автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Влияние конструктивных особенностей ВЧ и СВЧ мощных ДМОП транзисторов на входной импеданс и коэффициент усиления по мощности

На правах рукописи

СЕМЕЙКИН Игорь Валентинович

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЧ И СВЧ МОЩНЫХ ДМОП ТРАНЗИСТОРОВ НА ВХОДНОЙ ИМПЕДАНС И КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ по мощности

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2006

Работа выполнена в Воронежском государственном университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Петров Борис Константинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Бобрешов Анатолий Михайлович;

доктор технических наук, профессор Зенин Виктор Васильевич

Ведущая организация ООО "Воронежский завод полупроводниковых

приборов - сборка", г.Воронеж

Защита состоится "30" мая 2006 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан"_" апреля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов М.И.

Л 0&6 А

сГ/И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многие годы высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) полевые транзисторы (ПТ) были маломощными приборами, однако разработчиков электронных устройств привлекал ряд их параметров, сходных с параметрами электровакуумных приборов, например высокое входное сопротивление. За последние годы, в отечественной электронной промышленности была создана обширная номенклатура мощных ПТ с изолированным затвором, по энергетическим и частотным параметрам не уступающих западным образцам.

До настоящего времени, эквивалентные схемы ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, характеризующие их работу в режиме большого переменного сигнала, не учитывали ряд особенностей приборов данного класса, таких как наличие индуктивностей выводов и зависимость входной, проходной и выходной емкости от напряжения сток-исток, которые в значительной степени, определяют коэффициент усиления по мощности транзисторов Кур. Кроме того, коэффициент усиления по мощности, как правило, измеряется в тестовых усилителях мощности, обеспечивающих работу транзистора в критическом режиме класса АВ. Поэтому, анализ эквивалентной схемы СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующей его работу в согласованном усилителе мощности, в критическом режиме класса АВ и учитывающей указанные особенности, позволит оптимизировать конструкцию транзистора для достижения максимального коэффициента усиления по

МОЩНОСТИ Кур.

Для большинства отечественных ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов отсутствует информация о входном импедансе в режиме большого сигнала. Значения входного импеданса необходимы для использования на этапе разработки радиоаппаратуры современных систем автоматизированного проектирования. Поэтому, разработка методики расчета входного импеданса ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов в режиме большого сигнала является актуальной задачей.

С ростом рабочей частоты, все более важное значение дая расчета входного импеданса, усилительных и широкополосных свойств ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов приобретают такие элементы эквивалентной схемы, как индуктивность общего вывода, входной и выходной цепей транзистора. При разработке транзисторов, содержащих внутри корпуса входное согласующее ЬС-звено, важной задачей является определение индуктивности этого звена. Значения же индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов составляют десятые и сотые доли нГн, поэтому они не могут быть измерены с необходимой точностью. К сожалению,

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

---ПЛЛО

библиотека

возможности применения современных систем электромагнитного моделирования и методик расчета индуктивностей ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов для расчета индуктивностей выводов ДМОП-транзисторов не изучены. Очевидно, насколько необходима разработка методики определения значений индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов.

Данная работа выполнялась в рамках ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации являлось уточнение эквивалентной схемы ВЧ и СВЧ мощного ДМОП-транзистора в режиме большого переменного сигнала и разработка на ее основе аналитических методов расчета входного импеданса и коэффициента усиления по мощности для оптимизации конструкции транзистора, а также разработка методик расчета индуктивностей выводов и входных внутрисогласующих цепей ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов.

Поставленная цель определяет следующие задачи:

1. Уточнить эквивалентную схему СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующую его работу в режиме большого переменного сигнала.

2. Разработать аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов на основе уточненной эквивалентной схемы.

3. Предложить методы оптимизации конструкции транзистора для реализации максимального коэффициента усиления по мощности.

4. Исследовать возможность применения методик расчета индуктивностей ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов для расчета индуктивностей выводов ДМОП-транзисторов.

5. Разработать метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора.

6. Разработать методику расчета входных внутрисогласующих цепей ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, имеющие научно-техническую новизну:

1. Уточнена эквивалентная схема СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующая его работу в режиме большого переменного сигнала, в которой для вычисления емкостей эквивалентной схемы предложено использовать значения входной Сци> проходной С2)и и выходной С22И емкостей транзистора при напряжении сток-исток равном рабочему напряжению питания и<-и=ип (Сцип, Слип. С22ип).

2. На основе уточненной эквивалентной схемы и матрицы А-параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов разработаны аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале, учитывающие проходную емкость Сзс и согласованную нагрузку. Рассчитанные зависимости коэффициента усиления по мощности от частотны Kyp=Kyp(f), напряжения питания Kyp=Kyp(Un) и выходной мощности Kyp=Kyp(Pi) совпали с экспериментальными при номинальном рабочем напряжении питания Un, частоте f0 и выходной мощности Р[ с погрешностью не более ±10 %, а при больших отклонениях от номинальных рабочих Un, fo и Pi - с погрешностью не более +20 %

3. Теоретически установлено, что для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, с ростом частоты значение коэффициента усиления по мощности убывает со скоростью F(f)=KypaE(0,5f)-KypiE(f)=6 дБ/октава в диапазоне частот f<fF (fF - значение граничной частоты), при дальнейшем увеличении частоты F(f) возрастает. Согласно расчетам, fF больше либо равно верхней рабочей частоты транзистора f0 (FF>f0).

4. Теоретически обосновано, что для повышения коэффициента усиления по мощности ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов необходимо уменьшать до технологически достижимых, минимальных значений индуктивность истока Ьи, проходную емкость С21Ип и входную емкость СПип транзистора, при этом необходимо повышать крутизну характеристики транзистора S. Определен количественный вклад каждого из этих параметров в увеличение значения Кур.

5. Теоретически доказана возможность применения для расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов аналитическою метода, основанного на вычислении магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими в входных и выходных цепях транзистора.

6. Разработан новый метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на компьютерном трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office. Результаты расчета индуктивностей выводов мощных ДМОП-транзисторов 2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А на основе электромагнитного моделирования конструкции транзистора, совпали с аналогичными данными, рассчитанными с помощью аналитического метода, основанного на вычислении соответствующих магнитных потоков, с погрешностью не более ±15 %.

7. Разработана методика автоматизированного сквозного проектирования входной внутрисогласующей цепи ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов в среде Microwave Office.

Практическая значимость. Аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на основе уточненной эквивалентной схемы и матрицы А-параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office были применены при разработке новых типов мощных ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов в ходе выполнения ОКР "Поток", "Прорыв", "Подшипник", "Пастила" в ФГУП "НИИЭТ" г. Воронеж, что подтверждается соответствующим "Актом о внедрении результатов диссертации". На основе рассчитанных значений входного импеданса и индуктивностей выводов разработаны измерительные усилители мощности и стенды для измерения энергетических параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов 2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Уточненная эквивалентная схема СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующая его работу в режиме большого переменного сигнала, в которой для вычисления емкостей эквивалентной схемы предложено использовать значения входной Спи, проходной С21И и выходной С2ги емкостей транзистора при напряжении сток-исток равном рабочему напряжению питания UCK=Un (Сцил, С21ип, С22ип)-

2. Аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, разработанные на основе уточненной эквивалентной схемы и матрицы А-параметров транзистора.

3. Для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, с ростом частоты значение коэффициента усиления по мощности убывает со скоростью F(f)=KypAB(0,5f)-KypaB(f);=6 дБ/октава в диапазоне частот f<fF (fF - значение граничной частоты), при дальнейшем увеличении частоты - F(f) возрастает. Согласно расчетам, fF больше либо равно верхней рабочей частоты транзистора fo(fF>fo).

4. Для повышения коэффициента усиления по мощности ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов необходимо уменьшать до технологически достижимых, минимальных значений индуктивность истока Lи, проходную емкость С21ип и входную емкость Спип транзистора, при этом необходимо повышать крутизну характеристики транзистора S.

5. Теоретическое обоснование возможности применения для расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов аналитического

метода, основанного на вычислении магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими в входных и выходных цепях транзистора.

6. Новый метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на компьютерном трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office.

7. Методика автоматизированного сквозного проектирования входной внутрисогласующей цепи ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов в среде Microwave Office.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: VIII, IX, XI и XII Международных научно-технических конференциях "Радиолокация. Навигация. Связь" (Воронеж, 2002, 2003, 2005, 2006); V Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика - 2005" (Москва, 2005); VIII Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, 2002), научной конференции молодых специалистов "Пульсар-2005" (Москва, 2005).

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 15 работ, в том числе 6 статей и 9 материалов докладов на научно-технических конференциях. В совместных работах [1, 2, 3, 4, 5, 12, 13, 15] автору диссертации принадлежат вывод формул для расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса, разработка методики расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов и проведение экспериментальных исследований энергетических параметров транзисторов. В работах [6, 7, 8, 9, 10, 11, 14] автору диссертации принадлежат разработка стендов измерения энергетических и электрических параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов и проведение экспериментальных исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 77 наименований. Объем диссертации составляет 167 страниц, включая 63 рисунка и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель и поставлены задачи исследования, показана научная новизна полученных результатов и их практическая и научная значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, личном вкладе автора, структуре и объеме диссертации.

В первой главе представлен обзор по теме диссертации. Подробно рассмотрены конструкции и особенности физических основ работы мощных ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов, их модели и соответствующие эквивалентные схемы, описывающие работу транзистора в режиме большого переменного сигнала. Показано, что описанные в литературе, эквивалентные схемы ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов не учитывают ряд особенностей их работы в режиме большого переменного сигнала и(или) излишне усложнены параметрами, значения которых невозможно измерить, что затрудняло анализ работы транзистора и оптимизацию его конструкции.

Во второй главе представлена уточненная эквивалентная схема ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов с рабочим диапазоном частот до 1500 МГц, характеризующая работу транзистора в оптимально согласованном усилителе мощности в критическом режиме класса АВ. В предложенной схеме (рис. 1), в отличие от других эквивалентных схем, учтены индуктивности всех выводов транзистора: затвора Ь3, истока Ьи, стока Ьс и омические сопротивления Г), ги, и гс, что важно при определении входного импеданса транзистора на большом сигнале.

Рис. 1. Уточненная эквивалентная схема СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора с общим истоком на большом сигнале

Кроме того, впервые для расчета значений емкостей эквивалентной схемы транзистора Ск(ип), Сзс(ип), Сс(ип) предложено использовать значения входной Спи, проходной С2ш и выходной С22И емкостей при напряжении сток-исток равном рабочему напряжению питания транзистора и<;и=ип (входная Спи, проходная Сгш и выходная С2ги емкости нелинейны относительно напряжения сток-исток иСи, причем, абсолютные их значения изменяются более чем в 2 раза в рабочем диапазоне значений напряжения сток-исток). На основе уточненной эквивалентной схемы и соответствующих методик определения значений всех элементов этой схемы, разработан аналитический метод расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на

О

О

О

7112

большом сигнале ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов. Для современных ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов омические сопротивления ГъГк,Ги<0.2 Ом, 1+В*=(2^3), Сс/Ск=1, в результате получены следующие выражения для расчета входного импеданса и коэффициент усиления по мощности транзистора, учитывающие проходную емкость Сзс и наличие согласованной нагрузки:

<1>

К у,. Х „ , Г,.ЧГ > (3)

где Л'^а + ^У.ОТЛ

аЬеоС,. а)ЬсоСг

+ 1

- величина, учитывающая

1 -соЬпаСс

обратную связь через проходную емкость затвор-сток Сзс-

Разработан также аналитический метод расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов на основе матрицы А-параметров и уточненной эквивалентной схемы (рис. 1). Получены выражения для расчета А-параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов:

(Эгтх^ -гдл^+г^+с^-гдл^-Ж^+^Г (4)

12 ^(¿'М^ЛГ.Л^-г.) -(6) л _ (х^-гвс+5у, (в)х%гк-гх х^+г„)

л22 _ гЕС(8Г1{в)х%хж-гк) • (7)

Коэффициент усиления по мощности и входной импеданс СВЧ(ВЧ) мощного ДМОП-транзистора вычисляется на основе рассчитанных значения А-параметров и импеданса нагрузки Ъ^г-

_ Ап2нг + Ап (о) » _ л 7 + А '

К„ = \к,\> _ где К, =-(9)

Яе(2вх) + ^22

Полученные выражения (1) - (9), позволяют уточнить частотные свойства

ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов. Коэффициент усиления по мощности с ростом

частоты убывает со скоростью Р(Л=КуРдБ(0,5{)-КурЛБ(0=6 дБ/октава при

обратно-пропорциональной зависимости КуР от квадрата частоты, т. е. при Кур~1//2. Согласно (3), значение параметра В', учитывающего емкость обратной связи Сзс, с ростом частоты увеличивается. Учитывая, что Кур~ 1 /(/"2 • Я'), с ростом частоты скорость уменьшения коэффициента усиления по мощности будет увеличиваться. Это подтверждается расчетами по предложенному методу, на основе матрицы А-параметров транзистора. Рассчитанная зависимость Р(Г) для СВЧ мощного ДМОП-транзистора 2П977А приведена на рис. 2г.

а)

К\р рач

в)

10! Кур, раз

1 |~150Вт - /и=28В -

*

]

600

г) 30 25

Р. дБ'

1---1—

Р-150Вт - 1М=2ИВ

9) 100 200 чбо 400 500 600 700 800 900 £ МГц

Рис. 2. Экспериментальные (—) и теоретические (—) зависимости для транзистора 2П977А: а) КУР=КУР(0, б) КУР=КУР(ип)> в) Кур=Кур(Р,), г) Р=Р(0

Согласно рис. 2г, Кур с ростом частоты уменьшается со скоростью Р^^ дБ/октава, до частоты £р=500 МГц, далее Р(0 возрастает. Диапазон частот Мр, для которых функция Р(1Г) принимает значения Р(1)=6 дБ/октава, определяется соотношением значений реактивных элементов эквивалентной схемы Ск, Сзс и Ьи (рис. 1), оказывающих наибольшее влияние на значение коэффициента усиления по мощности транзистора. Согласно расчетам, для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов 2П977А(^=500 МГц, Р,=150 Вт), 2П978А(Г0=500 МГц, Р,=5 Вт), 2П819А(^,=230 МГц, Р,=300 Вт) и 2П979А(Г0=230 МГц, Рг=60 Вт) ГР>Г0 (й - верхняя рабочая частота транзистора).

Полученные выражения (1) — (9), впервые позволяют количественно оценить зависимость коэффициента усиления по мощности от значения проходной емкости СзС=С2ш ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов. Согласно расчетам, для повышения коэффициента усиления по мощности ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов необходимо уменьшать до технологически достижимых, минимальных значений индуктивность истока Ьи, проходную емкость Слип и входную емкость Спил транзистора, при этом необходимо

повышать крутизну характеристики в, наиболее эффективный способ повысить Кур транзистора это уменьшение индуктивности истока Ьи. Кроме того, на основе предложенных методов расчета, определен вклад каждого из этих параметров в увеличение коэффициента усиления по мощности (таблица 1).

Таблица 1

Влияние изменения значений параметров СВЧ ДМОП-транзистора _(2П977А) на Кур__

Изменяемый параметр Ьи Сгш Сци Б

Характер изменения параметра -20 % -20 % -20 % +20 %

Изменение Кур +36 % +13 % +22 % +16 %

В третьей главе исследована возможность применения для расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов аналитического метода, основанного на вычислении магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими в входных и выходных цепях транзистора (Петров Б. К.,

Булгаков О. М. 1993 г.). ЭДС индукции с„,, наведенная при протекании первой

гармоники тока затвора/,, по контуру входной цепи транзистора (рис. 3),

определяется из выражения:

=и„>е'а = ~(Фхе"*) = ;соФхе'ш, (10)

ш

где ит— комплексная амплитуда первой гармоники падения напряжения за

счет наведенной ЭДС индукции во входной цепи транзистора, г« и Ф1-комплексные амплитуды первых гармоник ЭДС и магнитного потока.

За счет наведения ЭДС индукции при протекании входного тока транзистора по системе внутрикорпусных соединений, возникает составляющая входного импеданса транзистора:

2ВХ=]—= (11) Л|

где Ь1=Ь)+ЬИ - индуктивность входной цепи, равная сумме индуктивностей затвора и истока, гВх - полное сопротивление потерь за счет взаимной индукции.

Таким образом, вычисление индуктивностей выводов транзистора основано на расчете Ф.. Входной ток транзистора /31 протекает по М„=2Ы параллельно включенным контурам АВ,С1(01Ь8)||(Р1К5) и АВ,С1(С1Ь'8)||(Р1К'8) (рис. 3). Ввиду параллельного соединения входных контуров, ЭДС индукции,

наведенные в этих контурах, равны между собой и равны полной ЭДС индукции во входной цепи.

СсОГ-12 [

Ссог/п

Рис. 3. Конструкция одного "плеча" балансного ДМОП-транзистора 2П977А

Из этого следует, что вычисление Ф, для последующего нахождения Ь3 и Ьи может быть заменено более простой задачей вычисления магнитного потока

Фи в некотором к-ом контуре, ток которого наиболее близок к среднему значению входного тока:

£ +£ 5 =Ке

N.

Фиг

N131

= Ие

Фш

(12)

Для вычисления Фи достаточно рассматривать один из контуров АВ,С,(0,Ь5)!|(Р]К8). Формулы для расчета магнитного потока в плоском контуре получены путем интегрирования выражения для магнитной индукции от прямоугольного проводника по закону Био-Савара-Лапласа. Магнитный поток в контуре будет равен сумме потоков от отдельных участков. Например,

2^Фш,(АВ^СкК5.АВ,)- амплитуда первых гармоник магнитных потоков в

<=|

площади контура АВ|С|(С1,1.Я)|!(Р,К8), обусловленных первыми гармониками токов затвора /л, в затворной металлизации кристаллодержателя АВ,. Индуктивность затвора Ь3 определяется магнитным потоком Фл,

обусловленным токами, протекающими по участкам затвора (АВ„ В,С,), Ьи

определяется Ф /п, обусловленным токами, протекающими по участкам истока (C,F„ C,G„ FjK, GjL, FjK', GjL').

Индуктивность стока Lc рассчитана на основе формулы для магнитного потока, создаваемого в прямоугольном контуре током, протекающим по ограничивающему контур проводнику прямоугольного сечения.

Не смотря на то, что полученные выражения основаны только на линейных операторах, они довольно сложны для инженерных расчетов. Поэтому, для применения данного метода в инженерной практике требуется разработка соответствующих вычислительных программ.

Разработан новый метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов основанный на компьютерном, трехмерном, электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office (MWO). Решение электродинамической задачи в MWO основано на решении уравнений Максвелла для высокочастотных полей, сформулированных для трехмерного устройства, находящегося в прямоугольном корпусе, заполненном планарными кусочно-ломанными слоистыми средами.

Разработана трехмерная, электромагнитная модель конструкции СВЧ мощного ДМОП-транзистора 2П977А в среде Microwave Office (рис. 4).

Рис. 4. Трехмерная электромагнитная модель СВЧ ДМОП-транзистора 2П977А

в среде Microwave Office Расчет индуктивностей проводников в Microwave Office основывается на

я

вычислении потока вектора Пойтинга П, через поверхность проводника. Далее, индуктивность проводника находится из равенства:

EH

dS

Z = R + jcoL -

(13)

где

EH

п - комплексный вектор Пойтинга, / - ток в проводнике.

Рассчитанные по двум предложенным методикам значения индуктивностей выводов СВЧ ДМОП-транзистора 2П977А приведены в таблице 2.

Используя возможность быстрого и удобного расчета индуктивностей отдельных монтажно-соединительных элементов конструкции транзистора с помощью электромагнитного моделирования в среде Microwave Office, разработана методика автоматизированного сквозного проектирования входных внутрисогласующих LC-цепей ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов. В результате, определяются значения емкости МДП-конденсатора и длина проволочных монтажно-соединительных проводников LC-цепи.

В четвертой главе рассчитаны значения индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов 2П978А, 2П819А, 2П979А по методу, основанном на вычислении магнитных потоков в контурах (таблица 2).

Разработаны трехмерные электромагнитные модели конструкции транзисторов 2П978А, 2П819А, 2П979А в среде Microwave Office. Результаты расчетов индуктивностей выводов на основе электромагнитного моделирования приведены в таблице 2.

Таблица 2

Рассчитанные значения индуктивностей выводов исследуемых ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов

Транзистор 2П977А (балансный) 2П978А (однотактный) 2П819А (балансный) 2П979А (однотактный)

Метод, основанный на расчете магнитных потоков

Ьз, нГн 0,64 1,00 0,71 0,93

Ьи, нГн 0,17 0,28 0,19 0,30

Lc, нГн 0,23 0,62 0,53 0,24

Метод, основанный на трехмерном электромагнитном моделировании в среде Microwave Office

L3, нГн 0,73 1,13 0,63 1,05

LH, нГн 0,19 0,32 0,22 0,34

Lc, нГн 0,23 0,58 0,60 0,22

На основе проведенных расчетов и соответствующих результатов (таблица 2) сделаны следующие выводы:

• результаты аналитического метода расчета индуктивностей выводов и расчетов, с помощью трехмерного электромагнитного моделирования, совпали с погрешностью не более 15%;

• транзисторам с большей выходной мощностью соответствуют меньшие значения индуктивностей выводов;

• основной вклад в значение индуктивности вывода вносят проволочные проводники, до 80 %;

• увеличение коэффициента усиления по мощности транзистора КУР за счет увеличения количества параллельно включенных истоковых проволочных проводников наиболее эффективно для транзисторов со сравнительно небольшой выходной мощностью Р\<60 Вт.

На основе рассчитанных значений входного импеданса и индуктивностей выводов, с помощью системы Microwave Office, разработаны измерительные усилители мощности для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов 2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А.

Разработаны стенды для измерения энергетических параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов 2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А, с помощью которых, получены экспериментальные зависимости коэффициента усиления по мощности от частоты Kyp=Kyp(f), напряжения питания Kyp=Kyp(Un) и выходной мощности Кур=Кур(Р]). С помощью предложенного метода, на основе уточненной эквивалентной схемы и матрицы А-параметров, рассчитаны зависимости Kyp=Kyp(f), Kyp=Kyp(Un) и Kyp=Kyp(Pi) для транзисторов 2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А. На рис. 2а,б,в представлены измеренные и рассчитанные зависимости Кур для транзистора 2П977А.

Рассчитанные и измеренные значения зависимостей Kyp=Kyp(f)> Кур=Кур(Р,) и Kyp=Kyp(Un) (для четырех типов транзисторов) совпали с погрешностью не более ±10% в области рабочих значений fb, Pi, и Un, при больших изменениях значений f, Pi и Un от рабочих значений, наблюдались расхождения значений КУР до ±20%. Указанные расхождения измеренных и рассчитанных значений объясняются невозможностью оптимального согласования транзистора с измерительным усилителем для всех значений изменяемого параметра f, Р, и Un, что подразумевается предложенными методами расчета.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Уточнена эквивалентная схема СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующая его работу в режиме большого переменного сигнала, в которой учтено влияние индуктивности затвора L3, стока Lc и истока Ьи. Для вычисления емкостей эквивалентной схемы предложено использовать значения входной Сци. проходной С2ш и выходной С22и емкостей транзистора

при напряжении сток-исток равном рабочему напряжению питания UcH=Un (С, 1И1Ь С21ИП> 0>2ш)-

2. На основе уточненной эквивалентной схемы и матрицы А-параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов разработаны аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале, учитывающие проходную емкость Сзс и согласованную нагрузку.

3. Теоретически установлено, что для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, с ростом частоты значение коэффициента усиления по мощности убывает со скоростью F(f)^KypflE(0,5f)-KypaE(f)^6 дБ/октава в диапазоне частот f<fF (fF - значение граничной частоты), при дальнейшем увеличении частоты -F(f) возрастает. Согласно расчетам для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов 2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А, ft больше либо равно верхней рабочей частоты транзистора f0 (fF>fo).

4. Теоретически обосновано, что для повышения коэффициента усиления по мощности ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов необходимо уменьшать до технологически достижимых, минимальных значений индуктивность истока Ьи, проходную емкость С21Ип и входную емкость Спил транзистора, при этом необходимо повышать крутизну характеристики транзистора S. Определен количественный вклад каждого из этих параметров в увеличение значения Кур.

5. Теоретически доказана возможность применения для расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов аналитического метода, основанного на вычислении магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими в входных и выходных цепях транзистора.

6. Разработан новый метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на компьютерном трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office. Результаты расчета индуктивностей выводов мощных ДМОП-транзисторов 2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А на основе электромагнитного моделирования конструкции транзистора совпали с аналогичными данными, рассчитанными с помощью аналитического метода, основанного на вычислении соответствующих магнитных потоков, с погрешностью не более ±15%.

7 Разработана методика автоматизированного сквозного проектирования входной внутрисогласующей цепи ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов в среде Microwave Office.

8. Аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный

на компьютерном трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office, предложенные методы оптимизации конструкции транзистора, были применены при разработке новых типов мощных ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов в ходе выполнения ОКР "Поток", "Прорыв", "Подшипник", "Пастила" в ФГУП "НИИЭТ" г. Воронеж.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Семейкин И. В., Кожевников В. А., Петров Б. К. Модель мощного полевого СВЧ транзистора на большом сигнале// Электроника и информатика -2005: Материалы докладов 5-й Междунар. науч.-техн. конф. -Москва. -2005. -С. 202-203.

2. Семейкин И. В., Викин Г. А., Булгаков О. М., Петров Б. К. Расчет коэффициента усиления по мощности МОП-СВЧ транзистора на основе малосигнальных параметров// Вестник Воронежского института МВД России, 2(21) 2005. -Воронеж. -2005 -С. 125-129.

3. Семейкин И. В., Петров Б. К., ВикинГ. А. Расчет энергетических параметров мощных ДМОП-СВЧ транзисторов с вертикальной структурой// Твердотельная электроника и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ. -2005. -С. 135-140.

4. Семейкин И. В., Петров Б. К., Викин Г. А., Асессоров В. В. Модель мощного транзистора на основе малосигнальных параметров// Петербургский журнал электроники, 3 (44) 2005. -Санкт-Петербург. -С. 96-101.

5. Семейкин И. В., Асессоров В. В., Кожевников В. А. Модель СВЧ мощного МОП транзистора в режиме большого сигнала// Пульсар-2005: Материалы докладов научной конференции молодых специалистов. -ФГУП НПП "Пульсар". -Москва. -2005. -С. 31-32.

6. Петров Б. К., Меньшиков П. А., Семейкин И. В. и др. Исследование емкостей мощных СВЧ МОП транзисторов// Радиолокация, навигация, связь: Труды 9-й Междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж. -2003. -С. 528-535.

7. Петров Б. К., Меньшиков П. А., Семейкин И. В. и др. Исследование нелинейных емкостей в мощных СВЧ МОП-транзисторах// Вестник Воронеж, гос. ун-та Сер. "Физика, математика". -2004. -№2. -С. 45-50.

8. Асессоров В. В., Петров Б. К., Семейкин И. В. и др. Установка для измерения крутизны характеристики мощных СВЧ полевых транзисторов// Радиолокация, навигация, связь: Труды 9-й Междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж. -2003. -С. 549-554.

9. Асессоров В. В., Кожевников В. А., Семейкин И. В. и др. Исследование и разработка высокоэффективных структур МДП-транзисторов для генераторных усилителей мощности в диапазоне до 500МГц// Актуальные

проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Труды 8-й Междунар. науч.-тех. конф. -Дивноморское. -2002. -Ч. 2. -С. 95-97.

10. Асессоров В. В., Кожевников В. А., Семейкин И. В. и др. Разработка и исследование энергетических параметров СВЧ ДМДП-транзисторов с выходной мощностью 5 Вт в диапазоне до 500МГц// Радиолокация, навигация, связь: Труды 8-й Междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж. -2002. -С. 2061-2068.

П.Петров Б. К., Булгаков О. М., Семейкин И. В. Методики расчета индуктивностей мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов// Вестник Воронеж, гос. ун-та. Сер. "Физика, математика". -Воронеж. -2005. -№1. -С. 93-100.

12.Семейкин И. В., Петров Б. К., Асессоров В. В. и др. Расчет индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных МОП-транзисторов// Радиолокация, навигация, связь: Труды 12-й Междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж. -2006. -С. 491-495.

13.Семейкин И. В., Асессоров В. В., Кожевников В. А. и др. Моделирование конструктивных элементов СВЧ МОП транзистора в среде Microwave Office// Радиолокация, навигация, связь: Труды 11-й Междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж. -2005. -С. 479-484.

14. Асессоров В. В., Кожевников В. А., Семейкин И. В. и др. Разработка и исследование параметров мощных СВЧ ДМДП-транзисторов с выходной мощностью 300 Вт для применения в метровом диапазоне волн// Радиолокация, навигация, связь: Труды 9-й Междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж. -2003. -С. 543-548.

15.Асессоров В. В., Кожевников В. А., Семейкин И. В. и др. Исследование зависимости коэффициента усиления по мощности в МОП-СВЧ транзисторах от ёмкости обратной связи// Твердотельная электроника и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ. -2003. -С. 92-97.

Подписано в печать 21.04.2006.

Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л.1,0. Тираж 90 экз. Заказ № /3?

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14

; - 8 141

i

• ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПАРАМЕТРЫ БОЛЬШОГО СИГНАЛА И МАЛОСИГНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЧ И СВЧ МОЩНЫХ ДМОП-ТРАНЗИСТОРОВ.

1.1. Конструкции и физические особенности работы мощных ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов.

1.2. Система энергетических параметров ДМОП ВЧ и СВЧ транзисторов и их малосигнальные эквивалентные схемы.

1.3. Модели ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов в режиме большого сигнала.

1.4. Параметры большого сигнала Pi, КУР, г|С ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов и их связь с малосигнальными параметрами.

1.5. Методики расчета индуктивностей выводов и входных внутрисогласующих цепей мощных ВЧ и СВЧ транзисторов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО МОЩНОСТИ И ВХОДНОГО ИМПЕДАНСА ВЧ И СВЧ МОЩНЫХ ДМОП-• ТРАНЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ УТОЧНЕННОЙ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ.

2.1. Уточненные параметры и эквивалентная схема мощных ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов на большом сигнале.

2.2. Матрица А-параметров ВЧ и СВЧ мощнах ДМОП-транзисторов. кР 2.3. Методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале СВЧ (ВЧ) мощных ДМОП-транзисторов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ИНДУКТИВНОСТЕЙ ВЫВОДОВ И

ВХОДНЫХ ВНУТРИСОГЛАСУЮЩИХ ЦЕПЕЙ МОЩНЫХ ВЧ И СВЧ

ДМОП-ТРАНЗИСТОРОВ.

3.1. Аналитический метод расчета индуктивностей выводов мощных ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов.

3.2. Метод расчета индуктивностей выводов мощных ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов, основанный на трехмерном электромагнитном моделировании в среде Microwave Office.

3.3. Метод расчета входных внутрисогласующих LC-цепей мощных ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторо.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ КОРПУСА НА КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО МОЩНОСТИ И ИНДУКТИВНОСТИ

ВЫВОДОВ ВЧ И СВЧ МОЩНЫХ ДМОП-ТРАНЗИСТОРОВ.

4.1. Расчет индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов разных конструкций.

4.2. Методика измерения энергетических параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов и сравнительный анализ экспериментальных и рассчитанных значений.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

Актуальность темы

Многие годы высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) полевые транзисторы (ПТ) были маломощными приборами, однако разработчиков электронных устройств привлекал ряд их параметров, сходных с параметрами электровакуумных приборов, например высокое входное сопротивление. За последние годы, в отечественной электронной промышленности была создана обширная номенклатура мощных ПТ с изолированным затвором, по энергетическим и частотным параметрам не уступающих западным образцам.

До настоящего времени, эквивалентные схемы ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, характеризующие их работу в режиме большого переменного сигнала, не учитывали ряд особенностей приборов данного класса, таких как наличие индуктивностей выводов и зависимость входной, проходной и выходной емкости от напряжения сток-исток, которые в значительной степени, определяют коэффициент усиления по мощности транзисторов КуР. Кроме того, коэффициент усиления по мощности, как правило, измеряется в тестовых усилителях мощности, обеспечивающих работу транзистора в критическом режиме класса АВ. Поэтому, анализ эквивалентной схемы СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующей его работу в согласованном усилителе мощности, в критическом режиме класса АВ и учитывающей указанные особенности, позволит оптимизировать конструкцию транзистора для достижения максимального коэффициента усиления по мощности Кур.

Для большинства отечественных ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов отсутствует информация о входном импедансе в режиме большого сигнала. Значения входного импеданса необходимы для использования на этапе разработки радиоаппаратуры современных систем автоматизированного проектирования. Поэтому, разработка методики расчета входного импеданса ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов в режиме большого сигнала является актуальной задачей.

С ростом рабочей частоты, все более важное значение для расчета входного импеданса, усилительных и широкополосных свойств ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов приобретают такие элементы эквивалентной схемы, как индуктивность общего вывода, входной и выходной цепей транзистора. При разработке транзисторов, содержащих внутри корпуса входное согласующее LC-звено, важной задачей является определение индуктивности этого звена. Значения же индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов составляют десятые и сотые доли нГн, поэтому они не могут быть измерены с необходимой точностью. К сожалению, возможности применения современных систем электромагнитного моделирования и методик расчета индуктивностей ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов для расчета индуктивностей выводов ДМОП-транзисторов не изучены. Очевидно, насколько необходима разработка методики определения значений индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов.

Данная работа выполнялась в рамках ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета.

Цель и задачи работы

Целью настоящей диссертации являлось уточнение эквивалентной схемы ВЧ и СВЧ мощного ДМОП-транзистора в режиме большого переменного сигнала и разработка на ее основе аналитических методов расчета входного импеданса и коэффициента усиления по мощности для оптимизации конструкции транзистора, а также разработка методик расчета индуктивностей выводов и входных внутрисогласующих цепей ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов.

Поставленная цель определяет следующие задачи:

1. Уточнить эквивалентную схему СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующую его работу в режиме большого переменного сигнала.

2. Разработать аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов на основе уточненной эквивалентной схемы.

3. Предложить методы оптимизации конструкции транзистора для реализации максимального коэффициента усиления по мощности.

4. Исследовать возможность применения методик расчета индуктивностей ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов для расчета индуктивностей выводов ДМОП-транзисторов.

5. Разработать метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора.

6. Разработать методику расчета входных внутрисогласующих цепей ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов.

Научная новизна

В диссертации получены следующие результаты, имеющие научно-техническую новизну:

1. Уточнена эквивалентная схема СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующая его работу в режиме большого переменного сигнала, в которой для вычисления емкостей эквивалентной схемы предложено использовать значения входной Спи, проходной С2\и и выходной С22И емкостей транзистора при напряжении сток-исток равном рабочему напряжению питания UCH=Un (Спип, С2шп, Сггип)

2. На основе уточненной эквивалентной схемы и матрицы А-параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов разработаны аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале, учитывающие проходную емкость Сзс и согласованную нагрузку. Рассчитанные зависимости коэффициента усиления по мощности от частотны Kyp=Kyp(f), напряжения питания Kyp=Kyp(Un) и выходной мощности Kyp=Kyp(Pi) совпали с экспериментальными при номинальном рабочем напряжении питания Un, частоте f0 и выходной мощности Pj с погрешностью не более ±10 %, а при больших отклонениях от номинальных рабочих Un, fo и Pi - с погрешностью не более ±20 %

3. Теоретически установлено, что для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, с ростом частоты значение коэффициента усиления по мощности убывает со скоростью Р(^=КурдБ(0,5^-КурдБ(^~6 дБ/октава в диапазоне частот f<fF (fF - значение граничной частоты), при дальнейшем увеличении частоты - F(f) возрастает. Согласно расчетам, fF больше либо равно верхней рабочей частоты транзистора fo (fp>fo).

4. Теоретически обосновано, что для повышения коэффициента усиления по мощности ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов необходимо уменьшать до технологически достижимых минимальных значений индуктивность истока Ьи, проходную емкость Сгшп и входную емкость Сцип транзистора, при этом необходимо повышать крутизну характеристики транзистора S. Определен количественный вклад каждого из этих параметров в увеличение значения КУР.

5. Теоретически доказана возможность применения для расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов аналитического метода, основанного на вычислении магнитных потоков, создаваемых токами протекающими в входных и выходных цепях транзистора.

6. Разработан новый метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на компьютерном трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office. Результаты расчета индуктивностей выводов мощных ДМОП-транзисторов 2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А на основе электромагнитного моделирования конструкции транзистора совпали с аналогичными данными, рассчитанными с помощью аналитического метода, основанного на вычислении соответствующих магнитных потоков, с погрешностью не более ±15 %.

7. Разработана методика автоматизированного сквозного проектирования входной внутрисогласующей цепи ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов в среде Microwave Office.

Практическая значимость

Аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на основе уточненной эквивалентной схемы и матрицы А-параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов; метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов основанный на трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office были применены при разработке новых типов мощных ВЧ и СВЧ МОП-транзисторов в ходе выполнения ОКР "Поток", "Прорыв", "Подшипник", "Пастила" в ФГУП "НИИЭТ" г. Воронеж, что подтверждается соответствующим "Актом о внедрении результатов диссертации". На основе рассчитанных значений входного импеданса и индуктивностей выводов разработаны измерительные усилители мощности и стенды для измерения энергетических параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов 2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Уточненная эквивалентная схема СВЧ (ВЧ) мощного ДМОП-транзистора, характеризующая его работу в режиме большого переменного сигнала, в которой для вычисления емкостей эквивалентной схемы предложено использовать значения входной Спи, проходной Сгш и выходной С22И емкостей транзистора при напряжении сток-исток равном рабочему напряжению питания UcH=Un (Сцип, Сгшп» Сггип)

2. Аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, разработанные на основе уточненной эквивалентной схемы и матрицы А-параметров транзистора.

3. Для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, с ростом частоты значение коэффициента усиления по мощности убывает со скоростью Р(1}=КурдБ(0,50-КурдБ(1}~6 дБ/октава в диапазоне частот f<fF (fF - значение граничной частоты), при дальнейшем увеличении частоты - F(f) возрастает. Согласно расчетам, fF больше либо равно верхней рабочей частоты транзистора f0 (fF>fo).

4. Для повышения коэффициента усиления по мощности ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов необходимо уменьшать до технологически достижимых минимальных значений индуктивность истока Ьи, проходную емкость Сгшп и входную емкость Сцип транзистора, при этом необходимо повышать крутизну характеристики транзистора S.

5. Теоретическое обоснование возможности применения для расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов аналитического метода, основанного на вычислении магнитных потоков, создаваемых токами протекающими в входных и выходных цепях транзистора.

6. Новый метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, основанный на компьютерном трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office.

7. Методика автоматизированного сквозного проектирования входной внутрисогласующей цепи ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов в среде Microwave Office.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: VIII, IX, XI и XII Международных научно-технических конференциях "Радиолокация. Навигация. Связь" (Воронеж, 2002, 2003, 2005, 2006); V Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика - 2005" (Москва, 2005); VIII международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, 2002), научной конференции молодых специалистов "Пульсар-2005" (Москва, 2005).

Публикации

По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 15 работ, в том числе 6 статей и 9 материалов докладов на научно-технических конференциях. В совместных работах [1, 2, 3, 4, 5, 12, 13, 15] автору диссертации принадлежат вывод формул для расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса, разработка методики расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов и проведение экспериментальных исследований энергетических параметров транзисторов. В работах [6, 7, 8, 9, 10, 11, 14] автору диссертации принадлежат разработка стендов измерения энергетических и электрических параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов и проведение экспериментальных исследований.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 77 наименований. Объем диссертации составляет 167 страниц, включая 63 рисунка и 12 таблиц.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. Уточнена эквивалентная схема ВЧ И СВЧ мощного ДМОП-транзисторов, характеризующая его работу в режиме большого переменного сигнала, в которой учтено влияние индуктивности затвора L3, стока Lc и истока Ьи. Для вычисления емкостей эквивалентной схемы предложено использовать значения входной Сци, проходной Сгш и выходной С22И емкостей транзистора при напряжении сток-исток равном рабочему напряжению питания Ucn=Un (Сцип> Сгшгъ Сггип)

2. На основе уточненной эквивалентной схемы разработаны аналитические методы расчета коэффициента усиления по мощности и входного импеданса на большом сигнале ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов. Измеренные значения коэффициента усиления по мощности ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, совпадают с рассчитанными по методу на основе А-параметров транзистора, с погрешностью не более ±10 %, а при использовании метода на основе анализа эквивалентной схемы транзистора— ±15%.

3. Теоретически установлено, что для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов, с ростом частоты коэффициента усиления по мощности убывает со скоростью F-6 дБ/октава в диапазоне частот f<fp, при дальнейшем увеличении частоты - F(f) возрастает. Согласно расчетам, для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов (2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А), fF больше либо равно верхней рабочей частоты транзистора f0 (fF>fo).

4. Теоретически обосновано, что для повышения коэффициента усиления по мощности ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов необходимо уменьшать до технологически достижимых минимальных значений индуктивность истока Ьи, проходную емкость Сгшп и входную емкость СцИп транзистора, при этом необходимо повышать крутизну характеристики транзистора S. Определен количественный вклад каждого из этих параметров в увеличение значения КУР.

5. Теоретически доказана возможность применения для расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ ДМОП-транзисторов аналитического метода, основанного на вычислении магнитных потоков создаваемых токами протекающими в входных и выходных цепях транзистора.

6. Разработан новый метод расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов основанный на компьютерном трехмерном электромагнитном моделировании конструкции транзистора в среде Microwave Office.

7. Результаты аналитического расчета индуктивностей выводов ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов разной конструкции (2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А), основанного на вычислении магнитных потоков создаваемых токами протекающими в входных и выходных цепях транзистора и расчетов, с помощью трехмерного электромагнитного моделирования, совпали с точностью не хуже ±15 %.

8. Разработана методика автоматизированного сквозного проектирования входной внутрисогласующей цепи ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов в среде Microwave Office.

9. На основе рассчитанных значений входного импеданса и индуктивностей выводов разработаны измерительные усилителей мощности для ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов разной конструкции (2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А).

10. Разработаны стенды для измерения энергетических параметров ВЧ и СВЧ мощных ДМОП-транзисторов разной конструкции (2П977А, 2П978А, 2П819А и 2П979А). Измеренные с помощью этих стендов зависимости коэффициента усиления по мощности от частотны KyP=KyP(f), напряжения питания KyP=KyP(Un) и выходной мощности KyP=KyP(Pi) совпали с теоретически рассчитанными при номинальном рабочем напряжении питания Un, частоте fo и выходной мощности Pj с погрешностью не ±10%, а при больших отклонениях от номинальных рабочих Un, fo и погрешностью не более ±20 %. более Р, - с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Дьяконов В. П. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах/ Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. -М.-.СОЛОН-Р. -2002. -512 е., ил.

2. Mechanical data. Document number 2597. D1009UK Metal gate RF silicon FET/ -Semelab pic. -1999. -6 p.

3. PTF 10020 125 Watts, 860-960 MHz GOLDMOS™ field effect transistor/ -Ericsson Microelectronics RF Power Products, Morgan Hill, CA 95037 USA.-1998.-6 p.

4. Product specification. VHF push-pull power MOS transistor BLF368/ -Philips Semiconductors. -September 1997. -12 p.

5. Зи. С. Физика полупроводниковых приборов./ Зи. С. -М.: Мир. -1984. -456 с.

6. Бачурин. В. В. Мощные МДП-транзисторы и их применение в радиоэлектронных схемах./ В. В. Бачурин, А. К. Бельков, А. И. Пыхтунова.// -М.: ЦНИИ "Электроника". -1980., -68 с. (Обзоры по электронной технике. Сер. 2. Полупроводниковые приборы; Вып. 1).

7. Бачурин. В. В. Мощные МДП-транзисторы и их применение в радиоэлектронных схемах./ В. В. Бачурин, А. К. Бельков, В. П. Дьяконов.// -М.: ЦНИИ "Электроника". -1981. -Ч. 2. -60 с. (Обзоры по электронной технике. Сер. 2. Полупроводниковые приборы; Вып. 7).

8. Сопов. О. В. Мощные ВЧ и СВЧ МДП-транзисторы импульсные приборы наносекундного диапазона/ О. В. Сопов, В. В. Бачурин, В. П. Дьяконов и др.// Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. -1978. -Вып. 5, 6. -С. 103—116.

9. Бачурин. В. В. Исследование динамических параметров мощных МДП-транзисторов/ В. В. Бачурин, В. П. Дьяконов, Т. А. Самойлова,

10. О. А. Фролков.// Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. -1983. -Вып. 5. -С. 43-52.

11. Ю.Бачурин В. В. Мощный ВЧ полевой транзистор с изолированным затвором КП902./ Бачурин В. В., Никонов А. С, Садовская Е. А., Сопов О. В.// Электронная промышленность. -1975. —№ 4. -С. 86—88.

12. Бачурин В. В. Мощный высокочастотный МДП-транзистор КП904./ Бачурин В. В., Дьяконов В. П., Сопов О. В.// Электронная промышленность. -1979. —№ 5. -С. 9—10.

13. Бачурин В. В. Мощный кремниевый МДП-транзистор КП908./ Бачурин В. В., Бычков С. С, Дьяконов В. П., Прушинский А. К.// Электронная промышленность. -1980. —№ 1. -С. 44-46.

14. Бачурин В. В. Исследование электрических параметров СВЧ мощных кремниевых МДП-транзисторов КП905А, КП905Б./ Бачурин В. В., Бельков А. К., Либерман В. С.// Электронная техника. Сер. 2. -1979. -Вып. 5. -С. 72-88.

15. Application Note AN98021. 100 400 MHz 250 W Power Amplifier with the BLF548 MOSFET/ -Philips Semiconductors. -2001 Mar 23. -14 p.

16. Motorola semiconductor technical data. MRF275G Power field-effect transistor N-chenel enhancement-mode/ -Motorola inc. -1999. -10 p.

17. Б.Окснер Э. С. Мощные полевые транзисторы и их применение / Э. С. Окснер. -М.: Радио и связь. -1985. 288 с.

18. Никишин. В. И. Проектирование и технология производства мощных СВЧ транзисторов/ В. И. Никишин и др.. М. : Радио и связь. -1989. -145 с.

19. Product Specification. Data Sheet BLF861A UHF power LDMOS transistor / Philips Semiconductors. -2001.-16 p.

20. Сопов. О. В. Кремниевые полевые транзисторы/ О. В. Сопов и др..// Электронная промышленность. 2003. - № 2. - С. 176-188.

21. ГОСТ 20398.14-88. Транзисторы полевые. Метод измерения выходной мощности, коэффициента усиления по мощности и коэффициента полезного действия стока./ -М.: Издательство стандартов. -1989. -7 с.

22. Полу проводниковые приборы в схемах СВЧ: Пер. с англ./ Под ред. М. Хауэса, Д. Моргана. -М.: Мир. -1979. -444 с.

23. Каганов В. И. Радиопередающие устройства./ Каганов В. И. -М.: Академия. -2002. -288 с.

24. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ./ Под ред. Г. М. Уткина. -М.: Сов. Радио. -1979. -317 с.

25. Аронов В. JI. Испытание и исследование полупроводниковых приборов./ Аронов В. Д., Федотов Я. А. -М.: Высшая школа. -1975. —325 с.

26. McGregor P. Small-signal High-frequency Performance of Power MOS Transistors / P. McGregor , J. Mena, C.A.T. Salama // Solid State Electronics. -1984. -Vol. 27, -N 5. P. 419-432.

27. Никифоров В. В. Определение элементов эквивалентной схемы мощных МДП-транзисторов./ В. В. Никифоров, А. А. Максимчук.// Полупроводниковая электроника в технике связи. Вып. 25. -1985, -С. 163167.

28. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: справочник./ Под. ред. В. П. Дьяконова. -М.: Радио и связь. -1994. -280 с.

29. Grober F. W. Inductance calculations working formulas and tables./ Grober F. W. -New York, Dover publications. Inc. -1962. -112 p.

30. Калантаров П. JI. Расчет индуктивностей: Справочная книга./ Калантаров П. Л., Цейтлин JI. А. —JL: Энергоатомиздат. -1986. -488 с.

31. Булгаков О. М. Расчет индуктивностей эмитерного и базового выводов мощных ВЧ и СВЧ транзисторов./ Булгаков О. М., Петров Б. К., Гуков П. О.// Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. -1992. -Вып. 1,-С. 27-29.

32. Булгаков О. М. Композиционные модели индукционных взаимодействий в мощных ВЧ и СВЧ транзисторах./ О. М. Булгаков, Б. К. Петров. —Воронеж: Воронежский государственный университет. -2005. -253 с.

33. Терлецкий Я. П. Электродинамика./ Я. П. Терлецкий, Рыбаков Ю. П. -М.: Высш. шк. -1990. -321 с.

34. Меныпиков П. А. Моделирование малосигнальных параметров мощных ВЧ и СВЧ МОП-транзисторов с вертикальной и горизонтальной структурой: Дис. . канд. тех. наук// -Защищена 22.02.05., Утв. 02.04.05. -Воронеж, Воронежский гос. ун-т. —2005. -132 с.

35. Сидерс Г. Мощные транзисторы фирмы СТС./ Сидерс Г.// Электроника. -1973. -№10, -С. 72-75.

36. Данилин. В. Н. Аналоговые полуроводниковые интегральные схемы СВЧ./ В. Н. Данилин, А. И. Куширенко, Г. В. Петров -М.: Радио и связь.-1985.-192 с.

37. Ганстон М. А. Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ./ Ганстон М. А. Р. -М.: Связь. -1976. -152 с.

38. Чальян К. М. Методы расчета электромагнитных параметров токопроводов./ Чальян К. М. -М.: Энегоатомиздат. —1990. -280 с.

39. Бессонов JI. А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник. -10-е изд. -М.: Гардарики. -2003. -317 .

40. Каден Г. Электромагнитные экраны в высокочастотной технике и технике электросвязи: Пер. с нем./ Каден Г. -М.: Госэнергоиздат. —1957. -326 с.

41. Бессонов JI. А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи./ Бессонов JI. А. -М.: Высш. шк. -1984. -559 с.

42. Rainal A. J. Computing inductive nois of chip packages./ Rainal A. J.// AT&T Bell laboratories technical journal. -1984. -V. 63. -№ 1. -P. 177-195.

43. Петров Б. К. Расчет эквивалентных индуктивностей входных цепей мощных СВЧ транзисторов./ Петров Б. К., Булгаков О. М., Гуков П. О.// ВГУ. -Воронеж. -1992. -деп. в ВИНИТИ №1420. В92.

44. Петров Б. К. Влияние формы проводников на индуктивность первого звена встроенной согласующей цепи мощных ВЧ и СВЧ транзисторов./ Петров Б. К., Булгаков О. М., Гуков П. О.// ВГУ. -Воронеж. -1992. -деп. в ВИНИТИ №1660. В92.

45. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Под ред. Р. А. Валитова, И. А. Попова. -М.: Сов. Радио. -1973. -462 с.

46. Маттаи Г. JI. Таблицы для расчета трансформаторов сопротивлений в виде фильтра нижних частот Чебышева./ Маттаи Г. JI. -ТИИЭР. -1964. -Т. 52. -№ 8. -С. 1003—1028.

47. Семейкин. И. В. Модель мощного транзистора на основе малосигнальных параметров/ И. В. Семейкин, Б. К. Петров, Г. А. Викин, В. В. Асессоров// Петербургский журнал электроники. -ЗАО "Электронстандарт". -Санкт-Петербург. -3 (44) 2005. -С. 96-101.

48. ГОСТ 20398.5-91 Транзисторы полевые. Метод измерения входной, проходной и выходной емкостей./ -М.: Издательство стандартов. -1991.-10 с.

49. Петров. Б. К. Исследование емкостей мощных СВЧ МОП транзисторов/ Б. К. Петров, П. А. Меньшиков, И. В. Семейкин и др.// Сборник трудов 9-й международной научно-технической конференции

50. Радиолокация. Навигация. Связь". -Россия. -Воронеж, -апрель 2003. -С. 528-535.

51. Петров. Б. К. Исследование нелинейных емкостей в мощных СВЧ МОП-транзисторах/ Б. К. Петров, П. А. Меньшиков, И. В. Семейкин и др.// -Вестник ВГУ. -Серия физика, математика. -№1. -Воронеж. -2004. -С. 45-50.

52. Петров Б. К. Расчет емкостей Свх, CBbIX, Спр мощных СВЧ МОП транзисторов/ Б. К. Петров, П. А. Меньшиков, Ю. К. Николаенков// Петербургский журнал электроники. -№ 2. -2003. -С. 45-48.

53. ГОСТ20398.9-94 Транзисторы полевые. Метод измерения крутизны характеристики в импульсном режиме./ -М.: Издательство стандартов. -1994. -8 с.

54. Заездный А. М. Основы расчета радиотехнических цепей/ — М.: Связь.-1966.-368с.

55. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ: Пер. с англ./ Под ред. М. Хауэса, Д. Моргана. -М.:Мир. -1979. -444 с.

56. Булгаков О. М. К расчету индуктивности общего вывода мощного ВЧ (СВЧ) транзистора// -Вестник Воронежского института МВД России. -Вып. 3(15). -Воронеж: ВИ МВД РФ. -2003. -С. 16-21.

57. Петров Б. К. Расчет эквивалентных индуктивностей входных цепей мощных СВЧ-транзисторов/ Петров Б. К., Булгаков О. М., Гуков П. О./ / -Воронеж, Воронежский гос. ун-т. -1992. -деп. в ВИНИТИ № 1420-В92.

58. Петров Б. К. Методики расчета индуктивностей мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов/ Б. К. Петров, О. М. Булгаков, И. В. Семейкин.// -Вестник ВГУ. -Серия физика, математика. -№1. -Воронеж. -2005. -С. 93-100.

59. Разевиг В. Д., Потапов Ю. В., Курушин А. А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. Под ред. В. Д. Разевиг/ -М.: Солон-Пресс. -2003. -496 с.

60. Зарубежные транзисторы и их аналоги. Справочник-каталог. В 5-ти томах, т. 5/ -М.: Электрон. -2001. -768 с.

61. Бычков Ю. А. Основы теории электрических цепей/ Бычков Ю. А., Золотницкий В. М., Чернышев Э. П.// -М.: Лань. -2004. -464 с.

62. Фриск В. Основы теории цепей. Использование пакета Microwave Office/ -М.: СОЛОН-Пресс. -2004. -160 с.

63. Шахгильдян В. В. Проектирование радиопередающих устройств: Учеб. пособие для вузов/ В. В. Шахгильдян, В. А. Власов, В. Б. Козырев и др.; Под ред. В. В. Шахгильдяна. —3-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь.-1993.-512 с.