Интегральные СВЧ устройства на полевых транзисторах с барьером Шотки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ГУ Б ОН

Иа права! рукописи

БОЧКОВ Вячеслав Викторович

ИНЧЕГРАЛЬНЫЕ СВЧ УСТРОЙСТВА НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С БАРЬЕРОМ ИОТКИ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой отепени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор В.М.Николаев.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент А.С.Карасев.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Р.П.Сейоян, кандидат физико-математических наук, доцент М.Ф.Кокорев.

Ведущая организация: АОЗТ "Светлана-Электронприбор".

Защита диссертации состоится н (о " иЯЗН^ 1996 ГОда в часов (10 минут на заседании диссертационного оовета К 063.038.11 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, С.-Петербург, ул.Политехническая, д.29, 2-ой учебный корпус, ауд.257 .

С диссертацией мошо ознакомиться в Фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан " 8 " Д(йД 1996 года.

Учоный секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

С.В.Загрядский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интегральные СВЧ схемы (ИС) широко используются в системах спутникового телевизионного вешания, 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-ность, 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 сложную, многоцелевую задачу, требующую 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 элементах, 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-

зона .на ЮТ.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

Разработка метода вкспзриментального определения параметров ыалссигнальной эквивалентно® схемы ПТШ.

2. Экспериментальное исследование параметров малосигнальной эквивалентной схемы ПТШ.

3. Разработка методики численного расчета характеристик усилителей, основанной на базе данных параметров малосигнальной ек-вивалентной схемы ПТШ.

4. Рассмотрение особенностей реализации схем усилителей в монолитном и гибридно-монолитном исполнении.

5. Создание модели автогенераторов и программ, пригодных для анализа схем разнообразных интегральных СВЧ генераторов.

Научная новизна определяется основными результатами, впервые полученными в работе:

1. Теоретически получено распределение тока и потенциала вдоль канала ПТШ при прямом смещении на затворе. С использованием втого распределения выведэнн уравнения, связывающие токи и напряжения на внешних зажимах транзистора,-

2. На основе теоретического анализа разработана методика измерения резистивных параметров ПТШ. Проведено экспериментальное исследование резистивных параметров ряда образцов ПТШ.

3. Разработан метод экстракции параметров малосигнальной эквивалентной схемы ПТШ при большом числе элементов в схеме, основанный на оптимизационной процедуре.

4. Проведены вкеперименгальные исследования параметров малосигнальной. эквивалентной схемы ПТШ в частотном диапазоне от 1 до 12 ITli. 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.

5. Разработан полевой транзистор для использования в усилителях дециметрового диапазоне, проведен анализ возможных структур усилителей/ рассмотрена особенности реализации схем усилителей в монолитном и гиОридног-моиолитном исполнении. Предложена методика расчета характеристик усилителя на основа»® результатов измере-

ния параметров малосигаадьнсй эквивалентной схемы ПИП. Рассчитаны частотные зависимости матрицы проводамостей и коэффициента шума монолитной каскодной СВЧ схемы. Разработаны два варианта усилителей дециметрового диапазона: гибридно-монолитный и монолитный, а также экспериментально исследованы их характеристики.

6. Разработана методика проектирования разнообразных СВЧ автогенераторов на ПТШ, основанная на методе гармонического баланса, включающая параметрический синтез принципиальной схемы гене-■ ратора по заданной частоте и кругазне активного элемента в малосигнальном приближении. Представлен*, целевая функция, с помощью которой можно определить значения элементов схема с требуемым запасом по самовозбуадению. Рассмотрен класо генераторов на ПТШ с произвольными цепями между электродами транзистора и общей точкой. Проведено сравнение расчетных результатов с данными експе-риментального исследования изготовленных образцов автогенераторов на ПТШ сантиметрового диапазона длин волн о шириной затвора 600 мкм и 1200 мкм.

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Сопротивления пассивных областей истока, стока и затвора, а также сопротивление канала полевого транзистора с барьером Шот-ки могут быть экспериментально 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.

2. 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 экспериментальных 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.

3. 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 ПТШ и результатах измерения параметров малоситнальной 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 элемента в малосигнальном приближении. С помощью предложенной целевой функции можно 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 мавшкаое 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 ПТШ.

Апробация работы. Полученные результаты использованы в научно-исследовательских работах СПбГТУ, выполнявшихся по хоздоговорам с организациями ОКБ ЭП и ЛКТБ ЖШ "Светлана", НИИ "Исток", а также в рамках конкурсов грантов Госкомвуза РФ по фундаментальным исследованиям в области влектрокики и радиотехники. Результаты исследований используются в учебном процессе СПбГТУ.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсувда-лись ка Всесоюзной научно-технической конференции "Интегральная электроника СВЧ" (г.Красноярск, 1988 г.), XII Всесоюзной научно-техническг™ конференции по твердотельной електронике СВЧ (г.Киев, 1990 г.), Региональной научно-технической конференции "Современные методы радиокзмврений 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 электронике 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 диссертации - 244 страницы, включая 114 рисунков и 16 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертации, поставлена цель.работы и определены основные репаемые задачи. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В первом разделе рассмотрены метода експериментального определения параметров эквивалентной схемы ПТШ в режиме малых сигналов. Проведен обзор методов експериментального.определения сопротивлений пассивных областей истока, стока, затвора и'канала полевого транзистора на постоянном токе. Показано отсутствие достаточно надежной методики измерения последовательных сопротивлений, для которой не требовалось бы знание распределения концентрации легирующей примеси в канале транзистора. Рассмотрены методы определения параметров эквивалентной схемы ПТШ на основании измерений матрицы рассеяния в СВЧ диапазоне. Проанализировали способы прямой экстракции параметров ПТШ по аналитическим зависимостям, связывающим искомые параметры о элементами экспериментальной матрицы рассеяния. Рассмотрены метода определения параметров ПТШ, основанные на измерениях матрицы рассеяния в широком диапазоне частот и оптимизационной обработке результатов измерений. Сделан обзор используемых методов поиска локального минимума целевой функции при решении оптимизационной

задачи. Приведены результаты работ, в которых; используются-алгоритмы поиска глобального минимума целевой функции. Обзор показал необходимость разработки метода экстракции параметров эквивалентной схемы, учитывающей все паразитные элементы реальной структуры транзистора, которая была бы пригодна для использования в широком диапазоне частот вплоть до десятков гигагерц.

Во втором разделе проведена сравнительная оценка используемых в литературе аппроксимаций статических вольтамперных характеристик (ВАХ), позволяющих описывать ВАХ транзистора как в прямом, так и в инверсном режимах работы, а также учесть эффект лавинного пробоя. Приьедены аппроксимации нелинейных зависимостей емкости и сопротивления затвор - исток. Рассмотрены способы определения параметров нелинейных моделей. Показано, что качественное моделирование СВЧ устройств возможно только на основе экспериментальных данных о нелинейных зависимостях элементов ЗС ПТШ.

В третьем разделе проведен обзор шумовых феноменологических моделей ПТШ. Сделан вывод о перспективности использования для расчета частотных характеристик СВЧ устройств резистивно-тепловой шумовой модели совместно о методом экспериментального определения параметров ЭС полевого транзистора.

В четвертом разделе сделан обзор литературы, посвященной разработке монолитных широкополосных усилителей на ПТШ дециметрового диапазона. Рассмотрены проблемы обеспечения устойчивости и согласования с источником сигнала с целью обеспечения минимального коэффициента шума. Сделан вывод о перспективности использования в монолитных усилителях схем с непосредственными связями, позволяющими значительно уменьшить площадь подложки. Для этого класса усилителей требуется анализ СВЧ шумознх характеристик.

В тагом разделе сделан обзор математических методов моделирования процессов в СВЧ автогенераторах на ПТШ. Показано, что применение машинных методов расчета с использованием современных средств вычислительной техники делает возможным моделирование СВЧ автогенераторов со слоаошш колебательными системами, позволяет анализировать одночастотные и многочастотные режимы автоколебаний, а также исследовать шумовые процессы в них. Отмечено, что существует потребность в разработке методов синтеза принципиальной схемы автогеверзтора с заданными характеристиками и с опреде-

ленным запасом по самовозбувдении системы.

Во второй главе описывается разработанный метод экспериментального определения параметров малосигнальной эквивалентной схемы ПТШ, основанный на широкодиапазонных измерениях матрицы рассеяния и оптимизационной обработке результатов измерений.

Предложена эквивалентная схема на сосредоточенных элементах, описываемая двадцатью параметрами, пригодная для использования на частотах вплоть до десятков гигагерц. С помощью аналитической модели, основанной на локальном полевом приближении, были рассчитаны зависимости крутизны Зп, сопротивлений затвор - исток ,

и ¿53

затвор - сток Я^д от длины затвора I, ширины затвора У1, толщины проводящего канала а, концентрации основных носителей .V и подвижности Ц в активном слое. Показано, что недостаточная определенность большинства электрофизических и геометрических характеристик структуры реального транзистора делает практически неприемлемым проектирование.СВЧ устройств на основе теоретических моделей. Более предпочтительным является экспериментальный путь определения параметров ЭС ПТШ.

Первоначально предполагалось, что идентифицировать параметры ЭС можно с помощью решения задачи оптимизации по матрице рассеяния ПТШ. Однако такой путь как правило не приводит к успеху. Были, проанализированы причины неудач оптимизационного подхода. Для этого была поставлена модельная задача. Рассчитаны профили квадратичной целевой функции и показано, что основной причиной неудач прямой оптимизации является наличие протяженных многомерных оврагов, которые существенным образом влияют на сходимость оптимизационной процедуры и точность решения. Результатом моделирования на контрольной задаче был вывод о том, что для качественного определения параметров ЭС необходимо разделить эти параметры на группы с числом элементов в группе менее 8-10 и идентифицировать их отдельно по группам. Среди' опробованных методов оптимизации наилучшие характеристики в условиях многомерных оврагов показал метод Розенброка

В отдельную группу выделены сопротивления пассивных областей иотока Д8, стока Яд и затвора Я^. Эти сопротивления оказывают определяющее влияние на шумовые и усилительные характеристики транзистора. Был разработан метод экспериментального определения

втих параметров на постоянном токе. Особенностью метода является учет распределенного сопротивления канала й0. Область канала под затвором представлена в виде распределенной по длино затвора цепи. Звено цепи длиной Дя включает элементарный диод перехода затвора и часть йдДа:/! равномерно распределенного по длине затвора сопротивления канала. Это предполагает, что толщина проводящего канала постоянна вдаль затвора и сопротивление канала однородно в поперечном направлении, соответствующем ширине затвора. В результате решения системы дифференциальных уравнений получены распределения тока и напряжения вдоль затвора ИТШ. На основе в па распределений получена связь токов и напряжений на внешних электродах транзистора для случая положительных напряжений на затворе, когда глубина обедненного слоя под затвором мала по сравнению с толщиной активного слоя. Сопротивления й0, Д , йе, Кд могут быть рассчитаны с помощью полученных соотношений при различных значениях параметра а =

Предложена методика определения сопротивлений й0, Я^, йв> йд, которая состоит в измерении зависимостей напряжений сток -исток и затвор - исток от тока затвора I , когда цепь стока находится в режиме холостого хода и аналогичных зависимостей в рекике холостого хода цепи истока. Получено уравнение для определения сопротивления канала ПТШ й0:

где

У -

ехр

&8

У =

|«-1 (

V,

I 2кпУ1;

ОТ.

с1е

сИ„

«-1,1-0

2

1

17

- 1

п - коэффициент некдевльности барьера Шотки, V.

I

термический

потенциал. - Отклонение ДУ^ експериментадьной зависимости от прямой, являющейся касательной ь точке Г^ = 0, позволяет по приближенной формуле ,

й0 - /Хй оценить соцротивление канала. В экспериментах целесообразно ис-' пользовать значения при которых нелинейное отклонение достигает единиц милливольт. Диапазон токов затвора, в котором проводят измерения, ограничен снизу необходимостью выполнения условия равномерности распределения сопротивления канала и выявления нелинейности экспериментальной зависимости . Сверху диапазон токов ограничен допустимым перегревом транзистора. Получено соотношение для относительной погрешности определения Д0. Это соотношение позволяет рассчитать верхнюю границу тока затвора при заданной погрешности. Так, при 6Я0/Д0 = 25 % ток затвора не должен превышать 2пУ^./Н0.

Вторая и третья группы состоят соответственно из индуктивных и емкостных элементов ЭС, значения которых не зависят от режима по постоянному току. Для их определения использовались измерения матрицы рассеяния в СВЧ диапазоне при прямом смещении барьера ¡Нотки, в режиме практически полного перекрытия канала и нулевом напряжении на стоке. Эквивалентная схема внутреннего транзистора сильно упрощается и представляется соответственно резистивной схемой и емкостями закрытого перехода металл-полупроводник. Значения индуктивных и емкостных элементов находятся путем оптимизации по параметрам реактивных компонент иыпедансов и проводимос-тей. Четвертая группа, в которую входят элементы "внутрогиего" транзистора, определяются на основании измерений матрицы рассеяния в рабочем режиме по постоянному току в широком диапазоне частот. Путем оптимизации по 9-ти независимым и 6-ти зависимым переменным определяются искомые значения параметров ЭС. Оптимизационная процедура проводится по разработанной программе, в основу которой положен метод Розенброка.

Третья глава посвящена результатам экспериментального исследования параметров эквивалентной схемы 1ПШ. Измерения матргеш рассеяния проводились в диапазоне 0,6-12,2 ГГц с помощью автоматического анализатора цепей НР8408. Были экспериментально определены параметры и их зависимости от напряжений смещения на затворе и стоке для ряда транзисторов с шириной затвора от 300 до 1200

мид и длиной затвора от 0,3 до 1,0 мкм. Благодаря разработанной методике идентификации, выполненным измерениям, количественному определению параметров вквивалентной схемы ПТШ было получено радиотехническое описание полевого транзистора о барьбром Шотки. Это а свою очередь позволило надежно проектировать различные СВЧ устройства.

Четвертая глава посвящена разработке монолитных усилителей дециметрового диапазона. Проектирование монолитных схем отличается рядом особенностей. Во-перг,ых, в отличие от усилителей в гибридном исполнении, где как правило используютря готовые транзио-торы, для монолитных схем необходима'разработка активного елемен-та - транзистора (то есть выбор параметров транзистора для работы в определенном диапазоне частот и амплитуд сигнала). Вторая особенность - отличие схемотехники монолитных усилителей, где из-за высокой стоимости подложки и трудностей реализации реактивных елементов стремятся уменьшить площадь подложки путем применения схем с непосредственными связями и активными нагрузками. Третья особенность - необходимость высокого качества моделирования, так как возможность настройки и корректировки изготовленных образцов 1файне ограничена. Качество машинного моделирования достигается в разработанной методике за счет экспериментального определения параметров ПТШ и расчета охем усилителей на основе ЭС транзистора.

Разработка полевого транзистора сводится к выбору оптимальных для данного частотного диапазона физико-топологических параметров полупроводниковой структуры. Эти параметры должны быть совместимы с возможностями технологического оборудования. Практически разработчик может изменять по своему усмотрению лишь ограниченный набор параметров, а именно: толщину активного слоя а, концентрацию примеси If, длину затвора I и ширину затвора IP, а также топологию металлизации. Величины а, N определены с помощью аналитической модели, базирующейся на локальном полевом приближении. Для выбора ширины затвора были измерены параметры эквивалентной схемы ряда ПТШ с шириной затвора W = 370, 600, 800, 1200 мкм и рассчитаны характеристики транзисторов: максимально устойчивый коэффициент усиления, коэффициент устойчивости, максимальная полоса согласования по входу и выходу, оптимальное шумовое сопротивление источника сигнала. На основе этих данных была определена ширина затво-

ра I? = 800 мкм, оптимальная с точки зрения согласования для использования ПЛИ в диапазоне частот 0,5-2,0 ГГц.

Для монолитных схем представляется перспективным использование усилителей с непосредственными связями и активных нагрузок. Исследована каскодная схема с активными нагрузками. Рассчитана матрица проводимости этой цепи, определены коэффициент усиления и коэффициент устойчивости на основании экспериментальных данных параметров ЭС транзистора. Показано, что на частотах выше 1 ГГц использование каокодной схемы общий исток - общий -затвор предпочтительно по сравнению со схемами общий исток - общий исток и общий исток - общий сток. Исследованы шумовые характеристики каскодной охемы. Рассчитана матрица чувствительности коэффициента шума к изменению параметров схемы, определен вклад отдельных источников шума в суммарный коэффициент шума. Результаты анализа характеристик каскадной схемы показали, что она является перспективной для использования в монолитных усилителях дециметрового диапазона и позволяет получить значение произведения полоса -усиление порядка 101а Гц при коэффициенте шума 5-7 дБ.

Разработана программа расчета характеристик монолитных СВЧ усилителей. С помощью этой программы рассчитано несколько вариантов монолитных усилителей. Были изготовлены и экспериментально исследованы образцы усилителей дециметрового диапазона, в , том числе трехкаскаданый монолитный усилитель с площадью кристалла 2,0 х 2,0 мм3. Сравнение результатов измерений и моделтрования свадельствует о надежности предложенной методики расчета характеристик монолитных усилителей.

Пятая глава посвящена разработке СВЧ автогенераторов на ПТШ. Характерной особенностью СВЧ генераторов является то, что они отроятся по схеме с обратной связью по току (так называемая "звездообразная" схема) в отличие от низкочастотных генераторов, где используется "трехточечная" схема. В эквивалентной схема автогенератора учтены нелинейности тока стока, емкости и сопротивления затвор - исток. Разработана методика численного анализа, основа, яая на методе гармонического баланса.

Условие стационарного режима в общем случав представлено следующим образом:

где - комплексная крутизна транзистора по первой гармонике. Крутизна зависит от амплитуд, фазового соотношения ■ колебательных напряжений на затворе и стоке ГОШ, а также от постоянных напряжений смещешя. и^, и^ - комплексные амплитуды первых гармоник напряжений на затворе и стоке соответственно, У1(...,У - параметры колебательной цепи. В качестве параметра У^ может выступать либо частота, либо любой элемент вквивалентной схемы, например, длина отрезка микрополосковой линии передачи.,

е

51г(17„, у.,... ,у ) =

- комплексная переходная проводимость колебательной цепи (четырехполюсника обратной связи). В етой формуле ток I, рассматрива-

о

ется как входной ток, а напряжение 0 как выходное напряжение че-

9

тырехполюсника обратной связи. .-. .

В разработанную методику входит параметрический синтез принципиальной схемы автогенератора на заданную частоту и с определенным запасом по самовозбуждению системы. В математическом аспекте это оптимизационная задача поиска локального минимума целевой функции с ограничениями в виде неравенств. В качестве алгоритма поиска использован метод вращающихся координат. Целевая функция в оптимизационной процедуре была выбрана следующего вида:

?0 = [Ев5к(У1,...,Ур)/5ш - а]% Ь[1т31с(У1,...,Ур)]2,

где а, Ь - весовые коэффициенты, р - число оптимизируемых параметров схемы, - максимально возможная крутизна транзистора, определяемая по ВАХ ПТШ. Коэффициент а определяет запао по самовозбуждению системы (0 * а * 1). Целевая функция позволяет находить значения параметров пассивной цепи, соответствунцие выполнению условия возбуждения колебаний при заданной крутизне активного элемента. В результате решения оптимизационной задачи определяется вектор параметров (У^,...,Ур) вквивалентной схемы генератора.

На основе методики разработана программа и проведен расчет ряда образцов автогенераторов, стабилизированных резонатором, и генераторов о перестройкой частоты варактором диапазона 5-7 ГГц.

В заключении кратко изложены основные результаты работы:

1. Теоретически получено распределение тока и потенциала вдоль канала ПТШ при прямом смещении на затворе. Область канала под затвором представлена в виде цепи, распределенной по длине канала транзистора. С использованием полученного распределения выведены уравнения, связывающие токи и напряжения -на внешних зажимах транзистора. Определен диапазон токов затвора, при котором выполняются с заданной погрешностью выведенные в аналитическом виде соотношения для величин сопротивлений канала, стока, истока и затвора ПТШ.

2. На оснЬве теоретического анализа разработана методика измерения резистивных параметров ПТШ о учетом падения напряжения на сопротивлении канала транзистора. Проведено экспериментальное исследование резиотивных параметров ПТШ о шириной затвора от 200 до 1200 мид и длиной затвора от 0,3 до 1,0 мкм.

3. Разработан метод экстракции параметров малосигнальной ЭС ПТШ, основанный на оптимизационной процедуре. Предложена малосигнальная ЭС ПТШ, соотоядая из 20 сосредоточенных элементов и пригодная для использования на частотах вплоть до десятков гигагерц.

4. Проведены экспериментальные исследования параметров малосигнальной ЭС ПТШ в частотном диапазоне от 1 до 12 ГГц. Получены результаты измерений параметров ЭС в зависимости от напряжений на затворе и отоке 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.

5. Разработан полевой транзистор для использования в широкополосных интегральных усилителях дециметрового диапазона длин волн. Проведен анализ возможных структур усилителей етого диапазона, рассмотрены особенности реализации схем усилителей в монолитном и гибридно-монолитном исполнении. Предложена методика ра пата характеристик усилителя на основании результатов измерения параметров малосигаальной ЭС ПТШ. Проведен расчет частотных зависимостей элементов матрицы проводимоотей и коэффициента шума монолит'ой каскоднойСВЧ схемы. Разработаны два варианта усилителей

дециметрового диапазона в монолитном и гибридно-монолитном исполнении, а также экспериментально-исследованы их характеристики. •

6. Разработана методика численного анализа и проектирования СВЧ автогенераторов на ГТГШ о произвольными цепями между електро-дамя транзистора и общей точкой. Учтены нелинейности управляемого источника тока стока, емкости и сопротивления затвор - исток. Разработанная методика, в основу которой полояен метод гармонического баланса, позволяет проводить параметрический синтез принципиальной схемы генератора на заданную частоту и крутизну активного елемента в малосигнальном приближении,, нелинейный анализ полученной схемы автогенератора на ' основе большесигнальной ЭС ИТШ, расчет энергетических и температурных характеристик автогенератора. Представлена целевая функция, о помощью которой можно определить значения элементов схемы о требуемым запасом по само-возбуадотио. С помощью данной методики был рассчитан и изготовлен ряд образцов автогенераторов сантиметрового диапазона длин волн. Проведено сравнение расчетных результатов с данными экспериментального исследования изготовленных образцов автогенераторов на. ПТИ! о шириной затвора 600 мкм и 1200 мкм. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что предложенная методика расчета совместно с методом измерений параметров ЭС ПТШ может быть использована для проектирования разнообразных СВЧ автогенераторов на полевых транзисторах.

Список публикаций по теме диссертации

1. Бочков В.В., Дубровский В.Н.«Карасев A.C. Проектирование монолитного многокаскадного усилителя СВЧ на полевых транзисторах с затвором Шоттки // Микроэлектронные устройства. Проектирование и технология: Межвуз.сб. - Красноярск, 1988. - С.96-102.

2. Бочков В.В., Дубровский В.Н., Карасев A.C. Проектирование монолитного многокаскадного .усилителя дециметрового диапазона // Всеооюз.науч.-техн. конф. "Интегральная электроника СВЧ": Тезисы докл. - Красноярск, 1988. - С.68.

3. Бочков В.В., Дубровский В.Н., Карасев A.C. Характеристики монолитной каскодной схемы СВЧ // Электронная техника.

Свр.1, Электроника СВЧ. - 198g. - Вып.10. - С.30-35.

4. Киреев O.A., Смирнов С.М., Фечин Р.Ф., Бочков В.В. Монолитный 3-каскадный арсешдгаллиекый малопумящий усилитель в диапазоне 500-1500 МГц // XII Всесокз.науч.-техн.конф.по твердотельной электровике СВЧ: Тезисы докл. - Киев, 1990. - С.220.

5. Бочков В.В., Дубровский В.Н., Карасев A.C. Проектирование монолитных СВЧ генераторов на ПТШ с перестройкой частоты варактором // XII Всесоюз.науч.-техн.конф.по твердотельной электронике СВЧ: Тезисы докл. - Киев, 1990. - С.271.

6. Бочков В.В., Карасев A.C. Экспериментальное определение малосигнальных эквивалентных параметров полевых транзисторов с барьером Шотки // Региональная науч.-техн.конф."Современные методы измерений в диапазонах высоких частот (ВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ)": Тезисы докл. - Новосибирск, 1991. -

С.68.

7. Бочков В.В., Дубровский В.Н., Карасев A.C., Киреев O.A., Фечин Р.Ф. Гибридно-монолитные усилители дециметрового диапазона // Актуальные проблемы развития радиотехники, электроники и связи: Материалы 47-й науч.-техн.конф., поев.Дни радио. - СПб, 1992. - С.68-69.

8. Бочков В.В., Карасев A.C. Идентификация параметров малосигнальной эквивалентной схемы полевого транзистора с барьером Шотки // Электронная техника. Сер.1, СВЧ-техкика. - 1992. -Вып.6. - С.34-39.

9. Бочков В.В., Дубровский В.Н., Карасев A.C. Анализ низкочастотных фдуктуаций в полевых транзисторах с барьером Шотки // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы докл. науч.-техн. семинара, П.Черноголовка, 1991; Москва, 1992. - И., 1993. - С.5-8.

10. Бочков В.В., Дубровский В.Н., Карасев A.C. Экспериментальное определение параметров модели ПТШ для программы SPICE // 48-я науч.-техн.конф., посв.Дню радио: Тезисы докл. - СПб, 1993- - С.106.

11. Бочков В.В., Дубровский В.Н., Карасев A.C. Экспериментальное определение резиставных параметров полевых транзисторов о барьером Шотки // Радиотехника и электроника. - 1994. -

Т 39, No 11. -с.1868-1875.

12. Бочков B.B., Дубровский В.Н., Карасев A.C. Проектирование интегральных СВЧ автогенераторов на полевых транзисторах о • барьером Шотки (ПТШ) // 49-я науч.-техн.конф., поев.Дню радио: Тезисы докл. - СПб, 1994. - С.25.

13. Бочков В.В., Дубровский В.Н., Карасев A.C. Температурные зависимости параметров полевых транзисторов с барьером Шотки // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники:: Тезисы докл.Всэрос.науч.-техн.конф. 4.1. - Таган. рог, 1994.. - С.84.

U. Бочков В.В., Дубровский В.Н., Карасев A.C. Моделирование СВЧ-генераторов на полевых транзисторов с барьером Шотки // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тезисы докл.Всероо.науч.-техн.конф. Ч. 1. -Таганрог, 1994. - С.95. .

Подписано к печати Тираж 100 экз.

Заказ * Бесплатно

Отпечатано на ротапринте СПбГГУ •

195251, С.-Петербург, Политехническая ул., 29