторных СВЧ усилителей мощности (УМ) за предел 100 ГГц, а ^акже использование новых материалов (SiC, InP, SiGe) и совершенствование ^Шхнологий производства приборов данного класса (например, 0,18 мкм- и 0,14 мкм-технологии для изготовления LDMOST 4-го и 5-го поколений), существуют серьёзные проблемы построения их физических моделей. Так, основным подходом к моделированию мощных ВЧ и СВЧ транзисторов является эволюционное совершенствование и адаптация к конструкционным особенностям методик расчетов малосигнальных параметров, элементов эквивалентных схем в режиме большого сигнала, затем, на их основе - энергетических характеристик и показателей надежности. Здесь существенные трудности создает расчет эквивалентных индуктивностей транзисторов, оказывающих большое влияние на коэффициент усиления по мощности Кур и КПД выходной цепи, а также определяющих относительную ширину полосы рабочих частот транзистора ДІ7Ґ» и конфигурацию согласующих цепей (СЦ) каскадов УМ. Несмотря на сформированную в 60-е - 90-е годы XX в теоретическую базу, представленную в работах Bueno М.А., Grober F.W., Rainal A.J., Аронова В.Л., Евстигнеева А.С., Калантарова П.Л., Чальян К.М., методики и формулы, а также специализированные среды компьютерного моделирования типа Microwave Office, применяемые для расчета индук-ционио обусловленных параметров эквивалентных схем транзисторов, основываются на разных физических подходах и обслуживают узкие классы специальных задач, зачастую плохо согласуясь между собой, неполно учитывают конструкционные особенности соединении, по которым протекают токи трапзисто-«в. Как следствие, большая погрешность традиционных методик расчета ин-ктивпостей эквивалентных схем транзисторов (20-50%), сложность экспериментальной проверки расчетных данных, вынуждают разработчиков мощных ВЧ и СВЧ транзисторов использовать полуэмпирические и экстраполяцнонные процедуры для уточнения результатов вычислений.
Данная проблема предельно обостряется при анализе конструкций ВЧ и СВЧ биполярных (БТ) и полевых транзисторов (ПТ) транзисторов с Р|>20 Вт, і характеризующихся наличием десятков проводников, соединяющих активные области транзисторных структур (ТС) с электродами корпуса и обкладками конденсаторов СЦ. Индукционное взаимодействие токов, протекающих в распределенных внутри корпусных системах соединений транзисторов оказывает значительное влияние как на эквивалентные индуктивности, так и на распределение мощности по ТС, следовательно - иа предельные энергетические параметры, показатели надежности, устойчивость к работе транзисторов в рассогласованном режиме. В то же время названный фактор учитывается в современных моделях
мощных 134 и СВЧ ВТ и ПТ лишь качественно или с большими погрешностями.
Накопление количественных конструкционных отличий по мере увеличе
ния Pi приводит к качественному отличию подходов к построению моделей
транзисторов средней и большой мощности. Для многих практических прило
жений всё менее оправданными становятся унитарные (рассматривающие тран
зистор как неделимый объект) или композиционные (от composition - смешива
ние, т.е. учитывающие влияние внешних и внутренних факторов на примере од
ного или несколько структурных элементов) модели мощного ВЧ (СВЧ) транзи
стора. Однако, представление мощного транзистора коллективом взаимодейст
вующих изоморфных элементов, например, набором N параллельно соедннеЯ|
пых по входу и выходу транзисторных структур с идентичной топологией и раз^
личными количественными характеристиками взаимного влияния, обусловлен
ными различным пространственным расположением структур, характерно лишь
для учета тепловых взаимодействий. В то же время, следствием индукционного
взаимодействия токов, протекающих по входным и выходным контурам ТС, яв
ляется неоднородность эквивалентных ипдуктивностей ТС, а также, при рас
смотрении ТС по отдельности - их входных импедансов, КУ|>, ипдуктивностей,
резонансных частот и, в итоге, частотных зависимостей коэффициентов переда
чи мощности СЦ, Корректный анализ индукционных взаимодействий структур
ных элементов мощных ВЧ (СВЧ) транзисторов открывает перспективу адекват
ного прогнозирования их усилительных свойств и предельных энергетических
параметров на основе набора конструкционно-технологических данных и харак
теристик режимов усиления, в особенности, в интефации с моделями тепловых
взаимодействий. Очевидно, что объяснение таких явлений, как перераспределе
ние мощности но ТС при рассогласовании транзистора с наїрузкой или при изме
нении напряжения питания, снижение эффективности суммирования мощности
ТС по мере увеличения N, а также выработка технических решений, направлен
ных па компенсацию такого рода явлений могут иметь место только в рамках де-
компотциоиных (рассматривающих каждый дискретный элемент структуры п от
дельности с последующим усреднением или суммированием исследуемых харак
теристик) моделей. Щ
Однако, в настоящее время декомпозиционный анализ мощных ВЧ и СВТ транзисторов невозможен из-за отсутствия удовлетворительных моделей такого важного межструктурного взаимодействия, как взаимная индукция. Исторически эта проблема обусловлена как отсутствием универсальных, физически корректных и достоверных методик расчета эквивалентных ипдуктивностей транзисторов данного класса, так и неразвитостью методологических основ их много-факторного декомпозиционного анализа. Таким образом, для современных задач анализа и проектирования мощных ВЧ и СВЧ транзисторов актуальна разработка методов моделирования приборов данного класса на основе новых подходов к учету самоиндукции и взаимоиндукции в их внутрикорпусных распределенных системах соединений и согласующих цепях.
Работа выполнена в рамках госбюджетных НИР кафедры радиотехники Воронежского института МВД России
Цель и задачи исследования. Целью работы является совершенствование
известных и разработка новых методов моделирования мощных биполярных и МОП ВЧ и СВЧ транзисторов на основе изоморфно-коллективного подхода, в частности, при построении моделей индукционных взаимодействий и сопряженных с ними эффектов в приборах данного класса.
Для достижения данной цели в работе решены следующие задачи:
-
разработка концепции и методологических основ построения изоморфно-коллективных моделей мощных ВЧ (СВЧ) транзисторов;
-
разработка методов расчета магнитных потоков самоиндукции и взаимоиндукции в контурах, ограниченных проводниками сложной конфигурации.
*
итывающих различную форму поперечного сечения проводников и скин-фект, способных стать основой универсальных процедур расчета нндуктивпо-стсй распределенных систем соединений мощных ВЧ и СВЧ транзисторов;
-
разработка на основе строгих физических подходов универсальных методов расчета эквивалентных индуктивностей мощных ВЧ и СВЧ транзисторов и их реализация в типовых методиках применительно к различным конструкциям транзисторов с учетом их композиционного и декомпозиционного представления;
-
анализ влияния различных конструкционных параметров и параметров режима работы мощных ВЧ и СВЧ транзисторов на индукциоиио обусловленные эквивалентные параметры транзисторов и потери мощности в их входных и выходных цепях;
-
развитие композиционного и разработка декомпозиционного методов анализа и синтеза встроенных входных согласующих цепей мощного ВЧ (СВЧ) транзистора;
-
развитие существующих и разработка новых методов прогнозирования надежности мощных ВЧ и СВЧ транзисторов на основе индукционной модели зависимости распределения мощности по транзисторным ячейкам от конструкционных параметров и характеристик режима работы;
-
выработка рекомендаций и разработка технических решений, обеспечивающих повышение предельных энергетических параметров и улучшение частотных характеристик транзисторов.
k Методы исследований. При решении поставленных задач использова-ись методы классической электродинамики, теории радиотехнических цепей, положения физики полупроводниковых приборов, методы математического анализа, линейной алгебры, операционного исчисления, теории погрешностей, линейного программирования и имитационного моделирования, современные численные методы с применением специализированных компьютерных программ. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Впервые с единых позиций рассмотрены принципы моделирования входных и выходных цепей мощных биполярных и МОП ВЧ и СВЧ транзисторов, выявлены эволюционные взаимосвязи моделей, разработаны методологические основы и концепция изоморфно-коллективного подхода к моделированию мощных биполярных и МОП ВЧ и СВЧ транзисторов, а также классификация моделей на основе данного подхода.
-
Получены новые точные и приближенные аналитические выражения для расчета магнитных потоков, создаваемых в плоских контурах токами, про-
тскающими по проводникам круглого и прямоугольного сечения, в том числе, при аппроксимации контура сложной формы многоугольником и с учетом скин-эффекта, а также приближенные формулы для расчетов магнитных потоков в трехмерных контурах и аналитические выражения для расчета индуктивности за счет по'токосцеплеиия в объеме проводников.
-
Разработан композиционный метод расчета эквивалентных индуктивно-стей и сопротивлений активных потерь за счет взаимоиндукции, основанный на вычислении комплексных амплитуд 1-х гармоник магнитного потока в замкнутых входном и выходном контурах транзисторной ячейки со средним значением входного тока и характеризующийся возможностями детального учета особеїЛ ностей конструкций и режимов работы транзисторов.
-
Разработан декомпозиционный метод расчета эквивалентных пндуктив-ностей и сопротивлений потерь за счет взаимоиндукции мощных ВЧ и СВЧ транзисторов и анализа энергетических и частотных свойств приборов данного класса. рассматривающий транзистор как совокупность изоморфных элементов — транзисторных ячеек, и предполагающий расчет элементов эквивалентных схем отдельных ячеек с их последующим усреднением.
-
Впервые в рамках реализации разработанных методов в типовых расчетных методиках проанализировано влияние конструкционных параметров систем соединений транзисторов па их эквивалентные индуктивности и сопротивления за счет взаимоиндукции, потери мощности за счет взаимоиндукции входных и выходных контуров транзистора, распределение токов и мощности по транзисторным ячейкам, т.е. механизмы, определяющие значения выходной мощности, коэффициента усиления по мощности и КПД транзисторов.
-
Впервые разработаны модели параметрической чувствительности транзисторов, учитывающие влияние на характеристики входных согласующих цепей транзисторных ячеек изменения частоты входного сигналз и выходного напряжения вследствие изменения условий согласования транзистора с нагрузкой и положенные в основу сценария катастрофического отказа мощного ВЧ (СВЧ) транзистора при его рассогласовании с нагрузкой и методик прогнозирования устойчивости работы ВЧ (СВЧ) транзистора к работе в рассогласованном режиме
-
Разработаны новые алгоритмы синтеза узкодиапазонных и широкодиапазонных входных согласующих цепей мощных ВЧ (СВЧ) транзисторов, обеспечивающие минимальные потери входной мощности и коррекцию частотной зависимости коэффициента усиления по мощности транзистора.
8. Научно обоснованы новые технические решения, обеспечивающие рас
ширение полосы рабочих частот мощных ВЧ и СВЧ транзисторов, повышение
их выходной мощности, устойчивости к работе в динамическом режиме и при
рассогласовании с нагрузкой.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования ее результатов для создания САПР мощных ВЧ и СВЧ транзисторов и усилителей на их основе, в том числе, в гибридном исполнении. Новые технические решения могут использоваться для разработок мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с улучшенными энергетическими и частотными характеристиками.
К настоящему времени:
-
методики расчета эквивалентных индуктивностсй и сопротивлений потерь за счет взаимоиндукции использованы в НИР Воронежского госуниверситета по совершенствованию конструкций мощных ВЧ и СВЧ транчисторов, а также в НИР и ОКР ФГУП «НИИ электронной техники», г. Воронеж, по созданию новых типов ВЧ и СВЧ транзисторов;
-
методики расчета входных согласующих цепей мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с учетом взаимоиндукции использованы о хоздоговорных НИР
^^ронежского госупиверситета;
Щр 3) алгоритмы синтеза входных согласующих цепей оконечных каскадов ВЧ и СВЧ транзисторных усилителей с минимальными потерями мощности использованы в НИР Воронежского института МВД России по совершеиствона-нию аппаратуры связи;
4) ряд технических решений, подтвержденных авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ, внедрен в разработки ФГУП «НИИ электронной техники», г. Воронеж.
Результаты диссертации внедрены в образовательный процесс на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета и на кафедрах радиотехники, радиоэлектронных устройств, радиотехнических систем Воронежского института МВД России.
Основные положения, выносимые ни защиту.
I.Концепция изоморфно-коллективного подхода к моделированию'мощных биполярных и МОП ВЧ и СВЧ транзисторов, включая базовые понятия, принципы построения и направления развития, систематизацию и классификацию моделей.
2. Аналитические методы расчета магнитных потоков, создаваемых в дву
мерных и трехмерных контурах токами, протекающими по проводникам кругло
го и прямоугольного сечения; аналитические выражения для расчета магнитных
потоков с учетом скин-эффекта и экранирования магнитных полей проводящи-
#
[ поверхностями; аналитические выражения для расчета индуктивности за счет токосцепления в объеме проводников.
-
Результаты анализа свойств геометрического индуктивного фактора (ГИФ), объединяющего в себе количественные характеристики самоиндукции и взаимоиндукции применительно к участку замкнутого контура, а также элементарных геометрических индуктивных факторов, отражающих наиболее простые варианты геометрии и взаиморасположения проводника и участка контура.
-
Композиционный метод расчета эквивалентных индуктишюстей и сопротивлений активных потерь за счет взаимоиндукции, основанный на вычислении комплексных амплитуд 1-х гармоник магнитного потока в замкнутых входном и выходном контурах транзисторной ячейки со средним значением входного тока, а также семейства типовых методик расчета индукциопно обусловленных параметров мощных ВЧ и СВЧ транзисторов на основе дайною метода и результаты применения разработанных методик к различным конструкциям биполярных и полевых транзисторов.
-
Метод расчета эквивалентных индуктивиостей и сопротивлений потерь
за счет взаимоиндукции мощных ВЧ и СВЧ транзисторов на основе декомпозиционного подхода, методика и результаты расчета индуктивпостей мощного LDMOS-трапзистора, а также результаты анализа потерь мощности во входных согласующих цепях, полученные па основе данного метода.
-
Результаты анализа влияния конструкционных элементов и геометрии систем соединений мощных ВЧ и СВЧ транзисторов, амплитуды выходного напряжения, класса схемы усиления на энергетические и частотные характеристики транзисторов, распределение тока и мощности по транзисторным ячейкам, устойчивость транзистора к работе в рассогласованном режиме, а также соот^ ветствующие методики и алгоритмы расчета указанных параметров. ^Ш
-
Алгоритмы синтеза узкополосных и широкодиапазонных входных согласующих цепей мощных ВЧ и СВЧ транзисторов с учетом и компенсацией потерь мощности из-за взаимной индукции.
-
Теоретическое обоснование рекомендаций и новых технических решений, обеспечивающих улучшение энергетических и частотных характеристик мощных ВЧ и СВЧ транзисторов, их устойчивость к работе в динамическом и рассогласованном режиме.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Физические аспекты надежности, методы и средства диагностирования интегральных схем" (Воронеж, 1993), 7, 9 и 10 Научно-технических отраслевых конференциях "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов" (Воронеж, 1993, 1995, 1996), Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием (Дивноморское, 10-15 сент. 1995 г), 1 и 2 Межвузовских научно-технической конференциях "Микроэлектроника и информатика" (Москва. МГИЭТ, 1996, 1997), Международной конференции "Информатизация правоохранительных систем" (Москва 1997), 2 и 6 Республиканских электронных научных конференций "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1997, 1999), Межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы борьбы с преступностью в современных условиях» (Воронеж, 2000), Меж^ вузовской научно-практической конференции «Актуальные вопросы проектирсЩ вания и эксплуатации средств охраны и защищенных коммуникационных систем» (Воронеж, 2001), Межвузовской научно-практической конференции «Современные проблемы противодействия преступности» (Воронеж, 2001), Всероссийской научно-практической конференции «Охрана и безопасность - 2001» (Воронеж, 2001), Всероссийских научно-практических конференциях «Современные проблемы борьбы с преступностью» (Воронеж, 2003, 2004), 30, 34, 35, 36 Международных научно-технических семинарах «Шумовые и деградацион-ные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология)» (Москва, МЭИ(ТУ), 1999, 2003-2005 ), 6, 7, 8, 9, 10, П, 12 Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2000-2006), а также научных сессиях Воронежского госуииверсигста (1993 - 1996) и Воронежского института МВД России (1997 - 2003).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 104 научных работах, включая 2 монографии, 35 статей в научных жур-
налах и тематических сборниках, в том числе 11 статей в научных журналах, включенных в «Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук», 32 авторских свидетельства и патента на изобретения, 3 депонированных рукописи и 3 отчета о НИР, а также в 1 учебно-методическом издании.
Личный вклад автора. Основные научные результаты получены автором лично. В научных работах и изобретениях, выполненных в соавторстве, автору принадлежит соответственно постановка задач, разработка теоретических моде-
й исследования, практические расчеты, а также формулирование отличитель-IX признаков изобретений и обоснование достижения положительного эффекта. Структура н обі»?м диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 371 наименований и 14 приложений. Общий объём диссертации составляет 434 страницы машинописного текста, включая 123 рисунка и 49 таблиц.
