Nagyfrekvenciás FET tranzisztorok és az alkalmazásukkal elért eredmények D R . LUKÁCS GYÖRGY K a n d ó K á l m á n Villamosipari Műszaki Főiskola Híradásipari Intézet
ÖSSZEFOGLALÁS Az utóbbi években a mikrohullámú tranzisztorok területén jelentős fejlődés volt tapasztalható. Megjelentek a kereskedelmi forgalomban az igen nagy határfrekvenciájú kisszintű, kiszajú, valamint a;,'nagyteljesítményű F E T tranzisztorok. A cikk a nagyfrekvenciás F E T tranzisztorokkal elért eredményeket tartalmazza. Segítségükkel a mikrohullámú berendezések v e v ő érzékenysége növelhető, az adó kimenő szintje jelentősen emelhető.
1. Bevezetés A kiváló technológiai felkészültségű mikrohullámú félvezetőket g y á r t ó vezető cégek a j á n l a t a i b a n és fej lesztési célkitűzéseikben megtalálhatók a mikrohul lámú kis- és nagyszintű F E T tranzisztorok is. A leg t ö b b g y á r t ó e g y ú t t a l az a l k a l m a z á s o k a t is vizsgálja. Gyártástechnológiai v o n a t k o z á s b a n a fejlesztés k i t é r a megfelelő félvezető anyagok kiválasztására, a szilárd, hőálló, nagyfrekvenciás szempontból is k i elégítő kontaktusok és kivezetések kialakítására. K ü lönböző g y á r t á s i technológiák és s t r u k t ú r á k segítsé gével egyre nagyobb határfrekvenciájú félvezetőket sikerül kifejleszteni a kisszintű és nagyszintű alkal mazások s z á m á r a . A fejlesztések t ö b b i r á n y ú a k , figyelembe véve az alkalmazástechnikai igényeket. A l a p v e t ő törekvés a határfrekvencia növelése. Bipoláris tranzisztorokkal 4—6 GHz-ig lehetséges erősíteni* ennél magasabb frekvencián a F E T tranzisztorok egyeduralkodóak. Másrészről egyik i r á n y b a n a cél az egyre kisebb zaj tényező elérése, másik i r á n y b a n a nagyteljesítményű eszközök előállítása a lehetséges legnagyobb erősítés mellett. Az 1. á b r á n jól l á t h a t ó a bipoláris és F E T tranzisz torokkal felépített egyfokozatú erősítő zajtényező— frekvencia kapcsolata [1]. A fejlődést jól példázzák a 2. á b r a 1978-as adatai, ahol a zajtényezők l á t h a t ó k a frekvencia függvényében különböző cégek tranzisz torainál [2]. A teljesítmény-tranzisztorokkal elért eredmények l á t h a t ó k a 3. á b r á n [3]. Mielőtt részletesen foglalkoznék az alkalmazási lehetőségekkel, célszerű azokat a technológiai-szerke zeti p r o b l é m á k a t megvizsgálni, amelyek a F E T tran zisztorok g y á r t á s a során előadódnak.
DR. LUKÁCS GYÖRGY Oklevelét a Budapesti Mű szaki Egyetem Villamos mérnöki Karának hír adástechnikai szakán sze rezte 1971-ben. Ezt köve tően az Orion gyárban dolgozott három évig. 1974-től a KKVMF Hír adásipari Intézet oktató ja, jelenleg docensi be
Mind a leadott teljesítmény, mind az elérhető zaj tényező szempontjából döntő jelentőségű a gate elektróda k a p a c i t á s a . A gyártási technológia fő k é r dése ennek a lehetséges legkisebb értéken t a r t á s a . Á 4. ábra egy F E T tranzisztor a k t í v részének felépí t é s é t és a szerkezet helyettesítő k é p é t mutatja. A nagyfrekvenciás működés szempontjából a gate elektródának minél rövidebbnek kell lennie. Ez a k ö vetelmény a szubmikronos méretek technikájához vezet. Egy 0,5 [j.m hosszúságú GaAs F E T tranzisztor ban a kivezető elektróda felülete hetvenszerese is lehet az a k t í v gate elektróda felületének. A bemenő k a p a c i t á s kis é r t é k e n t a r t á s a érdekében t e h á t a k i vezető elektróda alatt e x t r é m kis adalékolási szintet valósítanak meg. A kivezetések induktivitása és a k i vezető elektróda kapacitása aluláteresztő szűrőt k é pez, amelynek határfrekvenciája a kialakítástól függően 10—30 GHz k ö z ö t t van. E z é r t különös jelen tősége van az a k t í v terület és a tokozási kivezetés k ö z ö t t k i a l a k í t o t t belső felépítésnek.
10
I
Bipol
I
i
i
t
i
•
i
ars
GaAs
3
4
5
FREKVENCIA
A m i k r o h u l l á m ú F E T tranzisztorok legfontosabb al k a l m a z á s t e c h n i k a i jellemzői kisjelű működésnél a zajtényező, nagyjelű működésnél a diszcipáció.
222
l
2. Technológiai kérdések
Beérkezett: 1985. I I . 6. ( # )
osztásban. Főbb kuta tási területe az adóberen dezésekben használható nagyszintű, nagyfrek venciás erősítők tervezése. Ebből a témakörből készí tette el egyetemi doktori értekezését 1983-ban. Je lenleg impulzus üzemű erősítők és aktív reaktancia kompenzált erősítők fejlesztésével foglalko zik.
6
7 8 910
FET's-
15
(GHz) | H971-4 1
1. ábra. Bipoláris és FET tranzisztorokkal felépített erősítő zajtényező —frekvencia kapcsolata Híradástechnika
XXXV1.
évfolyam 1985. 5. szám
Ugyancsak a nagyfrekvenciás szempontból rövidre és szélesre készített gate elektróda okozza azokat a termikus nehézségeket, amelyek F E T tranzisztorok nál fellépnek. Többszörös gate elektródájú F E T tran zisztoroknál — ez az eset a nagyteljesítményű tran zisztoroknál — a számítás bonyolultabb, mert az egymás melletti gate elektródák k ö z ö t t hő kicserélő dés j ö h e t létre. Az elmondottakkal szorosan összefügg a F E T tranzisztorok megbízhatósága is. Különösen nagyjelű működésnél a rövid ideig t a r t ó csúcsértékek m i a t t bekövetkező kiégés súlyos probléma. A kiégés elkerülése érdekében a gate elektróda a n y a g á t kell jól megválasztani. E b b ő l a szempontból az arany al kalmasabb anyag, mint p l . az a l u m í n i u m . A t ö n k r e menetelre v o n a t k o z ó a n a k ö v e t k e z ő energiaadatok jellemzőek 0,5 jjun hosszú és 300 \im széles gate esetén a l u m í n i u m a n y a g n á l 0,3 erg, arany a n y a g n á l 4 erg. Másrészről a Fujitsu és a NEC cég k u t a t á s a i k i m u t a t t á k , hogy elektromos és mechanikai megbízhatóság
0,5 uM 137)
R
IpM
AV-AVANTEK HP- HEWLETT PACKARD NEC-NIPPON ELECTRIC PLPLESSEY R-ROCKWELL BTL-BELL LABS
1,0 -
|H971-2|
2. ábra. Különböző cégek által g y á r t o t t FET tran zisztorok legjobb zajtényezői
40 P
20
24 mm 26 mm
10
out
. 1 - konstans
•
A
19. 2 mm • (3 dB 54,ÍV.;
8 6
6,4 mm 4
•
I—
1 'P
5
4,t
1 0,8 0,6
0,4
•
TI
°
NEC
A O A
MITSUBISHI BELL
2,7 mm 6,4 mm
LABS
FUJITSU
•
R CA
X
LSI
•
mm
* 1, 3 mm •
(JAPÁN)
MSC •
1,3 mm
0,2
6
0,1
10
20
FREKVENCIA
8
(GHz)
40
60 1H971-3]
ábra. Különböző cégek által g y á r t o t t F E T tranzisztorok legnagyobb kimeneti teljesítményei Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 5. szám
4. ábra. A F E T tranzisztor felépítése és helyettesítő képe
GATE
SQURCE
DRAIN GATE ÖSSZE KÖTŐ LEMEZ
[Timurt EPITAXIALIS RÉTEG
FORRÁS
KIURITESES RÉTEG
KÖZBEESŐ HORDOZÓ
9 -j-rm_ L
I
A
-<- pad C
gmV
szempontjából az AL/GaAs Schottky barrier gate rendszer a legjobb. A teljesítmény FET-ek létrehozásával kapcsolato san a g y á r t á s i technológia is jelentősen eltér a kis teljesítményű F E T - e k t ő l . A magasabb frekvenciára való törekvés a gate elektróda hosszának csökkenését követeli meg, viszont 0,5 [/.m-nél rövidebb gate elektródáknál a g y á r t h a t ó s á g és a r e p r o d u k á l h a t ó ság képezi a fő p r o b l é m á t . Ugyanakkor a nagy telje sítmény t ű r é s i igény nagy gate felületet igényel. A megoldás nyilvánvalóan az, hogy a gate szélességet kell növelni. A gate szélesség növelése azonban h á t r á nyos tulajdonsággal j á r . Csökken a bemeneti és k i meneti impedancia ami az á r a m k ö r i illesztések meg valósításánál rendkívül nagy nehézségeket jelent. Mindezeket: figyelembe véve a :kompromisszumos megoldást az interdigitális s t r u k t ú r a jelenti. Egy ilyen ú n . „Cross-Gate" s t r u k t ú r a l á t h a t ó az 5. á b r á n [4]. Ezen s t r u k t ú r a gyártási folyamata a k ö v e t k e z ő : — Epitaxiális réteg kialakítása a következő m ó don : egymást k ö v e t ő e n egy félig szigetelő köz bülső réteget és egy kénnel adalékolt N típusú réteget növesztenek egyetlen technológiai lé5. ábra. „Cross-Gate" struktúra
"CROSS-GATE"
STRUKTÚRA
|H971-5|
224
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam 1985. 5, szám
— —
—
pésben egy k r ó m m a l adalékolt félig szigetelő alapra. Kétlépéses felületalakítás során m a r a t á s s a l lét rehoznak egy a k t í v felületet. N+ réteg k i a l a k í t á s a a source és drain elektró d á k alatt. Cél a csatlakozási és soros ellenállás csökkentése, valamint a source-drain á t ü t é s i feszültség növelése. AuGe/Au réteg felvitelével ohmos drain és source e l e k t r ó d á t hoznak létre. Az érintkezési ellenállás kisebb mint 1 0 ohm c m . Felvisznek egy SiO, filmréteget amely a belső vezető r é t e g e t elszigeteli a source-tól. Schottkybarri er gate-et hoznak létre A l felvi tellel. E z t k ö v e t ő e n az Al-gate e l e k t r ó d á t a kereszt irányú source elektródától elválasztják. A véglegesen elkészített szeletet polírozzák és 100 jjim vastagra m a r a t j á k le a F E T termikus ellenállásának csökkentése érdekében. Az összeszerelésre ú n . földelő lemez módszert (sheet-grounding method) alkalmaznak. Ez a módszer csökkenti a közös source kivezetések induktivitását. - 6
— — — —
2
Lényege az, hogy t ö b b source-gate-drain réteget hoznak létre egymás mellett és p á r h u z a m o s a n kap csolják őket. Ezzel igen nagy eredő gate szélesség érhető el, viszont a be- és kimeneti impedancia nem nő jelentősen. Természetesen ettől eltérő egyéb tech nológiai kialakításokkal is folynak kísérletek a telje sítmény-frekvencia-hatásfok-erősítés komplex prob l é m a mind jobb megoldására. A jelenleg elért leg nagyobb gate szélesség 60 m m , amely 25 W-os tran zisztort eredményez 6 GHz-en. A legjobb hatásfok 5 4 , 6 % / ( P - P ) / ( P ) / 9 dB erősítés és 10 W kime neti teljesítmény esetén (Texas I . ) . A legnagyobb elért frekvencia 30 GHz, 100 m W k i m e n ő teljesít m é n y mellett [3]. A technológiák á l t a l á b a n 0,5—1,4 W / m m telje s í t m é n y t ű r é s t b i z t o s í t a n a k a gate szélesség függvé nyében. A j a v u l á s t különböző technológiai módsze rekkel érik el. í g y például igen jó h a t á s ú az ú n . rc-gate kialakítás, ahol egy gate szalagot és t ö b b gatet alkalmaznak. A 6. á b r á n a kimeneti teljesítmény és hatásfok l á t h a t ó a drain-source feszültség függvényé ben a gate szélességgel p a r a m é t e r e z v e . J ó l l á t h a t ó , hogy a gate szélesség kétszeresére növelése közel kétszeres kimeneti teljesítményt, i l l . hatásfokot eredményez. A nagyobb teljesítmények elérésére egyéb, rész ben technológiai megoldások is születtek. Ilyenek a belső illesztésű FET-ek, és a monolitikus erősítők g y á r t á s a . E z e k r ő l részletesebben a későbbiekben lesz szó. ki
be
DC
3. Kis szintű (kis zajú) alkalmazások A kisjelű—kiszajú alkalmazások alapjainak nagyon jó összefoglalását találjuk az [1] irodalomban. Ebben a szerzők megállapítják, hogy 10 GHz-en 3 dB-es zajtényezőt először M E S F E T tranzisztorokkal értek el és az elméletileg még jobb is lehetne. Megvizsgál t á k azokat az okokat, amelyek az elméleti érték el érését nem t e t t é k lehetővé. Ezek az eszköz techno lógiájával és belső felépítésével függnek össze. H íradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 5. szám
A szerzők által javasolt modellben figyelembe ve szik a töltéshordozók mobilitásának v á l t o z á s á t . L é nyegében arról van szó, hogy a m i k r o h u l l á m ú F E T tranzisztorokban a gate elektróda m é r e t e m i a t t a ve zető c s a t o r n á b a n az alkalmazott feszültségek mellett olyan nagy térerősség lép fel, amely a töltéshordozók sebességének telítését eredményezi. P é l d a k é n t ve g y ü n k 1 [xm távolságot és 3 volt feszültségesést, ekkor a kiadódó 30 k V / c m térerősség körülbelül tíz szerese annak az értéknek, amelynél a sebesség telí tődése megkezdődik. I t t jegyezzük meg, hogy GaAs a n y a g n á l — ellentétben a Si-mal — a hőmérséklet csökkenésével nem következik be a töltéshordozók mozgékonyságának csökkenése, ezért a zajtényező j a v í t á s á r a igen vonzó lehetőség az á r a m k ö r h ű tése. A modellből s z á m í t o t t diagramok l á t h a t ó k a 7. á b r á n . E z e k b ő l kiderül, hogy a zajtényező javítása a gate hosszúság csökkentésével, valamint a gate és source elektródák kivezető kontaktusellenállásai nak csökkentésével lehetséges. Az 1978-as évi I E E E Mikrohullámú Szemináriumon a Cornell Egyetem m u n k a t á r s a i olyan modellt adtak meg, amely egy a r á n t alkalmas analízisre és számítógépes terve zésre. Ez a modell kétdimenziós analízist tesz lehetővé, amelyben mind a diffúziós folyamatot, mind a Gunnt a r t o m á n y k i a l a k u l á s á t figyelembe veszik. A mód szer kombinálja az eredeti Schockley elméletet a nagy adalékoltságú félvezetők Gunn-effektusával. Ennek a publikációnak az eredményei elsősorban a fizikai m ű k ö d é s megértése szempontjából jelentősek. Ugyan csak az 1978. évi I E E E Mikrohullámú Szemináriu mon ismertettek egy 14 GHz-es kiszajú M E S F E T erősítőt, amelyet a m ű h o l d a s távközlésben alkalmaz nak. A munka végső célja a lehető legkisebb zajté nyezőjű vevő felépítése a 14—14,5 GHz-es s á v r a . Erre a célra az egyetlen F E T - b ő l álló fokozatok kasz k á d kapcsolását t a l á l t á k legalkalmasabbnak. E z t a k ö v e t k e z ő k indokolják: — Egyetlen tranzisztor h a t á r o z z a meg az első l fokozat zajtényezőjét, így k i v á l a s z t h a t ó a leg megfelelőbb p é l d á n y . — A bemeneti és kimeneti illesztő á r a m k ö r egy szerű ütközési csillapítás mérésével optimalizál ható. — A z ilyen m ó d o n felépített fokozatok S p a r a m é terei közvetlenül m é r h e t ő k , ami különösen ak* kor jelentős, ha a számítógépes tervezés által adott e r e d m é n y e k e t és a gyakorlati mérési e r e d m é n y e k e t akarjuk összehasonlítani. Ezek a szempontok a z é r t tanulságosak, mert r á mutatnak arra, hogy az á r a m k ö r felépítése lényeges m ó d o n befolyásolhatja a fejlesztő munka h a t é k o n y ságát. A m u n k á b a n alkalmazott F E T tranzisztor NEC 388. H á r o m f o k o z a t ú erősítővel 17 dB erősítést értek el a 14—14,5 GHz s á v b a n 3,5 zajtényezővel. Alacsony zajú erősítő tervezésével foglalkozik az [5] irodalom. Az elkészült erősítő széles sávú. 4,5 dB zajtényezővel rendelkezik a 8 — 12 GHz-es s á v b a n 7 dB erősítés mellett. A bemeneti állóhullámarány 1,6—2 k ö z ö t t i a kimeneti állóhullámarány 1,2—1,7 k ö z ö t t változik. Más irodalmi h i v a t k o z á s b a n ugyan erre a frekvenciasávra 5,5 dB zajtényezőjű t ö b b -
225
226
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam 1985. 5. szám
fokozatú erősítő ismertetését találjuk. Az erősítés é r t é k e 20 d B ± l , 3 m í g az állóhullámarány a be- és kimeneten e g y a r á n t 2,5-nél nem nagyobb. Igen jó eredmények é r h e t ő k el dual-gate M E S F E T tranzisztorokkal is. K é t f o k o z a t ú dual-gate F E T e r ő sítővel a 4—8 GHz-es s á v b a n 20 dB erősítést é r t e k el [6]. Az erősítő V " = — 1 V , V = 4 V esetén a V + 1 V-ról —2 V-ra t ö r t é n ő v á l t o z á s a k ö z b e n 60 dB erősítés d i n a m i k á v a l rendelkezett. Monolitikus k i a l a k í t á s ú egyfokozatú dual-gate F E T erősítővel a 4 , 5 - 8 GHz-es s á v b a n 3 , 5 - 5 d B erősítést m é r t e k . Igen jó lehetőség a zajtényező o p t i malizálására a dual-gate F E T erősítő V feszültsé gének v á l t o z t a t á s a . A 8. ábra diagramjain a zajté n y e z ő és erősítésváltozás l á t h a t ó a V függvényé ben V p a r a m é t e r mellett, illetve V függvényében [7]. A V - v e l o p t i m a l i z á l t k é t f o k o z a t ú erősítővel 1,2 dB zajtényezőt és 16,7 dB erősítést é r t e k el 2 G H z en, míg 12 GHz-en zajtényező 3,2 d B , az erősítés 12,6 dB volt. Az A E G Telefunken m ű h o l d a s tv-összeköttetésnél h a l a d ó h u l l á m ú csöves erősítő m e g h a j t á s á r a ugyan csak dual-gate F E T t r a n z i s z t o r o k b ó l álló erősítőt használt. Az AGC létrehozásához megspóroltak egy P I N csillapító fokozatot, mivel a bejövő szint v á l t o z á s a függvényében az erősítő elemek V feszült ségeit v á l t o z t a t t á k . Ezzel k b . 25 dB erősítés dinami k á t értek el [8]. A kisszintű a l k a l m a z á s o k n á l meg kell e m l í t e n ü n k a F E T oszcillátorokat is. Plessey GAT 4 t í p u s ú t r a n zisztorral 50—60 m W teljesítményt é r t e k el a 9—10 GHz-es s á v b a n 20% hatásfok mellett. Gunn-oszcill á t o r o k k a l összehasonlítva a vivőtől 1—100 k H z frekvenciatávolságnyira levő s á v b a n 3 d B zaj j a 01
D S
Q 2
Q 2
Q 1
0 2
Q 2
G2
0 2
f= 8 GHz
vulást m é r t e k . E g y é b mérési e r e d m é n y e k is azt m u t a t j á k , hogy a F E T oszcillátorok zaja valamivel jobb m i n t a Gunn-oszcillátoroké és lényegesen k e d v e z ő b b m i n t az I m p a t t diódás oszcillátoroké. Sor k e r ü l t kisszintű FET-eknek egyéb kevésbé fontos de j ó e r e d m é n y e k e t m u t a t ó a l k a l m a z á s á r a is. 23 GHz-en 6 d B , 27 GHz-en 8 dB zajtényezőjű reflexiós t í p u s ú erősítőt k é s z í t e t t e k GaAs M E S F E T segítségével. A reflexiós m ű k ö d é s érdekében a gatesource k a p u t m e g s z ü n t e t t é k . A z erősítő csőtápvo nalas kivitelben k é s z ü l t . Dual-gate MESFET-tel jó hatásfokú sokszorozó is é p í t h e t ő . Egy irodalmi adat szerint kétszerező ü z e m b e n 8 dB konverziós erősítés érhető el 12 GHzen, míg háromszorozó ü z e m b e n 3 dB erősítés ugyan csak 12 GHz-en. Megemlítésre érdemes m é g , hogy GaAs F E T tran zisztorokkal ma m á r igen nagy frekvenciájú digitális integrált á r a m k ö r ö k e t is felépítenek. Egy 1981-es adat szerint 4,1 G H z határfrekvenciájú N A N D ka put k é s z í t e t t e k .
4. Nagy szintű alkalmazások M i n t azt a technológiai fejezetben ismertettem nagy teljesítményű FET-eket nagyfrekvencián igen nagy gate szélesség mellett lehet megvalósítani. A nagy gate szélességet egyéb — m á r ismertetett — okok m i a t t t ö b b n é h á n y száz [im szélességű gate cella összekapcsolásával érik el. L e g i n k á b b egy kereszt szövésű (cross-gate) t e c h n i k á t alkalmaznak (lásd: 5. á b r a ) . Ilyen technológiával a Fujitsu cég 26 m m gate szélességű tranzisztort is g y á r t katonai célra [9].
20
b,
2S< >
20
V
/= 8 GHz V =4.0 V DS
V =-2.2V
10
GIS
10 - 0
03
10
oa •& •w
u.
0
o
-20
G,S
V
G2S
V
<> V
ÍV)
IH971-8I
8. ábra. A zajtényező függése a V i és Voa-től G
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 5. szám
227
Ezen tranzisztorok jellemző helyettesítő k é p e l á t h a t ó a 9. á b r á n . A helyettesítő k é p alapján felírható az erősítés (max. available gain) é r t é k e : MAG-
ég (R+R is
i
R + f L,)
+
s
ás
g
GATE
o-
+ 4 r/ C (2i?„+R,+R,+2^/ L )
n t
/ a működési frekvencia, g a drain vezetés. A z öszszefüggés szerint az erősítés 6 d B / o k t á v meredek séggel csökken és valamennyi helyettesítőkép elem — a meredekség kivételével — fordított a r á n y b a n áll az erősítéssel. A kimeneti teljesítmény a frekvencia négyzetével f o r d í t o t t a n a r á n y o s . Ez l á t h a t ó a 10. á b r á n a legjobb teljesítmény-gate szélesség a r á n y o k k a l együtt. Egy fokozatú erősítők esetében igen nagy sáv szélességek valósíthatók meg. 1 W k i m e n ő teljesít m é n y mellett a 7—13 GHz-es s á v b a n 5 ± 1 dB erő sítést értek el 22% hatásfokkal. T ö b b fokozatú erősítőkkel nagy teljesítményerősí tés és kimeneti teljesítmény érhető el szolidabb sáv szélesség mellett. Egy 6 fokozatú erősítővel 42 ± 1 dB erősítés mellett 8 W kimenő teljesítményt é r t e k el 6,25—7,75 GHz-es s á v b a n . Az erősítő kimeneti fo kozata 4-utas teljesítményösszegző (combiner) kap csolásban adta le ezt az igen nagy teljesítményt. ÜNTRINSIC
R
ahol
7
"dg
I
-1 ds\
i
r
s
I
R
R
d g
Ultraszélessávú erősítők készítésére is sor került. 600 fxm gate szélességű eszközzel 300 m W kimeneti teljesítményt p r o d u k á l t a k a 2—18 GHz-es sávban. A teljes s á v b a n az erősítés 4 ± 1 dB v o l t . 3 dB-es hibrid segítségével kiegyenlített erősítővel 1 W telje s í t m é n y t állítottak elő a 2—18 GHz-es sávban a Texas cég fejlesztői. Nagyteljesítményű F E T oszcillátorok vonatkozá sában sikerült 100 m W kimeneti teljesítményt pro dukálni 26,6 GHz-en és 160 mW-ot 12 GHz-en. Az előzőekben e m l í t e t t adatok az addigi legjobb eredményeket m u t a t t á k , de kevésbé utaltak az alkal mazott gyártási megoldásokra. A t o v á b b i a k b a n né h á n y jellemző technológiai-gyártási megoldással k é szült erősítőkkel elért e r e d m é n y e k e t ismertetek: 9—10 GHz-es sávú erősítőt ismertet egy közlemény [10]. Teljesítményösszegzők segítségével 5 W kime neti teljesítményt értek el 41 dB erősítés mellett. A hatásfok 8,3%, az intercept point 46,8 dBm, az
HODEL
- L Z Z ) 1 T 11 1
T
V
-ODRAIN
d=i C
\
SOURCE O—
SOURCE
—o
IH971-9)
9. ábra. „Cross-gate" struktúrájú FET helyettesítő képe
2.0 — o
^
\
1,0 \p~r2
0,6 0,4
0,2
0,1
13
.
o BTL * FUJITSU • TI .
i . i . i. i 4
6
8 10
FREKVENCIA
i 20
•
i
30 <0 50
(GHz)
A M — P M konverzió pedig 1,6 ° / d B volt. A 11. á b r á n az erősítő felépítése l á t h a t ó . A 12. á b r á n a k i meneti fokozat teljesítményosztója (combiner) lát h a t ó a veszteségekkel e g y ü t t . A teljes összegzési veszteség 1,3 d B . Az á b r á n lát h a t ó , hogy egy 3 dB-es hibrid 0,2 dB veszteséget, az összekötő vonal ugyancsak 0,2 dB veszteséget jelent. I t t az összekötő vonal hossza 18 m m volt. A fázis differencia m i a t t i veszteség az összegzőknél 0,05 d B . K ü l ö n kell beszélnünk a belső illesztésű FET-ekkel készült erősítőkről. Ezeket elsősorban K és K sáva
Uj Uj
|H971-10|
228
tranzisztor
10. ábra. Kimeneti teljesítmény—frekvencia kapcsolat Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 5. szám
FLC301 FSX5Í PtN
FSX51
FSXS2
FSX03
FSXOS
rOn -O
rOn
FSX06
FLC301
rt>n
4^
POUT
IH97I -111
2 i . óöra. 41 dB erősítésű 5 W-os erősítő felépítése
OUT
-0,2dB
-0,2dB
-OJdB
-O.ldB -0.2dB -0.2dB
- 0.2dB |H971-12|
12. ábra. A végfokozat bemeneti és kimeneti teljesít ményosztója ban célszerű használni, ahol a teljesítmény FET-ek chip szélessége összemérhetővé válik az elosztott p a r a m é t e r ű illesztő h á l ó z a t b a n terjedő jel h u l l á m hosszával [11]. Ugyanakkor a széles gate m i a t t a bebemeneti impedancia igen kis é r t é k ű . E z é r t a külön böző parazita r e a k t a n c i á k kiegyenlítése a F E T hez kapcsolódó külső illesztéssel nehézzé válik. A szé les sávú realizálás t e h á t nem m e g o l d h a t ó . A probléma kisszintű alacsony zajú eszközök esetében nem jelent kezik, mivel a bemeneti impedancia nem csökken le olyan m é r t é k b e n , mint a nagy gate szélességű telje sítmény F E T - e k n é l . A probléma megoldható k o n c e n t r á l t illesztő ele mek h a s z n á l a t á v a l . Mivel ezek az elemek igen kis méretűek, célszerű azokat a tranzisztoron belül meg valósítani. Egy vizsgált belső illesztett F E T eseté ben a chipen belül 4 gate cella kapcsolódik p á r h u z a mosan [12]. Egy cella tipikus telítési á r a m a 200— 220 mA. A teljes gate szélesség 3 m m . A belső illesz tésű F E T helyettesítő k é p e a 13, á b r á n l á t h a t ó . A bemeneten k o n c e n t r á l t soros i n d u k t i v i t á s és p á r h u z a m o s k a p a c i t á s illeszt. A z i n d u k t i v i t á s 10— 30 fim átmérőjű aranyszálból készült. A k a p a c i t á s 0,1 m m vastag k e r á m i a s u b s t r á t o n helyezkedik el. R e l a t í v dielektromos állandója 39. A t o v á b b i illesz t é s t egy A/4 hosszú vonal biztosítja. Egy kisebb frek venciás eszköznél (14 GHz-en) a A/4 hosszú vonalat Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 5. szám
e l h a g y t á k . A kimeneti illesztő h á l ó z a t o t elosztott pa r a m é t e r ű elemekkel v a l ó s í t o t t á k meg 0,25 m m vas tag k e r á m i á n . Az eszközzel ( N E 8698) 1,25 W kime neti teljesítményt értek el a 17,7 — 18,5 GHz-es s á v ban 3 ± 0 , 5 dB erősítés és 12,5% hatásfok mellett. Egy m á s i k a l k a l m a z á s b a n k é t chip együttes belső illesztésére k e r ü l t sor. Egy chip szélessége 3 m m volt. Az illesztő hálózat azonos a 14. á b r á n l á t h a t ó val, azzal a különbséggel, hogy A/4-es illesztő vonalat nem h a s z n á l t a k . Az eszközt 11 és 12 GHz-re illesz t e t t é k . A kimeneti teljesítmény frekvencia karak terisztika a 14. á b r á n l á t h a t ó . M i n t az ábráról leolvasható p l . 11 GHz-en 2 chipes eszközzel k b . 2 W kimeneti teljesítményt m é r t e k 4 dB erősítés mellett. K é s z í t e t t e k 4 chipes belső i l lesztésű eszközt is, amelynél a teljes gate szélesség 12 m m volt. I t t a kimeneti teljesítmény 11 GHz-en 4 W 3,4 dB erősítés mellett. I s m é t m á s i k cikk [13] 10 W-os belső illesztésű GaAs teljesítmény tranzisztort ismertet. Az erősítés 3 dB a 9,5 — 10,3 GHz-es s á v b a n , a hatásfok pedig 14%. Az eszköz a k ö v e t k e z ő felépítésű: négy chipet tartalmaz mindegyik chip h á r o m cellából épül fel és minden cella t i z e n k é n t gate-ujjal rendelkezik, egy ujj szélessége 200 [xm, hosszúsága 1 \j.m. í g y összesen 28,8 m m széles a gate. A bemeneten h á r o m soros induktivitásból és k é t p á r h u z a m o s k a p a c i t á s ból álló létrakapcsolás biztosítja az illesztést, míg a kimeneten k é t soros i n d u k t i v i t á s és k é t p á r h u z a mos kapacitásból épül fel az illesztőhálózat. Tanulságos a 15. á b r a ahol Smith diagramon lát h a t ó , hogy a gate szélesség növelése hogyan csökkenti a F E T eszköz bemeneti és kimeneti impedanciáját. Ez indokolja, hogy m á r a C s á v b a n is célszerű belső illesztésű nagy teljesítményű FET-eket készíteni. K é t chip-et t a r t a l m a z ó 11 200 \xm teljes gate hoszszúságú eszközzel 2,5 W kimeneti teljesítményt értek el a 4,2—7,2 GHz-es s á v b a n 5,5 dB erősítés mellett a [25] irodalmi h i v a t k o z á s szerint. 0 Összefoglalva elmondhatjuk, hogy nagy sávszéles séget, valamint nagy kimeneti teljesítményt e g y ü t t e sen belső illesztésű eszközzel lehet elérni. T e h á t a g y á r t ó cégeknek t u l a j d o n k é p p e n hibrid á r a m k ö r ö k e t kell előállítaniuk igen kis m é r e t b e n és az eszköz tervezés során valójában á r a m k ö r t e r v e z é s t is kell végezniük. A belső illesztésű FET-ek mellett igen jelentős fej lődés t a p a s z t a l h a t ó a monolitikus teljesítmény erősítők t e r é n is, elsősorban az X s á v b a n .
229
FOKOZATOK KÖZÖTTI ILLESZTŐ HÁLÓZAT . FOKOZAT
l FOKOZAT
2
Dj- -\—ii—|—[^r T—° rrm
/mv
+
1
BE
KI " I
SJ 'VIRTUAL GROUND
m m ábra.
Belső
illesztésű
0
_
i
[H97l-16|
16. ábra. Kétfokozatú ellenütemű erősítő kapcsolási rajza
IH971-OI
13.
SoL-rmy
F E T helyettesítő
képe o , 2. * 6T
6
L
SZIMMETRIKUS KIMENET
.1
12 mm eszköz (32 dBm in)
50 ohm
3S
6 mm eszköz
30
(29dBm
DIFFERENCIÁL PÁR : KÉT COOum Gate
AS$ZiMETR. BEMENET
in) X
í
25
10
10.5
11
11,5
FREKVENCIA
12
CURRENT SOURCE: 900 \tm FET
MINDEN KAPACITÁS DC LEVÁLASZTÓ =10 pF
12,5
0,
, GHz H971-K
14.
ábra.
Belső illesztésű FET-tel készült Pkt (f) karakterisztikája
erősítő
ASSZ/METRIKUS BEMENET
KAPACITÁSOK
mm
-FET
H
J
• Pl —tFEUG ZIGET.
Z
Q
= 50 ohm
CHIP
MERETEK
5*
2 mmx 2,4 mm |H971-17|
IH971 - 1 5 |
15. ábra. Az Su és S22 p a r a m é t e r a gate szélesség függvényében
17. ábra.
Ma m á r rendelkezésre állnak megfelelő anyagok és fejlett technológia az illesztő hálózatok k i a l a k í t á s á r a egy hibrid á r a m k ö r ö n belül. L e h e t ő v é válik t ö b b fokozatú erősítők elkészítése igen kis m é r e t e k b e n . Csökken ezzel az á r a m k ö r súlya és nagy sorozatú g y á r t á s esetén a költségek sem h a l a d j á k meg a hagyo m á n y o s F E T erősítők g y á r t á s i költségeit. T ö b b cikk ismertet monolitikus erősítőket. Egy kétfokozatú
ellenütemű erősítő kapcsolási rajza l á t h a t ó a 16. á b rán. A bemeneti fokozat k é t 600 pjn gate szélességű tranzisztort tartalmaz. A soros induktivitások és kapacitások monolitikusán integráltak az alapleme zen, míg a sönt i n d u k t i v i t á s o k 25 p.m vastag arany szálból készültek. A kimeneti fokozat k é t 1200 (j,m gate szélességű tranzisztorral épül fel. Az erősítő 1,4 W
230
Differenciál erősítő kapcsolási geometriája
Híradástechnika
XXXVI.
rajza
és
évfolyam 1985, 5. szám
kimeneti teljesítménnyel rendelkezik 12,4 dB erő sítés mellett a 8,5—9,5 GHz-es s á v b a n . Egy monoli tikus kialakítású differenciál erősítő kapcsolási rajza, valamint az erősítő geometriája l á t h a t ó a 17. á b r á n . K é t 600 [ím gate szélességű tranzisztor differen ciálerősítőként kapcsolódik egymáshoz. A z egyik gatet leföldelték R F szempontból. í g y a m á s i k be meneti impedancia kétszerese a 600 [xm gate széles ségű F E T - é n e k . Ez előnyös a bemeneti illesztés vonat k o z á s á b a n . Az á r a m g e n e r á t o r funkciót, betöltő har madik tranzisztor gate szélessége 900 fim. Az L induktivitás p á r h u z a m o s rezgőkört képez a drainsource kapacitással és nagy i m p e d a n c i á t biztosít a differenciál erősítő s z á m á r a . A z elkészült erősítő 8,2 GHz-e 6 dB-t erősített. Kimeneti teljesítménye 100 m W volt. Az á r a m k ö r elsősorban az a k t í v k i egyenlítés a l k a l m a z á s á n a k lehetőségét mutatja. Monolitikus erősítőket ismertet a [15] irodalom is. Az egyik h á r o m a másik négy láncba kapcsolt FET-et tartalmaz. A négyfokozatú erősítő 800 m W kimenő teljesítményt p r o d u k á l t 32 dB erősítés mellett 8,7 GHz-en. A t o v á b b i ismertetés helyett t ö b b e t mond az alábbi t á b l á z a t , amely összefoglalja az 1981 márciusáig pub likált legérdekesebb monolitikus teljesítményerősítők főbb adatait [15]. 4
Monolitikus teljesítményerősítők adatai Típus
Adatok
Chip méret (mm)
Gyártó
Egyfokozatú
9,5 GHz, 0,5 W 4 dB
5 x 6,25
Baytheon
9,5 GHz, 2 W, 4 dB 9 GHz, 1,4 W 12,3 dB 8,2 GHz, 0,1 W, 5 dB 9,2 GHz, 0,4 W, 23 dB 8,9 GHz, 1 W 27 dB 5,5—11 GHz, 0,6 W, 6 dB 2—7 GHz, CG—CS—CD, 8 dB
4,75x6,13
Raytheon
2x2
TI
2x2
TI
1x4
TI
1x4
TI
2x5
Westing house Rockwell
Egyfokozatú 4 utas összegzés Kétfokozatú ellenütemű Egyfokozatú Három fokozatú Négyfokozatú Kétfokozatú Három fokozatú
—
Az adatok alapján e l m o n d h a t ó , hogy a monolitikus erősítők g y á r t á s a is — a belső illesztésű FET-ekhez hasonlóan — a jövőbe előtérben fog kerülni és vár h a t ó , hogy nemsokára t ö b b cég a j á n l a t á b a n is sze repelni fog. Jelenleg ilyen erősítőket csak egy-két cég forgalmaz ipari a l k a l m a z á s r a . K é t érdekes a l k a l m a z á s t e c h n i k a i eredménnyel sze r e t n é m z á r n i a nagyszintű alkalmazásokról szóló ismertetést. A Fujitsu cég m u n k a t á r s a i 7 GHz-es F M adó m ű k ö d é s é t i s m e r t e t t é k . A rendszer alkalmas 960 te lefoncsatornának megfelelő sávszélességű információ átvitelére. Hőmérséklet k o m p e n z á l t diszkriminátorral b i z t o s í t o t t á k az 5-10 -es frekvenciastabilitást. Az á r a m k ö r k é t fő r é s z e : a m o d u l á t o r és a telje sítményerősítő. A m o d u l á t o r nagyfrekvenciás c-szcilt l á t o r a földel drain elektródájú F E T tranzisztorból áll, amelynek gate elektródája nagy jóságú rezoná _5
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam
1985. 5. szám
torhoz csatlakozik. Ennek a r e z o n á t o r n a k egyben az is a szerepe, hogy kis szinten tartsa az F M zajt. Az üregrezonátor melléküregében helyezkedik el a modulációt létrehozó dióda. A r e z o n á t o r n a k a gate elektródához és a moduláló diódához való csatolása változtatható. A m o d u l á t o r kimenőszintje 22 d B m , a teljesít ményerősítőé 30,5 d B m . A m o d u l á t o r meredeksége 4,5 M H z / V . Az intermodulációs t o r z í t á s t a m o d u l á t o r üregrendszer beállításával o p t i m a l i z á l t á k . É r d e k e s a l k a l m a z á s a pulzus m o d u l á l t F E T üzem, amely a CW üzemnél nagyobb k i m e n ő teljesítményt e r e d m é n y e z . Természetesen ma m á r pulzus ampli t ú d ó m o d u l á l t rendszereket hírközlési célra nemigen készítenek, de speciális rendszereknél (pl. zavaró a d ó k , műszerek) a l k a l m a z h a t ó . A nagyfrekvenciás FET-et kétféleképpen lehet kapcsolgatni; vagy a gate feszültséget, vagy a drainsource feszültséget. A gate feszültség kapcsolgatásá val 20 dB kimeneti jelváltozás é r h e t ő el, m i k ö z b e n a gate feszültség egy és k b . h é t v o l t k ö z ö t t v á l t o z i k . A kapcsolási sebesség kevesebb m i n t 15 ns. P u l z á l t ü z e m b e n a drain-source feszültség jelen tősen megnövelhető, szemben a CW üzemmel. B á r a k i m e n ő teljesímény ilyen esetben nem nő lényege sen az erősítés növekszik mintegy 1,5 dB-lel, ha a drain-source feszültséget készeresére növeljük. H a a drain-source feszültséget kapcsolgatjuk a maxi mális kiemeneti teljesítmény k b . 3 d B - t növelhető. I t t figyelembe kell venni, hogy a drain á r a m n é h á n y amper is lehet és e z é r t a kapcsolási sebességet nem lehet t ú l z o t t a n megnövelni. A drain á r a m felfutása k b . 50 ns, míg a lefutása 120 ns időt vesz igénybe. A drain-source feszültség kapcsolásával MSC 88 010 tranzisztorral — ahol a gate szélesség 6 mm— 8 GHz-en a kimeneti teljesítményt 3,1 W-ra lehetett növelni, szemben a CW ü z e m ű 2,2 W - t a l . Ez esetben a drain-soruce feszültség 9 V volt, 14 V drainsource feszültség esetén t o v á b b i 1,7 dB-es j a v u l á s t lehetett elérni és a k i m e n ő teljesítmény 4,6 W-ra n ö vekedett. IRODALOM [1] Pucel, R. A., Massé, D. J., Krumm, C . F.: Nőise Performance of Gallium Arsenide FieldEffect Transistors. ( I E E E of STC. 1976 April.) [2] Cooke, H. F.: Microwave Field Effect Transis tors in 1978. (Microwave Journal 1978. April.) [3] Tserng, H. Q.: Advances in Microwave GaAs Power F E T Device and Circuit Technologies ( H t h European Microwave Conf. 1981.) [4] Fujitsu Technical Note ( I . ) Reliability data and failure modes of Fujitsu GaAs Power FETs. (Issue No. FG-002.) [5] Tucker, R. S.: Low-Noise Design of Microwave Transistor Amplifiers ( I E E E Trans. on M T T . 1975. Aug.) [6] Goel, I . , Volkstein, H.: A 4 - 8 GHz Dual-Gate MESFET Amplifier (Electronics Letters 1978. March.) [7] Furutska, T., Ogawa, M., Kawamura, N.: GaAs Dual-Gate MESFETs. ( I E E E Trans. On. E D . 1978. June.) [8] Ohm, G., Czech, J.: Dual-gate GaAs FETs for microwave variable-gain amplifiers (Electronics Industry 1980. March.) [9] Dilorenzo, J. V., Wissemann, W.: GaAs Power MESFET's, Design, Fabrication, and Perfor mance. ( I E E E Trans on M T T . 1979. May.)
231
[10] Fukuden, N., Fshiyama, N., Arai, Y . ; A 9 — 10 GHz 5 W a t t GaAs F E T Amplifier ( l l t h European Microwave Conference 1981.) [11] Sone, J., Takayama, Y . : K-Band High-Power GaAs FET Amplifiers ( I E E E Trans. on M T T . 1981. April.) [12] Sone, J., Takayama, Y.: K u - and K-Band Internally Matched High-Power GaAs F E T Amplifiers. (Electronics Letters 1979. August.) [13] Mitsui, Y. and at al. : 10 GHz 10 W Internally
Matched Flip-Chip GaAs Power FETs. ( I E E E Trans. on M T T . 1981. April.) [14] Honjó, K., Takayama, Y., Higashisaka, A.: Brod-Band Internál Matching of Microwave Power GaAs MESFET's ( I E E E Trans. on MTT. 1979. Jan.) [15] Tserng, H., Sokolov, V.: Monolitic Microwave GaAs Power F E T Amplifier (Microwave Journal 1981. March.)
