На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS

 

Serenade

 

Harmonica

 

MOMENTUM

 

Microwave Explorer

 

Series IV

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы  

 

 

Лабораторная работа № 6

ОПТИМИЗАЦИЯ МОДЕЛИ СВЧ ТРАНЗИСТОРА

 

Цель работы:

Изучить методы оптимизации схемы СВЧ на программе Touchstone на примере модели СВЧ транзистора.

Домашнее задание:

Рассчитать параметры эквивалентной схемы полевого СВЧ транзистора с барьером Шоттки (рис.6.3).

Исходные данные для выполнения домашнего задания. Табл.6.1

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

Длина затвора L,мкм

0.5

0.55

0.6

0.5

0.55

0.6

0.5

0.6

Промежуток исток-затвор Lиз, мкм

1.0

1.1

1.6

1.3

1.2

1.4

1.2

0.9.

Толщина эпитаксиального слоя a, мкм

0.2

0.2

0.15

0.2

0.25

0.2

0.3

0.2

Ширина истока W, мкм

5

6

5

6

6

6

4

5

Материал затвора, истока и стока

Au

Au

Au

Au

Au

Au

Au

Au

Толщина осажденного слоя t, мкм

1

0.9

1

0.8

0.8

0.8

0.9

1.2

Напряжение стока,В

3

3

3

3

3

3

3

3

Напряжение затвора

0

0

0

0

0

0

0

0

Проницаемость подложки

10

10

12

12

10

10

12

12

 

Задание в лаборатории:

    1. Введите в файл под именем 3P321 S- параметры транзистора 3П321(см. лабораторную работу № 3).
    2. Напишите на языке программы Touchstone программу оптимизации встроенной модели полевого транзистора (рис.6.5). Начальные параметры возьмите из ДЗ. Проведите оптимизацию встроенной модели по всем элементам модели.
    3. На языке программы Touchstone опишите модель полевого транзистора в виде узлов, дискретных элементов и зависимого источника тока (рис. 6.3). Проведите оптимизацию её до совпадения S- параметров модели с S- параметрами из файла 3P321.s2p.
    4. Выявите элементы модели (рис.6.3), которые имеют наибольшую чувствительность. Для этого в режиме подстройки “Tune” измените последовательно каждый из параметров эквивалентной схемы на ± 10% и запишите изменение коэффициента передачи на наивысшей частоте в каждом случае.

Теоретическое введение

Структура полевого транзистора.

Рис.6.1. Структура полевого транзистора с затвором Шоттки.

 

Полевой транзистор с затвором Шоттки создается на полупроводниковой подложке из GaAs, на которой расположен эпитаксиальный слой n-типа (называемый каналом) толщиной около 0.2 мкм, получаемый эпитаксиальным выращиванием. Иногда между полупроводниковой подложкой и эпитаксиальным слоем вводится буферный слой. Буферный слой ограничивает диффузию примеси из подложки. Исток и сток полевого транзистора наносятся на активный эпитаксиальный слой с помощью фотолитографии. Между истоком и стоком расположен другой электрод, называемый затвором. Обычно длина затвора L составляет 0.5 – 0.7 мкм, а промежуток исток - сток составляет 2 мкм.

Во время подачи смещения на выводы полевого транзистора в эпитаксиальном слое образуются обедненный слой с низкой проводимостью и проводящий слой. Объемная трехмерная обедненная область, управляемая напряжениями на электродах определяет эквивалентную схему транзистора, а также зависимости элементов эквивалентной схемы от напряжений. Анализ пропорциональных зависимости обедненного слоя и лежит в основе моделирования транзистора.

Рис.6.2. Расположение элементов эквивалентной схемы полевого транзистора с затвором
Шоттки в физической конструкции.

Рис.6.3. Физическая эквивалентная схема полевого СВЧ транзистора.

Полевые транзисторы с затвором Шоттки находят применение в малошумящих СВЧ усилителях, мощных усилителях, генераторах, смесителях, модуляторах, ограничителях. Для разработчика СВЧ устройств необходимо знать характеристики прибора и его эквивалентную схему. Эквивалентная схема может иметь различную структуру. Важно, чтобы такая модель транзистора как можно точнее отражала поведение реального прибора в широком диапазоне частот и напряжений на выводах. В Touchstone рассчитывается только линейная модель, однако можно получить серию параметров модели, зависящих от смещения.

Рис.6.4. Поперечное сечение идеального полевого транзистора с затвором Шоттки с пространственным зарядом E(x), управляющим током стока.

 

 

Порядок расчета:

Расчет вспомогательных параметров:

1.1. Время, необходимое электрону для пролета под затвором при скорости, ограниченной рассеянием, равно:

, (6.1)

где L - длина затвора, - средняя скорость электрона, ограниченная рассеянием (или скорость насыщения), для GaAs см/сек. Этот параметр влияет на максимальную рабочую частоту полевого транзистора.

    1. Координаты (s,p,x ), объемного заряда, управляющего током от истока к стоку:

 

, (6.2)

где

- напряжение отсечки или потенциал на затворе, соответствующий истощению канала (снижению концентрации подвижных носителей до нуля), а Ws и Wp будут определены ниже.

 

, (6.3)

где

Ф/м,
- концентрация легирующей примеси в затворе,

n0=1023 атом/м3.

- диэлектрическая постоянная подложки (для GaAs =12.5)

a - толщина эпитаксиального слоя

    1. Глубина пространственного заряда в различных точках вдоль

затвора пропорциональна потенциалам (рис.6.4):

WS=Vиз+j ; (6.4)

Wp=Vиз+j -V0; (6.5)

где:

Vиз - потенциал исток-затвор (при заземленном истоке) - приложенный потенциал к затвору, j - потенциал барьера Шоттки для перехода (0.8 В);

V0=V(L1) - потенциал в точке отсечки (x = L1);

1.5. Расстояние от точки затвора, наиболее близкой к истоку, до точки насыщения:

(6.6)

(положите L1/L = 0.2 и отсюда найдите величину x , характеризующую ширину области плоской части пространственного заряда),

. (6.7)

      1. Расстояние от точки затвора, наиболее удаленной от истока, до точки насыщения:

L2=L - L1 (6.8)

1.7. Угол задержки в области пролета

. (6.9)

Параметры эквивалентной схемы определяются по следующим формулам:

  1. Активная междуэлектродная проводимость gm определяется отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения на затворе при постоянном напряжении исток-сток. Эта проводимость рассчитывается по формуле

, (6.10)

где

; (6.11)

, (6.12)

а все величины p, s, x , q и др. определены ранее.

  1. Сопротивление стока Rc=1/Gc (рис.6.3) определяется отношением изменения напряжения стока к дифференциальному изменению тока стока при постоянном напряжении на затворе.

(6.13)

где

(6.14)

  1. Емкость затвор - исток приблизительно равна отношению изменения свободного заряда к изменению напряжения смещения на затворе при постоянном потенциале стока и может быть рассчитана по приближенной формуле

Сзи» 2e 0e r W fc(s,p,x ), (6.15)

где

fc(s,p,x ) = 1.56+ fc1 + fc2; (6.16)

; (6.17)

; (6.18)

(6.19)

(6.20)

  1. Емкости сток - затвор и исток - сток являются “паразитными” параметрами полевого транзистора. Они могут быть найдены как емкости связанных полосковых линий по следующим формулам:

Ссз = Сис = (6.21)

K - полный эллиптический интеграл первого рода.

Используя аппроксимацию имеем:

(6.22)

. (6.23)

 

5. Постоянные для Ссз и Сис определяются по формулам:

(6.24)

(6.25)

6. Сопротивление канала Ri равно сопротивлению эпитаксиального слоя между истоком и затвором, с учетом искажения поля пространственным зарядом. Значение Ri определяется сопротивлением материала, толщиной эпитаксиального слоя a и расстоянием от истока до затвора Lис и рассчитывается по формуле

, (6.26)

где Rs - поверхностное сопротивление эпитаксиального слоя, рассчитываемое по формуле:

; (6.27)

m - подвижность электронов в слабом поле.

Положите величину Ri=3 Ом.

 

7. Последовательное сопротивление истока складывается из сопротивления эпитаксиального слоя Rи сопротивления контакта Rки.. Сопротивление контакта Rки определяется формулой

, (6.28)

где - удельное сопротивление металла контакта, для золота r = 2.44 10-6
Ом/см.

Сопротивление эпитаксиального слоя (рис.6.2) Rи» Ri.

8. Последовательное сопротивление стока Rc может быть вычислено таким же способом, что и Rи.

9. Сопротивление затвора рассчитывается по формуле:

, (6.29)

где t - толщина осажденного металлического слоя затвора;

- удельное сопротивление материала затвора, для золота r = 2.44 10-6 Ом/см.

 

Окончательно, Y-параметры полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком, рассчитываются по формулам:

(6.30)

; (6.31)

; (6.32)

, (6.33)

где

. (6.34)

S-матрица рассчитывается по элементам Y-матрицы по следующим формулам:

; (6.35)

; (6.36)

; (6.37)

, (6.38)

где

; (6.39)

. (6.40)

 

 

Контрольные вопросы

 

  1. От какого геометрического размера и как зависит максимальная рабочая частота полевого транзистора?
  2. Какие характеристики полевого транзистора, и как, зависят от сопротивления истока?
  3. Какими элементами эквивалентной схемы определяются усилительные свойства полевого транзистора?
  4. Как зависит от геометрии полевого транзистора емкость Cзс ?
  5. Перечислите параметры эквивалентной схемы полевого транзистора, от которых зависит его предельная рабочая частота.
  6. Как зависит емкость Cзи от напряжения на стоке (объяснить качественно) ?
  7. Как зависит емкость Cзи от смещения на затворе (объяснить качественно) ?
  8. Как зависит активная проводимость полевого транзистора от напряжений на электродах?
  9. Проведите сравнительный анализ двух подходов моделирования: используя внутреннюю модель Touchstone и модель, описанную на языке Touchstone.
  10. Какие методы оптимизации используются в программе Touchstone. Как выбрать лучший метод для конкретной задачи?

 

Литература

  1. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р.. Машинное проектирование СВЧ устройств. М., “Радио и связь”, 1987, 430 стр.
  2. Зи C.. Физика полупроводниковых приборов. Книга 2. М.: “Мир”. 1984, 456 стр.

3. Пожела Ю., Юцене В. Физика сверхбыстродействующих транзисторов.
Вильнюс: “Мокслас” , 1985, 110 стр.

Приложение 1

Моделирование встроенной модели

Задача: выполнить моделирование полевого транзистора FET, для которого измерены S-параметры. В примере оптимизатор непосредственно подстраивает параметры встроенной модели FETMODEL для лучшего согласования с 3P321, параметры которого находятся в файле 3P321.S2P.

 

DIM

FREQ GHZ / RES OH / COND /OH / IND NH / CAP PF

LNG MIL / TIME PS / ANG DEG

CKT

FET 20 21 0 G# 0.02 0.03 0.1 T# 1 3 5 F#0 1 10 CGS# 0 0.4 4 & RI# 1 3 10 GGS#0 0.02 0.5 CDG=0.001 .01 .05 CDS # 0.01 0.07 0.1 & RDS# 100 500 1000 CDC# 0.005 0.015 0.05 RS# 1 2.5 10

! встроенная модель FET

DEF2P 21 33 FETMODEL

S2PA 1 2 0 3P321 !из файла

DEF2P 1 2 SPARAM

FREQ

SWEEP 5 8 1 ! для оптимизации

SWEEP 5 8 1 ! для вывода на экран

OUT

! Вывод параметров S11, S22, S21, S12 на диаграмму Смита SC3

!SPARAM S11

!SPARAM S22

FETMODEL S21

SPARAM S21

!SPARAM S12 ! непосредственный вывод S-параметров на экран SCN

FETMODEL SPAR

OPT

FETMODEL MODEL SPARAM

 

 

 

Приложение 2

Моделирование FET по введенной и описанной эквивалентной схеме полевого транзистора

В модель, которую пользователь сам описывает в виде электрической эквивалентной схеме, можно ввести дополнительные элементы, например паразитные индуктивности и емкости, которых нет во встроенной модели Touchstone. Таким образом, эта описанная в виде узлов и элементов физическая эквивалентная схема может точнее отражать частотные характеристики транзистора.

! Модель FET . Параметры модели уточняются при оптимизации

Рис.6.4. Физическая эквивалентная схема полевого транзистора

 

DIM

FREQ GHZ / RES OH / COND /OH / IND NH / CAP/PF

LNG MIL / TIME PS / ANG DEG

CKT

SRL 1 2 R=3.5 L\0.02903 !Rз + Lз

CAP 2 3 C\0.37726 !Сзи

RES 3 4 R\7.41159 !Ri

SRL 4 0 R\3.37921 L\0.02954 !Rи + Lи

CAP 2 5 C\0.01475 !Cзс

SRL 5 6 R=2.0 L\0.12307 !Rc + Lc

CAP 5 0 C\0.05071 !Cис

VCCS 2 5 3 4 M=0.06 A=0 R1=1E6 R2\155.88319 F=1E9 T=2

CAP 3 5 C\0.05164 !С

DEF2P 1 6 A ! A - схемная модель FET

S2PA 1 2 0 3P321 ! B - реальный транзистор FET DEF2P 1 2 B ! B - реальный FET

FREQ

SWEEP 5 8 1 ! для оптимизации

SWEEP 5 8 1 ! для вывода на экран

OUT

! Вывод параметров S11, S22, S21, S12 на диаграмму Смита SC3

!A S11

!A S22

A S21

B S21

A SPAR ! непосредственный вывод S-параметров на экран SCN

OPT

A MODEL B !задание на оптимизацию эквивалентной схемы

 

 

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: июня 22, 2000