Влияние конструктивных особенностей ВЧ и СВЧ мощных ДМОП транзисторов на входной импеданс и коэффициент усиления по мощности Семейкин Игорь Валентинович

Введение к работе

Актуальность темы. Многие годы высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) полевые транзисторы (ПТ) были маломощными приборами, однако разработчиков электронных устройств привлекал ряд их параметров, сходных с параметрами электровакуумных приборов, например высокое входное сопротивление. За последние годы, в отечественной электронной промышленности была создана обширная номенклатура мощных ПТ с изолированным затвором, по энергетическим и частотным параметрам не уступающих западным образцам.

До настоящего времени, эквивалентные схемы ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, характеризующие их работу в режиме большого переменного сигнала, не учитывали ряд особенностей приборов данного класса, таких как наличие индуктивностей выводов и зависимость входной, проходной и выходной емкости от напряжения сток-исток, которые в значительной

Степени, Определяют коэффициент усиления ПО МОЩНОСТИ траНЗИСТОрОВ Кур.

Кроме того, коэффициент усиления по мощности, как правило, измеряется в тестовых усилителях мощности, обеспечивающих работу транзистора в критическом режиме класса АВ. Поэтому, анализ эквивалентной схемы СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующей его работу в согласованном усилителе мощности, в критическом режиме класса АВ и учитывающей указанные особенности, позволит оптимизировать конструкцию транзистора для достижения максимального коэффициента усиления по

МОЩНОСТИ Кур.

Для большинства отечественных ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов отсутствует информация о входном импедансе в режиме большого сигнала. Значения входного импеданса необходимы для использования на этапе разработки радиоаппаратуры современных систем автоматизированного проектирования. Поэтому, разработка методики расчета входного импеданса ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов в режиме большого сигнала является актуальной задачей.

С ростом рабочей частоты, все более важное значение для расчета входного импеданса, усилительных и широкополосных свойств ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов приобретают такие элементы эквивалентной схемы, как индуктивность общего вывода, входной и выходной цепей транзистора. При разработке транзисторов, содержащих внутри корпуса входное согласующее LC-звено, важной задачей является определение индуктивности этого звена. Значения же индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов составляют десятые и сотые доли нГн, поэтому они не могут быть измерены с необходимой точностью. К сожалению,

I *<- "АНОМАЛЬНА* і
{ БИБЛИОТЕКА |

возможности применения современных систем электромагнитного моделирования и методик расчета индуктивностей ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов для расчета индуктивностей выводов ДМОП-транзисторов не изучены. Очевидно, насколько необходима разработка методики определения значений индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов.

Данная работа выполнялась в рамках ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации являлось уточнение эквивалентной схемы ВЧ и СВЧ мощного ДМОП-транзистора в режиме большого переменного сигнала и разработка на ее основе аналитических методов расчета входного импеданса и коэффициента усиления по мощности для оптимизации конструкции транзистора, а также разработка методик расчета индуктивностей выводов и входных внутрисогласующих цепей ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов.

Поставленная цель определяет следующие задачи:

1. Уточнить эквивалентную схему СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующую его работу в режиме большого переменного сигнала.

2. Разработать аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов на основе уточненной эквивалентной схемы.

3. Предложить методы оптимизации конструкции транзистора для реализации максимального коэффициента усиления по мощности.

4. Исследовать возможность применения методик расчета индуктивностей ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов для расчета индуктивностей выводов ДМОП-транзисторов.

5. Разработать метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора.

6. Разработать методику расчета входных внутрисогласующих цепей ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, имеющие научно-техническую новизну:

1. Уточнена эквивалентная схема СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующая его работу в режиме большого переменного сигнала, в которой для вычисления емкостей эквивалентной схемы предложено использовать значения входной Сци> проходной Сгш и выходной Сгги емкостей транзистора при напряжении сток-исток равном рабочему напряжению питания U<-H⁼Un (Сцип, С₂іип, С₂2ип)-

2. На основе уточненной эквивалентной схемы и матрицы А-параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов разработаны аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале, учитывающие проходную емкость С_ъс и согласованную нагрузку. Рассчитанные зависимости коэффициента усиления по мощности от частотны Ky_P=Kyp(f), напряжения питания Kyp=Kyp(Un) и выходной мощности Ку_Р=Кур(Р₁) совпали с экспериментальными при номинальном рабочем напряжении питания U_n, частоте f₀ и выходной мощности Р[ с погрешностью не более ±10 %, а при больших отклонениях от номинальных рабочих U_n, fo и Pi - с погрешностью не более +20 %

3. Теоретически установлено, что для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, с ростом частоты значение коэффициента усиления по мощности убывает со скоростью F(f)=Kyp_flE(0,5f)-Kyp_flE(f)~6 дБ/октава в диапазоне частот fF (f_F - значение граничной частоты), при дальнейшем увеличении частоты F(f) возрастает. Согласно расчетам, f_F больше либо равно верхней рабочей частоты транзистора f₀ (fF>fo)-

4. Теоретически обосновано, что для повышения коэффициента усиления по мощности ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов необходимо уменьшать до технологически достижимых, минимальных значений индуктивность истока Ь_и, проходную емкость С₂іип и входную емкость С_Пип транзистора, при этом необходимо повышать крутизну характеристики транзистора S. Определен количественный вклад каждого из этих параметров в увеличение значения Кур.

5. Теоретически доказана возможность применения для расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов аналитическою метода, основанного на вычислении магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими в входных и выходных цепях транзистора.

6. Разработан новый метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на компьютерном трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office. Результаты расчета индуктивностей выводов мощных ДМОП-транзисторов 2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А на основе электромагнитного моделирования конструкции транзистора, совпали с аналогичными данными, рассчитанными с помощью аналитического метода, основанного на вычислении соответствующих магнитных потоков, с погрешностью не более ±15 %.

7. Разработана методика автоматизированного сквозного проектирования входной внутрисогласующей цепи ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов в среде Microwave Office.

Практическая значимость. Аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на основе уточненной эквивалентной схемы и матрицы А-параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, метод расчета индуктивностеи выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office были применены при разработке новых типов мощных ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов в ходе выполнения ОКР "Поток", "Прорыв", "Подшипник", "Пастила" в ФГУП "НИИЭТ" г. Воронеж, что подтверждается соответствующим "Актом о внедрении результатов диссертации". На основе рассчитанных значений входного импеданса и индуктивностеи выводов разработаны измерительные усилители мощности и стенды для измерения энергетических параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов 2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Уточненная эквивалентная схема СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующая его работу в режиме большого переменного сигнала, в которой для вычисления емкостей эквивалентной схемы предложено использовать значения входной Спи, проходной С_2]ц и выходной С₂ги емкостей транзистора при напряжении сток-исток равном рабочему напряжению питания U_CK⁼Un (Спил, С₂іип, Сггип)-

2. Аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, разработанные на основе уточненной эквивалентной схемы и матрицы А-параметров транзистора.

3. Для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, с ростом частоты значение коэффициента усиления по мощности убывает со скоростью Р(т)=Кур_дб(0,5і)-Курдб(г)^;=6 дБ/октава в диапазоне частот fF (f_F - значение граничной частоты), при дальнейшем увеличении частоты - F(f) возрастает. Согласно расчетам, f_F больше либо равно верхней рабочей частоты транзистора

fo(f_F>fo).

4. Для повышения коэффициента усиления по мощности ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов необходимо уменьшать до технологически достижимых, минимальных значений индуктивность истока Ь_и, проходную емкость С₂іип и входную емкость Спил транзистора, при этом необходимо повышать крутизну характеристики транзистора S.

5. Теоретическое обоснование возможности применения для расчета индуктивностеи выводов ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов аналитического

метода, основанного на вычислении магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими в входных и выходных цепях транзистора.

6. Новый метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на компьютерном трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office.

7. Методика автоматизированного сквозного проектирования входной внутрисогласующей цепи ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов в среде Microwave Office.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: VIII, IX, XI и XII Международных научно-технических конференциях "Радиолокация. Навигация. Связь" (Воронеж, 2002, 2003, 2005, 2006); V Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика - 2005" (Москва, 2005); VIII Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, 2002), научной конференции молодых специалистов "Пульсар-2005" (Москва, 2005).

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 15 работ, в том числе 6 статей и 9 материалов докладов на научно-технических конференциях. В совместных работах [1, 2, 3, 4, 5, 12, 13, 15] автору диссертации принадлежат вывод формул для расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса, разработка методики расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов и проведение экспериментальных исследований энергетических параметров транзисторов. В работах [6, 7, 8, 9, 10, 11, 14] автору диссертации принадлежат разработка стендов измерения энергетических и электрических параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов и проведение экспериментальных исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 77 наименований. Объем диссертации составляет 167 страниц, включая 63 рисунка и 12 таблиц.

Похожие диссертации на Влияние конструктивных особенностей ВЧ и СВЧ мощных ДМОП транзисторов на входной импеданс и коэффициент усиления по мощности

Увеличение удельной выходной мощности и коэффициента усиления DpHEMT-транзисторов за счет повышения степени локализации горячих электронов в каналеЛукашин Владимир Михайлович

Модели индукционных взаимодействий в конструкциях мощных ВЧ и СВЧ транзисторов на основе изоморфно-коллективного подходаБулгаков Олег Митрофанович

Моделирование малосигнальных параметров мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной и горизонтальной структурой Меньшиков Павел Александрович

Влияние конструктивных и технологических факторов на предельные параметры и режимы работы мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторовГригорьев Роман Григорьевич

Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторовБородкин, Игорь Иванович

Исследование влияния СВЧ-излучения высокого уровня мощности на лавинно-пролетные диоды и СВЧ-транзисторы с барьером ШотткиКлецов Алексей Александрович

Влияние особенностей состава и технологии получения наноразмерных пленок Ленгмюра-Блоджетт на их показатель преломления и толщинуГецьман Максим Александрович

Исследование и разработка GaAs СВЧ транзисторов, переключательных и ограничительных диодов и интегральных схем для модулей АФАРАболдуев Игорь Михайлович

Твердотельные мощные передатчики C- и X-диапазонов с высокой стабильностью частоты и фазы сигналов на GaN СВЧ транзисторахГлыбин, Александр Анатольевич

Разработка методов моделирования и исследование лавинно-инжекционной неустойчивости в мощных полевых транзисторах СВЧ диапазона с целью повышения их выходной мощностиМартынов Ярослав Борисович