Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow Анализ работы и применение активных полупроводниковых элементов

МИС НА ОСНОВЕ GaAs ПТШ

GaAs ПТШ, обеспечивающие удельную выходную мощность 0,7...0,5 Вт/мм в X-Xw-диапазонах частот, широко используются при создании монолитных и квазимонолитных усилителей мощности (УМ).

Широкополосные и сверхширокополосные УМ

Рассмотрим две схемы широкополосного УМ, разработанные фирмой М/А-СОМ (США) [6.12], обеспечивающие значение насыщенной выходной мощности нас) 1,26... 1,5 Вт, КПД = 25...30 % при коэффициенте усиления

(Хур) 18... 19дБ в диапазоне 2... 11 ГГц.

На рис. 6.18 изображена электрическая схема, внешний вид монолитного УМ с размерами кристалла 1,7x2,3 мм2 и сравнение измеренных и расчетных значений выходных параметров УМ диапазона 2...6 ГГц.

Электрическая схема (а); внешний вид кристалла, размер кристалла 1,7x2,Змм (б); сравнение измеренных и расчетных значений Р и КПД монолитного УМ диапазона частот 2...6 ГГц (в) [6.12]

Рис. 6.18. Электрическая схема (а); внешний вид кристалла, размер кристалла 1,7x2,Змм2 (б); сравнение измеренных и расчетных значений Рнас и КПД монолитного УМ диапазона частот 2...6 ГГц (в) [6.12]

На рис. 6.19 показаны электрическая схема, внешний вид МИС УМ с размерами кристалла 1,8x2,9 мм2 и измеренные выходные параметры

2-каскадного УМ диапазона частот 7... 11 ГГц.

В схемах применен GaAs ПТШ с длиной затвора 0,5 мкм и суммарной шириной затвора (WT) в 1-м каскаде - 1,2 мм и во 2-м - 3,0 мм (два ПТШ с WT =1,5 мм). Исходные полупроводниковые структуры были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Для расширения диапазонов частот в обоих каскадах в затворных цепях транзисторов использована Т-образная L-C- согласующая цепь, включающая входные емкости ПТШ. Индуктивности реализованы в виде спиральных катушек, позволяющих значительно уменьшить размеры кристалла. Для суммирования мощности в выходном каскаде применен делитель / сумматор Вилькинсона.

Электрическая схема (а); внешний вид кристалла, размер кристалла 1,8x2,9 мм (б); измеренные значения Р и КПД монолитного УМ диапазона

Рис. 6.19. Электрическая схема (а); внешний вид кристалла, размер кристалла 1,8x2,9 мм2 (б); измеренные значения Рнас и КПД монолитного УМ диапазона

частот 7... 11 ГГц (в) [6.13]

На рис. 6.20 изображена схема МИС-усилителя с распределенным усилением и сравнение расчетных и измеренных значений Kyp(S2), Si и S22,

описывающих согласование УМ по входу и выходу с сопротивлением стандартного тракта распространения сигнала (Z0 = 50 Ом), выходной мощности и КПД в диапазоне частот. В диапазоне частот 2... 18 ГГц УМ обеспечил линейный уровень выходной мощности (при сжатии на 1 дБ) 400 мВт,

КПД =15...16 % и ^ =5 дБ.

В усилителе реализован принцип распределенного усиления, когда входной СВЧ-сигнал распределяется во входном распределенном делителе на усилительные секции (ПТШ), и в выходном распределенном сумматоре выходная мощность суммируется с секций ПТШ в нагрузку. На низкой частоте все секционные ПТШ работают как единый транзистор, а на верхней частоте сигнал фазируется таким образом, чтобы получить максимум мощности. МИС УМ, представленный на рис. 6.20, а, является неоднородным, так как во всех уси-

лительных секциях фазирующие и согласующие отрезки МПЛ различаются по ширине полоска и его длине. Во всех секциях применен GaAs ПТШ с затвором 0,5x300 мкм. Толщина кристалла 100 мкм, в нем присутствуют металлизированные сквозные отверстия.

Внешний вид кристалла МИС-усилителя с распределенным усилением, размер кристалла 2x2 мм (а); измеренные значения Р_1 и КПД в диапазоне частот 2... 18 ГГц (б) [6.15]

Рис. 6.20. Внешний вид кристалла МИС-усилителя с распределенным усилением, размер кристалла 2x2 мм2 (а); измеренные значения Р_1дБ и КПД в диапазоне частот 2... 18 ГГц (б) [6.15]

Недостатком УМ с распределенным усилением является низкий Kw, но вследствие хорошего согласования по входу и выходу (КСВНвх и КСВНвых < 2) такие усилители хорошо каскадируются, практически без сужения полосы рабочих частот.

На рис. 6.21 представлен кристалл 2-каскадного УМ с распределенным усилением на GaAs ПТШ, изготовленной по технологии ионного легирования с многофункциональным самосовмещением по затвору ПТШ (MSAG =Multifunctional Self-aligned Gate -технология) фирмой М/А-СОМ (США) [6.14]. Применение MSAG-технологии позволяет комбинацией стадий общего мелкого и локального глубокого ионного легирования создать мощный GaAs ПТШ с высокими пробивными напряжениями (свыше 20 В) и удельным током 460 мА/мм. Технология MSAG позволила увеличить диаметр полуизолирую- щих подложек GaAs и уменьшить разброс параметров ПТШ по пластине, что привело к увеличению процента выхода при изготовлении ПТШ и снижению стоимости МИС СВЧ.

В первом каскаде пятисекционного УМ (рис. 6.21) применены два GaAs ПТШ с длиной затвора 0,5 мкм и шириной 300 мкм, а во втором каскаде - три с длиной затвора 0,5 мкм и различной шириной затворов: 630, 470 и 300 мкм.

Использование двухкаскадного пятисекционного неоднородного УМ позволило получить в диапазоне частот 2...18 ГГц уровень Рвых = 0,5...0,8 Вт, КПД =10...15% и Kw =13...16 дБ.

Внешний вид кристалла двухкаскадного УМ с распределенным усилением (а) и его параметры на GaAs ПТШ в диапазоне частот 2... 18 ГГц (б) [6.14]

Рис. 6.21. Внешний вид кристалла двухкаскадного УМ с распределенным усилением (а) и его параметры на GaAs ПТШ в диапазоне частот 2... 18 ГГц (б) [6.14]

На рис. 6.22, а представлена МИС 2-канального 3-каскадного УМ диапазона частот 6... 18 ГГц на основе GaAs ПТШ с длинами затворов 0,5 мкм. Выходная мощность одного канала из выборки в 118 приборов приведена на рис 6.22, б. 1-й каскад - предварительный усилитель, представляет собой пятисекционный усилитель с распределенным усилением, все секции которого построены на двухзатворном ПТШ с шириной одного затвора WT = 240 мкм.

2-й и 3-й каскады УМ составляют выходной УМ, на входе которого используется ПТШ с шириной затвора WT = 1,2 мм, а на выходе - ПТШ с WT =1,9 мм. Выбранное соотношение ширины затвора во 2-м и 3-м каскадах УМ позволяет с одного канала УМ в нижней части диапазона получить при сжатии на 2 дБ уровень Рвых = 870 мВт, КПД= 20 % и = 22 дБ, а в верхней

части диапазона - Рвых = 500 мВт, КПД= 9 % и К^ =15 дБ. КСВНвх <2,1

во всем диапазоне частот. Напряжение питания активного элемента Ucll = 8 В, /с = 650 мА. Толщина кристалла УМ доводится до 100 мкм, травятся сквозные отверстия, в которые наносится металл, обеспечивающий заземление элементов схемы на планере кристалла. Исходные структуры изготовлены методом ионной имплантации на подложке GaAs диаметром 76 мм.

Для согласования в полосе частот 6... 18 ГГц применены пассивные цепи, содержащие МПЛ, металлизированные резисторы и МДМ-конденсаторы, выполненные на слое Si3N4. Общий процент выхода годных составил около 30 %. Предполагается, что использование двух каналов обеспечит уровень Рвых =1,6 Вт во всем диапазоне частот.

Внешний вид МИС 2-канального УМ фирмы Texas Instruments (США), размер кристалла 2-канального УМ 6,5x4,8 мм (а) и выходная мощность одного канала УМ в диапазоне частот 6... 18 ГГц (б) [6.16]

Рис. 6.22. Внешний вид МИС 2-канального УМ фирмы Texas Instruments (США), размер кристалла 2-канального УМ 6,5x4,8 мм2 (а) и выходная мощность одного канала УМ в диапазоне частот 6... 18 ГГц (б) [6.16]

На рис. 6.23 показан внешний вид кристалла 2-каскадного УМ фирмы М/АСОМ (США).

На частотах 4,5 и 7,5 ГГц имеются два провала в характеристиках, обусловленных большим рассогласованием, вызванным возникновением поперечных колебаний при большом количестве бинарных сложений мощности: РВЫх = 5,8 Вт и КПД = 16 %. Усилитель двухкаскадный: в первом каскаде

РВЫх снимается с восьми ПТШ, а во втором - с шестнадцати ПТШ. Все транзисторы имеют длину и ширину затвора 0,5 мкм и 0,94 мм соответственно. В схеме использованы цепи согласования с применением спиральных индуктивностей, МДМ-конденсаторов и МПЛ.

При изготовлении GaAs ПТШ использована MS AG-технология ионного легирования, а при изготовлении пассивной части кристалла - многоуровневая гальваническая металлизация с применением двух типов диэлектрических пленок: Si3N4 и полиимида, имеющего небольшую диэлектрическую проницаемость гг =2...3.

Внешний вид кристалла сверхширокополосного УМ, размер кристалла 5,0 х 6,3 мм (а) и его характеристики в диапазоне частот

Рис. 6.23. Внешний вид кристалла сверхширокополосного УМ, размер кристалла 5,0 х 6,3 мм2 (а) и его характеристики в диапазоне частот

2...8 ГГц (б) [6.14]

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы