2. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Наиболее часто в МШУ СВЧ используют следующие усилительные элементы: лампа бегущей еолны (ЛБВ), параметрический диод (ПД), туннельный диод (ТД), биполярный транзистор (БПТ) и полевой транзистор (ПТ). Каждый из этих элементов имеет свои достоинства и недостатки, однако наиболее массовое применение в микроэлектронике получили транзисторы. Поэтому далее рассматриваются исключительно усилители на ПТ и БПТ.

До сих пор не совсем ясно, какой предельно минимальный коэффициент шума и на какой частоте можно ожидать у полевых

транзисторов. Имеются образцы ПТ с рабочей частотой 40 ГГц, у БПТ коэффициент шума на частоте 20 ГГц достигает 12 дБ. Простейшая модель полевого транзистора показана на рис. 5.1, а. Транзистор состоит из пластины полупроводника -типа (или -типа) с вплавлением участков -типа (-типа), которые соединены между собой и образуют единый электрод — затвор, имеющий металлизированный вывод. Края пластины также имеют металлизированные выводы: исток (откуда движутся основные носители) и сток (куда они движутся). Образованные таким образом -переходы работают в запертом состоянии из-за обратного (относительно истока) напряжения на затворе. От изменения напряжения затвор — исток меняется ширина -перехода (показан пунктиром), следовательно, меняется ширина канала, по которому движутся основные носители, что ведет к изменению тока через прибор. На рис. 5.1, б показан (в увеличенном масштабе) реальный СВЧ полевой транзистор [141]. От стока к истоку течет постоянный ток по тонкому (толщиной

0,2 мкм) эпитаксиальному слою. Величина тока регулируется глубиной слоя, расположенного снизу металлического затвора, образующего с полупроводником барьер Шоттки. Затвор представляет собой металлическую пленку шириной 1 мкм и длиной 500 мкм. Исток и сток — вплавленные омические контакты. Они отделены от затвора на 1—2 мкм соответственно. Активная площадь прибора (эпитаксиальная пленка) получена с помощью мезатравления.

Рис. 5.1. Модель полевого транзистора и его схемное обозначение (а) и конструкция полевого транзистора (б)

Рис. 5.2. Частотные зависимости коэффициента шума СВЧ транзисторов:

— полевых с шириной затвора 1 мкм: — полевых с шириной 0,5 мкм

На коэффициент шума ПТ СВЧ большое влияние оказывает ширина затвора (рис. 5.2). Параметры ПТ в значительной степени зависят от питающих напряжений, причем режим, оптимальный по шуму, не совпадает с режимом, оптимальным по усилению

мощности. Например, при напряжении транзистор имеет максимальное усиление при токе мА, минимум меры шума при токе 30 мА, минимум коэффициента шума при 17 мА. Комплексные коэффициенты отражения нагрузки и источника сигнала, при которых реализуются максимальное усиление и минимальный шум, также различны. Комплексные проводимости источника сигнала для ПТ в зависимости от частоты, требующиеся для реализации минимума коэффициента шума минимума меры шума и максимума фактического коэффициента усиления [141] построены на рис. 5. 3, там же показаны -параметры этого транзистора и частотная зависимость входной проводимости транзистора и выходной проводимости

Рис. 5.3. Параметры полевого транзистора СВЧ: