me_Z_12_Z Задача №1. Диоды с положительным динамическим

me_Z_12_Z
Задача №1. Диоды с положительным динамическим сопротивлением.
1.1. 𝑛 = 2,7; 𝑃 = 12 мВт
∆𝐼
𝑓 ′′
𝑞
=
≈
′
′
𝑃 2(1 + 𝑓 𝑅н 𝑓 ) 2𝑛𝑘𝑇
∆𝐼 =
𝑃 𝑞
12 мВт
∙
=
∙ 25 мВ = 56 мкА
2𝑛 𝑘𝑇
2 ∙ 2,7
Updated:
Из выражения для токовой чувствительности, выразим выпрямленный ток, приняв Rн=0 и
I0=0:
𝛽=
𝐼𝑃СВЧ − 𝐼0
𝑓′′
𝑃СВЧ 𝑓′′
=
→ 𝐼𝑃СВЧ =
𝑃СВЧ
2(1 + 𝑓′𝑅Н )
2
𝑓 ′′ =
𝐼𝑃СВЧ
𝑞
2𝑘𝑇
𝑃СВЧ 𝑞 12 ∙ 10−3 ∙ 1,6 ∙ 10−19
=
=
= 116 мА
4𝑘𝑇
4 ∙ 1,38 ∙ 10−23 ∙ 300
Умножив полученное значение на коэффициент неидеальности, получим значение для
данного диода:
𝑛𝐼𝑃СВЧ = 2,7 ∙ 116 = 313,2 мА
1.2. 𝑇𝑒𝑓𝑓 = 317 К; ∆𝑓 = 12 МГц
Расчет тангенциальной чувствительности по формуле:
𝑃𝑚𝑖𝑛
𝜇 = −10 lg (
) = −10 lg(0,2 ∙ 10−6 ) = −67 дБм
1 мВт
где Pmin – минимальное значение мощности, рассеиваемой диодом, которое можно принять
равным значению мощности шума, вычисленной по формуле Найквиста:
𝑃𝑚𝑖𝑛 = 4𝑘𝑇𝑒𝑓𝑓 ∆𝑓 = 4 ∙ 1,38 ∙ 10−23 ∙ 317 ∙ 12 ∙ 109 = 0,2 ∙ 10−9 Вт
1.3. Сходства и различия смесительных и детекторных диодов, варакторных и p-i-n-диодов.
Функциональная роль
Смесительные диоды могут использоваться как детекторные диоды для детектирования сигналов
малых мощностей. Но смесительные диоды используются также для преобразования СВЧ-сигнала
в сигнал промежуточной частоты.
В p-i-n-диодах используется свойство изменять свое сопротивление под действием напряжения
смещения, а в варакторных диодах свойство изменять свою емкость под действием напряжения
смещения. Хотя в целом эти приборы имеют совершенно разное назначение. Варакторные диоды
в основном применяются для перестройки частоты, а также в умножителях частоты и
параметрических усилителях. Тогда как, p-i-n-диоды в основном используются как
переключательные или ограничительные элементы.
Структура
Смесительный диод и детекторный аналогичны по своей конструкции и структуре. Но в связи с
тем, что сигналы на смесительных диодах могут достигать больших мощностей, чтобы избежать
пробоя прибора, используют низколегированные полупроводники для которых характерен
лавинный пробой. Характерная для смесительных диодов также топология в форме креста, для
того чтобы обеспечить высокую граничную частоту.
Структура p-i-n-диодов отличается от структуры смесительных и детекторных диодов тем ,что
сильнолегированные p- и n-области разделены слоем высокоомного собственного
полупроводника.
В свою очередь, варакторный диод имеет структуру, частично схожую со структурой p-i-n-диода,
так как между областями p- и n-типа имеет обедненную область.
Параметры
Смесительный диод имеет те же параметры, что и детекторный, за исключением таких, как
чувствительность, характеризующая в детекторных диодах непосредственно способность к
детектированию.
Параметры варакторных и p-i-n-диодов отличаются, в связи с тем, что диоды отличаются по
своему функциональному назначению. Но некоторые параметры, такие как емкость перехода
характерны для варакторных и для p-i-n-диодов.
1.4.
Рис.1. Схемотехническая модель бескорпусного смесительного диода (Микроволновые
устройства СВЧ, Н.Т.Бова, 1984 г.)
На рис. 1 Rs – последовательное сопротивление, C – ёмкость перехода, Lв – индуктивность
выводов.
Рис.2. Схемотехническая модель детекторного диода.
На рис.2 Rj и Сj – параметры выпрямляющего перехода диода, Ls и Rs — параметры контактов и
омических областей структуры, C — емкость корпуса прибора.
Эквивалентные схемы практически аналогичны.
Задача №2. Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением.
2.1.
p+
n
n+
Е
v
Екр
vнас
Eнас
0
х
Рис.3. Диод Мисавы из кремния.
Е
i
p+ n
n+
Е
v
Eнас
vнас
Екр
0
х
Е
Рис.4. Лавинно-пролетный диод из арсенида галлия.
2.2. Лавинно-пролетный диод:
𝑣𝑠
105
=
= 4,1 ∙ 109 Гц = 4,1 ГГц
2𝑙𝑑 2 ∙ 12 ∙ 10−6
Диод Ганна с бегущим доменом:
𝑓0 =
𝑓0 =
𝑣𝑠
= 8,2 ГГц
𝑙𝑑
Задача №3. Транзисторы.
3.1. Длина канала полевого транзистора при работе на частоте 15 ГГц:
𝑙𝑑 =
𝑣𝑠
105
=
= 6,7 мкм
𝑓0 15 ∙ 109
3.2. Приборы на GaN и SiC обладают большим пробивным напряжением, высокой скоростью
насыщения электронов, высокими рабочими температурами и имеют высокие уровни выходной
мощности, большое выходное сопротивление, что позволяет осуществлять согласование цепей с
меньшими потерями. Высокие значения плотности тока позволяют уменьшить площадь
транзистора. Низкая емкость и сопротивление сток-исток делают их подходящими для
использования в импульсных усилителях.
3.3. Преимущества HEMT:
 Высокая подвижность электронов, которая позволяет работу на более высоких частотах
чем MESFET, и малые шумы особенно при низких температурах
 Малое сопротивление стока
 Из-за высокой скорости электронов в сильных полях, полоса частот/коэффициент усиления
выше чем в MESFET
 Высокая переходная проводимость
 Высокое выходное сопротивление
 Высокая линейность
Недостатки HEMT:
 Захват носителей на поверхности


Паразитные сопротивления (Образование активных дефектов под длительным
воздействием высокого напряжения, вследствие чего происходит деградация
характеристик, так как дефекты уменьшают ток истока, вызывая рост паразитных
сопротивлений)
HEMT с небольшой длиной затвора с полосой пропускания в миллиметровом диапазоне
имеет низкое выходное сопротивление.
3.4. При напряжениях на затворе, близких к напряжению отсечки, наблюдается увеличение
тока стока при увеличении напряжения на стоке. Этот эффект связан с тем, что на
гетероструктурах c GaN барьер Шоттки имеет достаточно высокие токи утечки, которые
проявляются подобным образом на вольт-амперных характеристиках.
Updated:
ВАХ будет изменяться из-за различной ширины запрещенной зоны кремния (1,12 эВ), нитрида
галлия (3,4 эВ) и арсенида галлия (1,42 эВ). Значит, наименьшее пробивное напряжение будет у
кремния, наибольшее – у нитрида галлия.
Также на ход кривой ВАХ будет оказывать своё влияние различная подвижность носителей
заряда. У кремния – 1300 см2/с, у нитрида галлия - 2000 см2/с, а у арсенида галлия– 8500 см2/с.
Следовательно, наибольшее значение тока будет у арсенида галлия, а наименьшие – у кремния.
В итоге, ВАХ будет иметь следующий вид:
GaAs
GaN
Si
Uси, В
3.5. Нарисуйте семейство входных и выходных ВАХ и коэффициента шума на одном
графике. Объясните, почему у ПТБШ хорошие шумовые характеристики
Updated:
Id , NF
Id
Ug  0
I dmin
U ds , U gs
Семейство входных и выходных ВАХ и коэффициента шума
Тепловой шум. Источником такого шума является тепловое движение свободных
зарядов. Он описывается формулой Найквиста
Дробовый шум. Причиной дробового шума является дискретность заряда. Иными
словами, при прохождении носителями заряда активной области полупроводникового
прибора возникает бесконечно малые всплески тока, которые, однако, приводят к
расширению спектра сигнала, что является шумом
Фликкер–шум. Существование данного низкочастотного шума определяется
несовершенством прибора.
По поводу фликкер-шума можно отметить, что технология которая используется при
изготовлении ПТБШ позволяет уменьшить дефекты, что в свою очередь благоприятно
влияет на шумовые характеристики.
В полевом транзисторе с p-n-переходом дробовой шум определяется флюктуациями тока,
текущего через обратносмещённый р-n-переход. Другими возможными источниками
дробового шума являются генерация и рекомбинация носителей в канале, а также ток,
протекающий в области пространственного заряда «отсечённого» канала.
На низких частотах наиболее важной составляющей шума в полевых транзисторах
является 1/f-шум, удельная мощность которого обратно пропорциональна частоте.
Обратная пропорциональность здесь носит приближенный характер, и любой шум,
имеющий спектр такого характера, обычно называют 1/f-шумом. К этому типу шума
относят также мерцания. В реальных приборах указанный компонент шума имеет
существенное значение только на низких частотах. Считают, что чаще всего причиной 1/fшума являются изменения электрических свойств материала, возникающие из-за
определённых физико-механических явлений. Особенно часто шум такого характера дают
поверхности, поскольку они являются областями материала, чрезвычайно
подверженными влиянию электрических полей, вызывающих токи утечки.
Чем  Id , тем  i
2
.
Если мы возьмем симметричный транзистор, то у него будет минимум шума.
Office
4 sq m
Office
4 sq m
G
Следовательно для уменьшение шумов нужно обеспечить симметричную структуру
транзистора.