Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/NEC/B19881028Elc008.shtml

GaAs гетеропереходные биполярные транзисторы — эффективное и недорогое средство освоения миллиметрового диапазона волн

Чарлз Л. Коэн
Редакция Electronics

Модернизированная технология арсенид-галлиевых биполярных транзисторов на гетеропереходах позволит заменить гибридные схемы входных каскадов приемных устройств СВЧ и миллиметрового диапазонов значительно более компактными и дешевыми монолитными И С.

Кавасаки, Япония. Специалисты лаборатории микроэлектронных исследований компании NEC Corp. разрабатывают новую арсенид-галлиевую технологию с целью снижения стоимости производства приборов для аппаратуры связи, работающей в диапазоне частот свыше 10 ГГц. Это весьма привлекательный диапазон для целого ряда приложений, так как он намного меньше загружен по сравнению с другими частотными диапазонами. В настоящее время в аппаратуре для этих частот требуется использование гибридных ИС, изготовление которых представляет собой дорогой трудоемкий процесс.

Приборы, способные работать на частотах свыше 10 ГГц, требуются для многих различных систем — от телевизионных приемников прямого спутникового вещания и радиолокационных систем до будущих наручных систем персональной связи.

Арсенид-галлиевые биполярные транзисторы на гетеропереходах, дополненные алюминиевыми настроечными линиями, позволяют расширить рабочий диапазон часто
Арсенид-галлиевые биполярные транзисторы на гетеропереходах, дополненные алюминиевыми настроечными линиями, позволяют расширить рабочий диапазон частот монолитных входных каскадов приемных устройств далеко за предел 10 ГГц.

Специалисты компании NEC разрабатывают самосовмещенный биполярный транзистор на гетеропереходах со структурой арсенид галлия — арсенид галлия-алюминия, который будет применяться в малошумящих автогенераторах. Переход от арсенид-галлиевых полевых транзисторов на гетеропереходные биполярные приборы из арсенида галлия — арсенида галлия-алюминия необходим в связи с тем, что генераторы на полевых арсенид-галлиевых транзисторах имеют слишком большие шумы и требуют дополнения этих транзисторов гибридными компонентами.

По словам разработчиков, экспериментальные исследования показали, что автогенератор на гетеропереходных транзисторах, работающий в 15-ГГц диапазоне, полностью настраивается с помощью алюминиевых линий на кристаллах и имеет в 300 раз меньшие фазовые шумы по сравнению с генератором на полевых арсенид-галлиевых транзисторах. Они рассчитывают получить аналогичные результаты во всех СВЧ-диапазонах и диапазонах миллиметровых волн.

В будущем на гетеропереходных транзисторах предполагается полностью реализовать все входные каскады телевизионных приемников прямого спутникового вещания и других приемных устройств, в том числе усилитель высокой частоты, смеситель и гетеродин, на одном кристалле. Такое устройство примерно настраивается на заданную частоту путем позиционирования соединительной проволочки, привариваемой к алюминиевой настроечной линии на кристалле ИС. Точная настройка устройства осуществляется изменением напряжения смещения.

У первых экспериментальных гетеропереходных транзисторов, разработанных компанией NEC, граничная частота составляла 47 ГГц, а максимальная частота генерации — почти 30 ГГц, что соответствует началу диапазона миллиметровых волн. Однако граничная частота и максимальная частота генерации относительно слабо связаны между собой, поэтому специалисты компании NEC рассчитывают увеличить частоту генерации до более 100 ГГц посредством уменьшения паразитных емкостей.

Гетеропереходные приборы позволяют решить проблему высокого уровня шумов в генераторах на арсенид-галлиевых полевых транзисторах: большие участки поверхности между истоком и затвором — и затвором и стоком — являются источниками низкочастотных шумов, которые модулируют генератор и вызывают нестабильность фазы колебаний. Конечный же результат состоит в том, что для устройства на полевых арсенид-галлиевых транзисторах приходится применять гибридную конструкцию с керамическим резонатором. Более того, на этих частотах такой резонатор имеет диаметр примерно 10 и толщину 4 мм. На частотах свыше 20 ГГц точные установка и подстройка резонатора становятся весьма серьезной проблемой.

Ограничения на применение. Такие керамические резонаторы, например, не годятся для наручных приемников, как говорит Кадзухико Хондзе, управляющий научными исследованиями в отделе ультрабыстродействующих приборов в Лаборатории микроэлектроники компании NEC. Более непосредственное соображение в пользу отказа от керамических резонаторов — это их стоимость. Хондзе говорит, что при нынешнем умеренном объеме производства СВЧ-аппаратуры трудоемкая технология изготовления гибридных ИС вполне приемлема. Но когда спрос возрастает до миллионов устройств в месяц, необходимы более автоматизированные способы производства ИС.

В системах, содержащих автогенераторы на гетеропереходных транзисторах, стабилизация частоты выполняется с помощью схемы фазовой автоподстройки частоты, включающей схему деления частоты и 10-МГц кварцевый резонатор как эталон частоты. Этот критичный частотно-задающий компонент в данном случае работает на относительно низкой частоте, которую изготовители радиоаппаратуры научились воспроизводить весьма точно.

На первых порах, как говорит Хондзе, такие системы будут изготавливаться на базе арсенид-галлиевого гетеропереходного прибора с настроечными элементами, образующего гетеродин, и второго кристалла с двумя арсенид-галлиевыми полевыми транзисторами, выполняющего функции усилителя высокой частоты и смесителя. При выполнении этих функций арсенид-галлиевые полевые транзисторы обеспечивают отличные рабочие характеристики. В будущем, по словам Хондзе, с помощью методов селективной эпитаксии предполагается изготавливать все входные элементы на одном кристалле, содержащем один гетеро-переходный и два полевых транзистора.

Кремниевые биполярные транзисторы в ряде приложений успешно применяются в качестве автогенераторов и дают значительно меньшие уровни шумов, чем арсенид-галлиевые полевые транзисторы. К сожалению, предельная частота генерации кремниевых приборов составляет от 8 до 10 ГГц. Удвоение частоты — или ее умножение в большее число раз — позволяет выйти в требуемый частотный диапазон, однако каждый такой каскад умножения частоты увеличивает уровень шумов на 6 дБ.

В логических схемах гетеропереходные биполярные транзисторы развивают значительно большие токи, чем полевые транзисторы, что позволяет многим обозревателям предсказывать возможность создания в будущем комбинированных схем на арсенид-галлиевых гетеропереходных биполярных и полевых транзисторах, аналогичных современным кремниевым БиКМОП-схемам. Задержки вентилей на экспериментальных гетеропереходных транзисторах составляют 9,5 пс [No.13, р.47].

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 61, No.14-15 (795), 1988г - пер. с англ. М.: Мир, 1988, стр.13

Electronics Vol.61 No.13 July, 1988 VNU Business Publication Inc.

Раздел: ЭЛЕКТРОНИКА ЗА РУБЕЖОМ

Тема:     Новые разработки зарубежных фирм





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/NEC/B19881028Elc008.shtml