9.2.2. Основные характеристики и параметры СВЧ транзисторов

Получить характеристики транзистора можно путем решения системы дифференциальных уравнений переноса, непрерывности и Пуассона при соответствующих начальных условиях. Ввиду сложности задачи такой подход, по существу, не находит применения.

Hа практике широко используют представление СВЧ-транзистора эквивалентными схемами (схемами замещения). Эквивалентные схемы составляют таким образом, чтобы токи и напряжения, протекающие в них, в достаточной мере отвечали процессам в транзисторе.

Отметим, что расчеты по эквивалентным схемам считаются вполне удовлетворительными, если они обеспечивают 30% расхождение с экспериментом. Практически это реализуется до частот ~ l÷2 ГГц. Hа более высоких частотах продуктивнее оказывается подход, основанный на непосредственном измерении S-параметров транзистора. Эквивалентные схемы на сосредоточенных элементах при этом используют только для качественных прогнозов хода характеристик или приводят для установления соответствия с экспериментом методами оптимизации с помощью ЭBM.

Основными параметрами являются рабочая частота, коэффициент усиления по мощности, выходная мощность, КПД и коэффициент шума. При этом коэффициент шума важен только для маломощных (малошумящих) транзисторов, а КПД — для мощных СВЧ транзисторов.

9.2.2.1. Граничная частота

Частотные свойства транзисторов обычно характеризуются граничной частотой (частотой отсечки) f_гр, которая связана с временем задержки сигнала, распространяющегося от эмиттера к коллектору t_эк:

,                                                                                                              (9.1)

где

                                                                                            (9.2)

где t_э — время зарядки барьерной емкости эмиттерного перехода С_э; t_б — время пролета носителей заряда через базовую область; t_кп — время задержки в коллекторном переходе, связанное с временем пролета;t_к — время зарядки емкости коллекторного перехода.

Время перезарядки емкости эмиттерного перехода определяется как:

,                                                                                             (9.3)

где  r_э - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода; j_т - температурный потенциал, I_э- рабочий ток.

Задержка t_кn связана с пролетом электронов через коллекторный переход. Благодаря сильному полю электроны движутся в нем с предельной скоростью, называемой скоростью насыщения v_нас. При оценках t_кп обычно принимается равным половине времени пролета электронов через обедненный слой коллекторного перехода t_кпр:

                                                                                             (9.4)

где  l_к - ширина коллекторного перехода, а скорость дрейфа принята равной скорости насыщения v_нас.

Компонента задержки t_к в (9.2) обусловлена временем перезарядки барьерной емкости коллекторного перехода С_K через сопротивления базовой r_б и коллекторной r_к областей:

                                                                                                        (9.5)

Уменьшение ширины базовой области примерно до 0,1 мкм снижает t_б до единиц пикосекунд. В этом случае граничная частота в основном будет определяться t_эп и t_кп, которые примерно равны 10 пс. Поэтому для увеличения f_гp необходимо выдвигать дополнительные требования: уменьшение емкости эмиттерного перехода C_э, ширины коллекторного перехода l_к и сопротивления коллекторной области r_к, влияющего на значение _к.

Однако требования, предъявляемые к СВЧ транзисторам, противоречивы. Например, повышение концентрации примеси, необходимое для уменьшения ширины коллекторного перехода (уменьшения l_к), приводит к росту емкости этого перехода. Уменьшение площади перехода для снижения его емкости будет сопровождаться падением мощности транзистора. Необходимого уменьшения величин r_к и l_к можно добиться повышением концентрации примеси, но при этом произойдет сужение коллекторного перехода, увеличится емкость, а кроме того, снизится напряжение пробоя и выходная мощность. Таким образом, повышение граничной частоты биполярного транзистора сопровождается падением мощности и важнейшим ограничением является напряжение пробоя коллекторного перехода, которое зависит и от выбора полупроводникового материала. 

9.2.2.2. Коэффициент усиления и максимальная частота генерации

Для характеристики усилительных свойств СВЧ БТ вводится коэффициент однонаправленного усиления К_р. Он характеризует прямое усиление транзистора по мощности при условиях его согласования с источником сигнала и нагрузкой и компенсации обратной связи внешней цепью без потерь. Этот коэффициент является общей характеристикой БТ. Он не зависит от схемы включения транзистора. Пользуясь эквивалентной схемой БТ при включении с общей базой, можно получить при условии (f_гp)² <<1 следующее выражение для коэффициента усиления по мощности К_р.

                                                                                               (9.6)

где r_б — объемное сопротивление базы; C_К — емкость коллекторного перехода;a₀ — коэф-фициент передачи тока эмиттера (h_21б).

Частота, на которой коэффициент усиления по мощности К_р равен единице при условии компенсации действия внутренней обратной связи (без внесения потерь) и согласования на входе и выходе, является максимальной частотой генерации f_mаx. Это важный параметр СВЧ-транзисторов. Из (9.6) следует, что:

                                                                 (9.7)

Если ширины эмиттерных, базовых полосок и промежутков между ними одинаковы и равны l, длина L а удельные (на единицу площади) сопротивление базы r₀ и емкость коллектора С₀, то   Поэтому (9.7) приводится к виду

                                                                                                (9.8)

Из (9.8) следует, что f_max  возрастает с уменьшением размера l. Это подтверждает необходимость уменьшения ширины полосок и зазоров в транзисторных структурах. Поэтому l, будучи характерной наименьшей величиной для горизонтальных размеров транзистора, определяет верхнюю границу для f_max.

Hа частотах, превышающих f_mах, транзистор перестает быть активным элементом, т.е. только поглощает входной сигнал. Генерация или усиление в этом случае невозможны ни при каких схемах включения. Таким образом, для того чтобы БT можно было использовать для работы в коротковолновой части диапазона СВЧ, необходимо принимать меры, обеспечивающие снижение r_б и C_К а также увеличивающие f_гр. Kак было показано ранее, такие требования к конструкции транзистора и его электрическим параметрам оказываются противоречивыми и не могут быть улучшены одновременно.

Современные  БT работают на частотах до 15 ГГц, их максимальная выходная мощность в непрерывном режиме достигает 300 Bт на частоте 1 ГГц, 20 Bт ~ на 3 ГГц, 1Bт  на 10 ГГц и 0,1 Bт на 14 ГTц. Hа частотах 1 — 3 ГГц КПД превышает 50%, на верхней частотной границе КПД около 20%. Минимальный коэффициент шума 2,5—3 дБ на 24 ГГц и ~ 7 дБ на частотах более 10 ГГц. 

9.2.2.3. Коэффициент шума

Важным параметром для маломощных транзисторов является шум-фактор или коэффициент шума K_ш. Он представляет собой отношение мощности шумов на выходе реального транзистора к мощности шумов, возникающих на выходе нешумящего транзистора в результате усиления теплового шума сопротивления r_г, подключенного ко входу транзистора. Следовательно,

                                                                                                   (9.9)

где P_ш — мощность теплового шума в сопротивлении r_г , P_шc — мощность собственных шумов транзистора.

На средних и высоких частотах основными источниками шума в транзисторе являются дробовые шумы в эмиттерном и коллекторном переходах, тепловой шум сопротивления базы и шумы токо-распределения, связанные со случайным характером распределения эмиттерного тока между коллектором и базой.

Рис. 9.4. Зависимость коэффициента шума от частоты