Генератор свч на полевом транзисторе

 

Применение: изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для генерации СВЧ-сигналов. Сущность изобретения: изобретение позволяет снизить фазовые (частичные) шумы генератора, что достигается тем, что активный слой полевого транзистора с барьером Шотки выполнен со ступенчатым профилем легирования, причем отношения толщины слоя под затвором A₁ к толщине второго слоя A₂ и концентрацией примеси в них соответственно удовлетворяют соотношениям A₂/A₁≥ 3, . 5 ил.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для генерации СВЧ-сигналов.

Одной из основных задач, стоящих перед разработчиками генераторов СВЧ на полевых транзисторах, предназначенных для использования в качестве гетеродинов и задающих источников СВЧ-сигнала в доплеровский РЛС, является снижение фазовых (частотных) шумов в спектре выходного сигнала. Эта задача решается как путем создания новых структурных схем генератора, так и путем поиска новых конструкторских решений в рамках известных структурных схем.

Известна конструкция генератора СВЧ на биполярном транзисторе (ГВТ) [1] , имеющая низкий уровень фазовых шумов.

Существенным недостатком такого генератора является ограничение по частотному диапазону, верхняя граница которого для биполярных транзисторов не превышает 10-12 ГГц.

Наиболее близким техническим решением является конструкция генератора СВЧ на полевом транзисторе, содержащая полевой транзистор с барьером Шотки (ПТШ), гибридно-монолитную генераторную схему и диэлектрический резонатор, включенный в цепь затвора [2] .

Использование диэлектрического резонатора в схеме позволило на 10-15 дБ уменьшить фазовые (частотные) шумы генератора.

Однако они по-прежнему остаются высокими по сравнению с генераторами на биполярных транзисторах.

Это обстоятельство существенно ограничивает возможности использования генераторов на ПТШ в качестве гетеродинов и задающих генераторов доплеровских РЛС.

Целью изобретения является снижение фазовых шумов генератора путем получения не зависящих от напряжения на затворе входной емкости ПТШ.

Цель достигается тем, что в известной конструкции транзисторного СВЧ-генератора, содержащей полевой транзистор с барьером Шотки, гибридно-монолитную генераторную схему и диэлектрический резонатор, включенный в цепь затвора, активный слой транзистора выполнен со ступенчатым профилем легирования, причем отношения толщины слоя под затвором A₁ к толщине второго слоя A₂ и концентрацией примеси в них ND₁и ND₂ соответственно удовлетворяют соотношениям: A₂/A₁ ≥ 3, ND₁/ND₂ ≥ 3.

На фиг. 1 изображена структура ПТШ, поперечный разрез; на фиг. 2 - ступенчатый профиль легирования активного слоя ПТШ; на фиг. 3 схематически показана одна из схем генератора СВЧ на полевом транзисторе с барьером Шотки; на фиг. 4 даны зависимости входной емкости C₃ от напряжения на затворе U₃ и для полевого транзистора со ступенчатым профилем легирования; на фиг. 5 приведены экспериментальные зависимости частоты отстройки от несущей f_о фазовых шумов генератора.

На фиг. 1 обозначены полуизолирующая подложка 1, электроды затвора 2, истока 3 и стока 4, активный слой 5, область, обедненная зарядами 6.

На фиг. 3 обозначены полевой транзистор 7, диэлектрический резонатор 8, сопротивление 9 (R₁), конденсатор 10 (C₁), индуктивность 11 (L₁), сопротивление нагрузки 12 (R_н), конденсатор 13 (С₂), индуктивность 14 (L₂), сопротивление 15 (R₃), конденсатор 16 (С₃), комплексное сопротивление 17 (Z_о) полосковой линии.

На фиг. 4 обозначены кривая 18 со ступенчатым профилем легирования полевого транзистора, кривая 19 - с однородным профилем легирования.

На фиг. 5 обозначены кривая 20, показывающая уровень шумов генератора конструкции по изобретению, кривая 21 - уровень шумов прототипа, кривая 22 - уровень шумов генератора на биполярном транзисторе.

Уровень фазовых шумов в спектре выходного сигнала генератора определяется низкочастотными шумами транзистора, обусловленными в основном локальными флюктуациями концентрации носителей заряда в активном слое транзистора. Флюктуации концентрации носителей, вызванные процессами захвата и эмиссии электронов легирующими примесями и дефектами решетки в активном слоем, модулируют размеры обедненного слоя под затвором и обуславливают флюктуации напряжения на затворе транзистора.

В известных конструкциях генераторов на ПТШ, в том числе и в прототипе, используется полевой транзистор с равномерным (одинаковым по толщине активного слоя) профилем легирования. Входная емкость С_зи такого транзистора существенно зависит от напряжения на затворе U_зи. Флюктуации напряжения U_зи приводят к изменениям емкости С_зи и, как следствие этого, к флюктуации частоты генератора.

Конструкция генератора на полевом транзисторе со ступенчатым профилем легирования (фиг. 1) и предлагаемыми параметрами профиля легирования обеспечивает независимость емкости С_зи от напряжения на затворе в достаточно широких пределах изменения U_зи (фиг. 4). В этом случае флюктуации напряжения U_зи, вызванные локальными флюктуациями концентрации зарядов в активном слое ПТШ, практически не изменяют величину емкости С_зи и, следовательно, частоты генератора. Это обеспечивает значительное снижение уровня фазовых (частотных) шумов в спектре выходного сигнала генератора (фиг. 5).

П р и м е р. В качестве примера рассмотрен генератор, эквивалентная схема которого изображена на фиг. 3.

Гибридная интегральная схема выполнена на диэлектрической подложке толщиной h = 0,5 мм и диэлектрической проницаемостью ε = 9,6. В цепи затвора расположен диэлектрический резонатор с собственной добротностью Q_R ≈ 5000 и частотой f_R = 10 ГГц, связанной с полосковой линией сильной боковой связью (коэффициент связи β_c = 5). Свободный конец линии согласован с 50-омной нагрузкой. В цепь истока включена емкость с параметрами С_р= 0,3 пФ.

Полевой транзистор выполнен на полуизолирующий арсенид-галлиевой высокоомной пластине с активным слоем толщиной A = A₁ + A₂ = 0,15 мкм со ступенчатым профилем легирования (фиг. 2). Длина затвора l_з = 0,7 мкм, ширина затвора W_з= = 300 мкм. Диапазон рабочих частот генератора f_о = 10-12 ГГц.

Как видно из фиг. 5, предлагаемая конструкция позволит снизить фазовые шумы генератора на ПТШ на 7-10 дБ по сравнению с прототипом и максимально приблизиться к шумам генератора на биполярном транзисторе.

Формула изобретения

ГЕНЕРАТОР СВЧ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ, содержащий полевой транзистор с барьером Шотки, гибридно-монолитную генераторную схему и диэлектрический резонатор, включенный в цепь затвора полевого транзистора, отличающийся тем, что, с целью снижения фазовых шумов генератора путем получения не зависящей от напряжения на затворе входной емкости полевого транзистора, активный слой транзистора выполнен со ступенчатым профилем легирования, причем отношения толщины слоя под затвором A₁ к толщине второго слоя A₂ и концентрацией примеси в них соответственно N_D1 и N_D2 удовлетворяют соотношениям a₂/A₁ ≥ 3, N_D1 / N_D2 ≥ 3

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5