Elektrotehnicki fakultet by 5v4CW8

VIEWS: 0 PAGES: 4

									                             Mikrotalasna tehnika
      Poluprovodnički elementi za mikrotalase:MESFET tranzistori, HEMT
                          tranzistori, HBT tranzistori
                           Đurđević Gordana, Elektrotehnički fakultet Banjaluka

1. Uvod                                                   pokušaj primjene poluprovodničkih komponenti u
                                                          mikrotalasnoj tehnici je primjena tunel diode,
Minijaturizacija elektronskih uređaja pokrenuta je        komponenate koja na svojoj UI karakteristici ima
pojavom prvih poluprovodničkih komponenata i do           područje sa negativnim nagibom (tj. negativnom
danas je dostigla zavidan nivo razvoja u mnogim           otpornošću). Pošto se ova komponenta nije pokazala
oblastima elektrotehnike. Naravno to nije moglo           naročito dobrom, tražena su nova rješenja. Sljedeći su
mimoići ni mikrotalasnu tehniku iako u ovoj oblasti       bili tzv. parametarski pojačavači koji koriste
minijaturizacija nije još sveobuhvatna. U početku se      promjenu kapacitivnosti varaktor dioda i oscilatorsku
pokušalo       sa    primjenom       poluprovodničkih     pumpu, koji su se intenzivno koristili do
komponenti proizvedenim za niže frekvencije, što          sedamdesetih, a koriste se i danas na mjestima gdje je
nije dalo zadovoljavajuće rezultate. Jedna od prvih       potrebno imati malošumni pojačavač. Nakon toga se
poluprovodničkih elemenata koji se mogao da koristi       zahvaljujući napretku tehnologije, pojavljuje npn
na ovim frekvencijama je bila tunel dioda, koju su        silicijumski bipolarni tranzistor sa graničnom
danas potpuno potisnuli elementi iz grupe TE-diode,       frekvencijom od 10 GHz.
bipolarni i MESFET tranzistori jer se pokazala kao        Kroz naredne dvije dekade dalji napredak tehnologije
temperaturno nestabilna, a i osjetljiva je na uticaj      dovodi do tranzistora sa efektom polja. Kako se
radioaktivnog           zračenja.         Mikrotalasne    GaAs (galijum arsenid), kao materijal za primjene u
poluprovodničke komponente počinju da se razvijaju        izradi poluprovodničkih komponenata za ovu
od ranih šezdesetih. Od tada pa do danas razvijeno je     frekvencijsku oblast pokazao bolji zbog povoljnijeg
mnogo poluprovodničkih komponenti za primjene u           vremena tranzita, to je on zamijenio silicijum, što je
mikrotalasnim        oscilatorima,       pojačavačima,    rezultiralo u pojavi GaAs MESFET tranzistora.
mikserima, detektorima.                                   Međutim ni tu se nije stalo, već se nastojalo razviti
Godinama se radilo na poboljšanju performansi novih       takvu tehnologiju sa kojom bi bilo moguće
komponenata što je rezultiralo u viši stepen              realizovati komponente tako malih dimenzija da
pouzdanosti, fleksibilnosti, sve većoj snazi, a naravno   dimenzija gejta bude manja od jednog mikrometra,
sve većoj gornjoj graničnoj učestanosti. Budući da su     što se uspjelo molekularnom epitaksijalnom
se mikrotalasne mreže do tada sastojale od                tehnologijom (MBE) koja je omogućila realizaciju
elektronskih cijevi (koje za oblast mikrotalasa imaju     tranzistora visokopokretnim elektronima (HEMT)
relativno velike dimenzije) i pasivnih komponenti         koji mogu raditi i na frekvencijama do 100 GHz.
(koje su se realizovale od dijelova transmisionih
vodova i talasovoda), jasno je koliko je                  2. Osobine GaAs kao materijala
minijaturizaciji mikrotalasnih sklopova doprinijela
pojava      poluprovodničkih       komponenata       za   GaAs je privukao pažnju istraživača kao perspektivan
mikrotalase. I ne samo minijaturizacija već i sniženje    materijal zahvaljujući nizu dobrih osobina.
cijene, a na neki način i pouzdanosti.                    Najvažnija od njih je visoka pokretljivost elektrona
Iz iskustva se zna da više frekvencijsko područje traži   (oko 6 puta veća nego u silicijumu) u slabim
nove komponente i nove tehnologije. Upravo zbog           električnim poljima, što potencijalno omogućava
toga je ova oblast vrlo široka i nemoguće joj je          proizvodnju komponenata sa većim brzinama.
odrediti gornju granicu. Kao što je već rečeno, prvi      Takođe GaAs se odlikuje većom širinom zabranjene
zone što je neophodan uslov za rad na višim              107 do 109 cm na sobnoj temperaturi.
temperaturama. Osim toga, malo vrijeme života            Poluizolatorska     podloga    obezbjeđuje    dobru
sporednih nosilaca i veća širina zabranjene zone čine    samoizolaciju elemenata u integrisanom kolu i male
GaAs perspektivnim materijalom za proizvodnju            parazitne kapacitivnosti elemenata prema podlozi.
integrisanih kola otpornoh na radijaciju. Pločice
GaAs mogu imati veoma visoke vrijednosti                 3. Osnovne komponente             GaAs       monolitnih
specifične otpornosti. To omogućava korištenje ovog      integrisanih kola
materijala u svojstvu dielektrika u integrisanim
kolima namijenjenim za rad u centimetarskom i            Osnovna komponenta u GaAs tehnologiji je
milimetarskom opsegu talasnih dužina, a takođe i za      tranzistor sa efektom polja čiju strukturu čine metal-
izolaciju struktura u digitalnim integrisanim kolima.    poluprovodnik. Otuda potiče naziv MESFET (Metal
Suštinski prednost GaAs nad Si potiče od razlike u       Semiconductor Field Effect Transistor). Takođe se
energiji energetskog procjepa. Efektivna masa            koristi JFET (Junction FET) kod koga je upravljačka
elektrona je obrnuto proporcionalna zakrivljenosti       elektroda izolovana inverzno polarizovanim pn
provodne zone koja je proporcionalna energetskom         spojem. Ovaj tip tranzistora je poljima ekvivalentan
procjepu. Stoga je efektivna masa elektrona manja u      Si JFET-u. Najnovija istraživanja GaAs i njegovih
GaAs nego u Si. Za GaAs ona iznosi 0.068m0, dok je       legura nagovještavaju proizvodnju komponenti sa
za Si 0,198m0, gdje je m0 masa slobodnog elektrona       strukturom metal-izolator-poluprovodnik. I danas
koji miruje u vakuumu. Brzina elektrona v0 je            GaAs      tehnologija   posjeduje     više    aktivnih
obrnuto proporcionalna njegovoj masi. Zato je ona        poluprovodničkih komponenata koje nemaju
mnogo veća u GaAs nego u Si pri istoj jačini             analogiju u Si tehnologiji. Najpoznatiji od njih su
električnog polja. Uočljivo je da v0 u Si monotono       HEMT (High Electrin Mobility Transistor) i HBT
raste, dok u GaAs ima maksimum koji iznosi oko           (Heterostructure Bipolar Transistor).
2x107 cm/s pri jačini električnog polja od 3.2 kV/cm.
Zasićenje brzine elektrona u oba materijala nastupa      4. MESFET tranzistor
pri električnom polju od oko 104 V/cm. Brzina
zasićenja u GaAs je nešto veća ali se smatra da su       Glavni aktivni element GaAs monolitnih integrisanih
približno jednake i iznosi 107 cm/s. Pri standardnim     kola je tranzistor sa efektom polja i Šotkijevim
nivoima dopiranja pokretljivost elektrona je u GaAs      spojem ili metal-poluprovodnik FET odnosno
oko 6 puta veća nego u Si. Međutim, pokretljivost        MESFET tranzistor. Postoje 2 tipa ovog tranzistora a
elektrona u GaAs pri manjim koncentracijama              to su osiromašenog tipa DFET i obogaćenog tipa
primjesa može dostići 8 000 do 9 000 cm2/Vs na           EFET. Poprečni presjek je prikazan na slijedećoj slici
sobnoj temperaturi (300 K), odnosno 50 000 do 100        :
000 cm2/Vs na temperaturi 77 K. Specijalna vrsta
tranzistora kao što su HEMT (High Electron Mobility
Transistor) su projektovani tako da koriste ovu                                   G
                                                                     S                       D
prednost. Uočljivo je da je pokretljivost šupljina u
GaAs mnogo manja nego u Si. Pored navedenog
GaAs je vrlo krt materijal i podložan je razaranju pri               n+                          n+
tehnološkoj obradi. Zbog toga se u GaAs tehnologiji
koristi pločica znatno manjeg prečnika nego u Si                                                        kanal
tehnologiji. Velika gustina površinskih stanja ne                         poluizolatorska GaAs
dozvoljava izradu GaAs kao MOS struktura. Većina                                 podloga
                                                            Tn
GaAs kola su MESFET (Metal Semiconductor Field
Effect Transistor). Za razliku od Si podloge koja je                 Slika 1. Struktura MESFET-a
poluprovodnik, GaAs podloga je poluizolator s
visokom specifičnom otpornošću koja je u opsegu od       Sastoji se od n-provodnog površinskog kanala
                                                         debljine Tn smještenog između dva n+ omska
kontakta sorsa i drejna. Podloga je poluizolatorska        K=(SWg) / (2TnefLg) konstanta tranzistora, gdje je 
GaAs. Metalna upravljačka elektroda ili Šotkijev gejt      pokretljivost elektrona u n provodnom sloju,
je legura titan-paladijum-zlato (Ti/Pa/Au) u kojoj         S=12.90 dielektrična konstanta, Wg i Lg respektivno
titan formira Šotkijevu barijeru. Titan u kombinaciji      dužina i širina gejta, a Tnef je efektivna širina
sa nekim drugim materijalima kao što su molibden i         provodnog sloja koja zavisi od osiromašenog
volfram, predstavljaju relativno inertne spojeve sa        područja.
GaAs i postojni su u termičkim procesima. MESFET           Na slici 2 su prikazane realne karakteristike
je takođe unipolarni tranzistor sa elektronima kao         MESFET-a. Uočljiva je zavisnost struje drejna od
osnovnim nosiocima naelektrisanja. Naravno i               napona Vds u zasićenoj oblasti. Do ovoga dolazi zbog
šupljine mogu da budu nosioci, kada imamo                  modulacije dužine kanala, kao MOSFET tranzistora.
MESFET p-tipa, ali su karakteristike takvog
tranzistora znatno lošije zbog male pokretljivosti
šupljina. Kada se gejt i sors kratko spoje (Vgs=0)
ispod gejta će postojati osiromašena oblast kao
posljedica postojanja kontakt-potencijala metal-
poluprovodnik. Širina osiromašene obladti zavisi od
gustine primjesa i visine Šotkijeve barijere. Većinom
je ova debljina manja od debljine Tn n provodnog
kanala , tako da ispod osiromašene oblasti postoji
jedan dio kanala sa slobodnim nosiocima
naelektrisanja. Uz pozitivnu polarizaciju drejn-sors
proteći će struja drejna kroz kanal. Drugim riječima
tranzistor je provodan i pri nultoj polarizaciji dijela    Slika 2. Realna karakteristika MESFET-a, [4]
gejt-sors, pa se kaže da tranzistor ima ugrađen kanal
ili da je osiromašenog tipa. Do prekida kanala ili         Napon dodira Vp je veoma značajan parametar
proširenja osiromašene oblasti preko cijelog n             MESFET-a. On je u slučaju uniformno dopiranog n-
provodnog kanala, doći će do negativnog napona na          sloja približno određen sa
gejtu. Da bi došlo do formiranja (indukovanja) kanala                Vp =Vb – qNDTn2/(2S)                (5)
EFET na gejt se mora da dovede pozitivan napon. Taj        Vb je kontaktni potencijal Šotkijeve barijere.
napon je ograničen naponom praga Šotkijevog spoja.
Stoga je maksimali napon gejt-sors, DFET i EFET                 gm=dId/dVgs|Vds=const =gn/(1+gnRs),            (6)
manji od 0.5 do 0.7 V. Ako je Vgs veće od 0.7 V,           gdje je gn strmina čistog tranzistora a Rs unosi efekat
između gejta i sorsa postoji struja Šotkijeve diode        sors degradacije. Strmina čistog tranzistora je, u
određena sa                                                zasićenoj oblasti data sa :
                  Ig =Is (eVg / n T -1) ,           (1)
gdje je n konstana i iznosi 1.15 do 1.20. Ovakav                gm=dId/dVgs|Id=const=(SWg)(Vgs-Vp)/(TnefLg), (7)
režim rada tranzistora treba izbjegavati. Statičke         što važi za dugi kanal. Za tranzistore sa kratkim
karakteristike MESFET-a Id= f (Vds) i Id = f (Vgs) su      kanalom brzina kretanja elektrona je u zasićenju i
veoma slične odgovarajućim karakteristikama MOS            iznosi     vs=(Vgs-Vp)/ Lg ,                       (8)
tranzistora i mogu se izraziti u istom obliku. Koristeći   tako da je
najčešću aproksimaciju, prema kojoj je struja drejna                       gms=vsSWg / Tnef                    (9)
kvadratna funkcija napona Vds u linearnoj, odnosno          Ono što je bitno treba istaći da je na osnovu
napona Vgs u zasićenoj oblasti. U skladu s tim             visokofrekventnog modela MESFET-a dobija
proizilazi da je                                           jedinična granična frekvencija u obliku
        Id = 0 , Vgs<Vp, Vp je napn dodira,         (2)                ft = gm / (2(Cgs+Cgd)) ,              (10)
                                   2
        Id = K[2(Vgs-Vp)Vds-Vds ] , Vds < Vgs-Vp , (3)     gdje su Cgs i Cgd parazitne kapacitivnosti gejt-sors i
        Id = K(Vgs-Vp)2 , Vds > Vgs-Vp              (4)
                                                           gejt-drejn. Tipično je ft desetak GHz dok u
savremenim GaAs tehnologijama dostiže 100 GHz. tranzistor, unipolarni tranzistor sa efektom polja,
To je ono što nas interesuje.                          MESFET tranzistor, TED elemente, avalanche
                                                       (lavinske) diode, pasivne mikrotalasne diode.
5. Tranzistor sa velikom pokretljivošću elektrona Mikrotalasne poluprovodničke komponente možemo
(HEMT)                                                 svrstati u tri osnovne grupe :
                                                        mikrotalasni tranzistori
Tranzistor sa velikom pokretljivošću elektrona  TED elementi
(HEMT) počiva na činjenici da je pokretljivost  razne diode.
elektrona u GaAs obrnuto proporcionalna Pomoću Gunn diode mogu se realizovati oscilatori
koncentraciji primjesa. Tako je npr. pokretljivost izlazne snage 1.5 W na frekvenciji 8 do 12 GHz, od
elektrona u n tipu GaAs, koji se obično koristi u 0.5 W za frekvencije 12 do 18 GHz. Postoje i druge
oblasti kanala MESFET-a i iznosi oko 5 000 cm2/Vs vrste dioda koje se mogu svrstati u poluprovodničke
dok je pokretljivost elektrona u čistom GaAs 9 000 elemente u mikrotalasnoj tehnici tj. postoje aktivne i
cm2/Vs. Cilj je dakle napraviti sloj skoro čistog GaAs pasivne diode. Pasivne diode su : PIN diode, diode sa
kojim će se elektroni kretati između drejna i sorsa. tačkastim spojem i Šotkijeve diode, varaktor diode,
Ovo se ostvaruje formiranjem heterospoja od GaAs i aktivne mikrotalasne diode, INPATT diode,
materijala sa većom širinom zabranjene zone kao što TRAPATT diode, BARITT diode itd. U mikrotalasne
je Al0,3Ga0,7As. Ovaj materijal ima veći energetski komponente spadaju i maseri i laseri. Pojava
procjep (1.8 eV) nego GaAs (1.4 eV). Stoga će optičkog generatora je omogućila proširenje opsega
unošenjem donorskih primjesa u AlGaAs doći do prenosa informacija na oblast optičkih talasa a samim
prelaska elektrona iz njega u GaAs, koji ostavlja iza tim je omogućila vezu na neograničenim
sebe oblast pozitivnog naelektrisanja. Na graničnoj rastojanjima, sa relativno malim snagama, što je bio
površini između GaAs i AlGaAs, između osnov za razvoj jedne nove oblasti u
potencijalne barijere i dna provodne zone GaAs telekomunikacijama a to su optičke komunikacije.
pojavljuje se stojeći talas elektrona, zbog čega oni Svakog dana tehnologija napreduje, stvaraju se uslovi
gube sposobnost kretanja u pravcu okomitom na za proizvodnju poluprovodničkih komponenti sa
graničnu površinu.                                     poboljšanim performansama na sve višim
6. Heterospojni bipolarni tranzistor (HBT)             frekvencijama.
                                                       Literatura
Heterospojevi se koriste i za izradu bipolarnih
tranzistora, HBT, veoma visoke granične frekvencije [1] Dr Radojka Praštalo : “Mikrotalasi u teoriji,
i jediničnog pojačanja (nekoliko desetaka do stotinjak praksi i mjerenjima” , Banjaluka, Narodna i
GHz). Heterospojevi GaAs i AlGaAs se dobijaju univerzitetska biblioteka Republike Srpske, 2001.
tehnikom epitaksijalnog narastanja i jonske [2]                 Dr Branko L.Dokić : “ Integrisana kola” ,
implatacije. Osim proširenja frekvencijskog opsega, Elektrotehnički fakultet , Banjaluka, Glas Srpski,
HBT ima veći temperaturski opseg od Si tranzistora. Banjaluka
Prednosti struktura sa povećanom zabranjenom [3]                S. Lardizabal, A. Fernandez, L. Dunleavy :
zonom n područja poznate su još od izvornog “Temperature-dependent modeling of gallium-
Šotkijevog rada iz 1948 godine. Čekalo se više od 20 arsenide MESFET’s”, IEEE Trans. on Microwave
godina na mogućnost praktične realizacije. Theory Techniques, vol. MTT-44, pp.357-362, March
Objavljena su digitalna kola na bazi HBT sa 1996.
maksimalnom frekvencijom iznad 20 GHz.                 [4]        A. Caddemi, A. Di Paola, M. Sannino :
7. Zaključak                                           "Determination of HEMT's noise parameters vs.
                                                   temperature using two measurement methods ", IEEE
Poluprovodničke komponente koje se koriste u
                                                   Trans. on Instrumentation and Measurement , vol.IM-
mikrotalasnoj tehnici su mnogobrojne, a među njima
                                                   47 , pp.6-10, Feb. 1998.
svakako treba spomenuti mikrotalasni bipolarni

								
To top