ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені В.Н.Каразіна

Корольов Олексій Михайлович

УДК 537.962: 621.382.32

ШУМИ В ПІДСИЛЮВАЧАХ З MESFET- та HEMT- СТРУКТУРАМИ І МЕТОДИ ЇХ ЗНИЖЕННЯ

01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Радіоастрономічному інституті Національної Академії Наук України.

Науковий керівник:

член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Шульга Валерій Михайлович, Радіоастрономічний інститут НАН України, заступник директора з наукової роботи (м. Харків).

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Прохоров Едуард Дмитрович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, завідувач кафедри напівпровідникової та вакуумної електроніки;

доктор фізико-математичних наук, ст. н. с. Шнирков Володимир Іванович, Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, старший науковий співробітник (м. Харків).

Провідна установа: Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

НАН України, відділ твердотільної електроніки (м. Харків).

Захист відбудеться “11” лютого 2005 р. о 14-00 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету

ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці

Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою:

61077, м. Харків, пл. Свободи 4.

Автореферат розісланий “ 24 ” грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ляховський А. Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження шумів у напівпровідникових приладах в усіх діапазонах спектра електромагнітних коливань безпосередньо пов’язані з рішенням практичних задач що до підвищення чутливості приймальних пристроїв. На частотах, орієнтовно, від 0,1 до 250 ГГц, особливу увагу фахівців привертають найбільш перспективні активні елементи підсилювачів - арсенідгаллієві (MESFET) і гетероструктурні (із високою рухливістю електронів, HEMT) польові транзистори. Період якісного поліпшення характеристик підсилювачів у сантиметровому (см) і міліметровому (мм) діапазонах довжин хвиль не перевершує року. У дециметровому (дм) діапазоні ситуація відрізняється: на фоні зростання якості активних елементів помітно відстають шумові характеристики підсилювальних пристроїв. Так, мінімальна власна шумова температура (Tmin) існуючих PHEMT (псевдоморфних HEMT) у дм діапазоні становить 7-12 К навіть без охолодження і, по аналогії із см діапазоном, у середині дм діапазону слід було б очікувати шумової температури підсилювачів (Тn) близько 10-15 К. Фактично ж удається отримувати Тn у межах 25-50 К. Подальшого зниження Тn, що є необхідним для багатьох застосувань (зв’язок, радіоастрономія та ін.), можна досягти за допомогою охолодження підсилювача до кріогенних температур, але цей засіб, внаслідок недоліків сучасної кріотехніки (громіздкість, великі експлуатаційні витрати тощо), набув досить обмеженого розповсюдження. Отже, питання про причини суттєвого (для найбільш малошумких PHEMT – у декілька разів) розходження Tmin і Tn має принциповий характер, і без відповіді на нього прогрес у сфері приймальних пристроїв дм діапазону (що до підвищення чутливості) є проблематичним.

Досягнення граничних параметрів елемента чи приладу, як правило, потребує на розширення й уточнення базових теоретичних уявлень. У контексті цієї роботи мають бути досліджені основні чинники й механізми шумоутворення у польовому транзисторі та його електродинамічному оточенні. Слід зазначити, що пошукові роботи відповідної тематики переважно відносяться до частот вище 3 ГГц (см, мм діапазони), проте цілий ряд питань, важливих в усіх діапазонах довжин хвиль, саме у дециметровому діапазоні набувають особливого значення.

По-перше, необхідно виділити проблему широкосмугового узгодження транзистора по входу, тобто забезпечення оптимального коефіцієнта відбиття (Гs). Модуль Гs сучасних MESFET і HEMT у дм діапазоні може досягати 0,9 і більше, чим різко ускладнюються задачі розрахунку кола узгодження і фізичної реалізації його елементів. Так, для узгодження найбільш малошумких вузькозатворних транзисторних структур навіть у помірній (0,5 октави) смузі необхідні високоімпедансні (сотні Ом) індуктивні елементи, до яких водночас ставиться вимога мінімальних дисипативних втрат. Як критерії оптимізації топології елемента вимоги настільки високого реактансу і мінімальних втрат є несумісними. Можливими є тільки компромісні варіанти рішень, для находження яких конче потрібно моделювання елементів. У дм діапазоні це насамперед стосується індуктивних спіральних структур із сильним магнітним зв’язком. Загальної теорії таких структур (як циліндричних, так саме і планарних) ще не існує, і на надвисоких частотах їх властивості є предметом самостійних досліджень.

Не менш значущим є питання про стійкість. Зона абсолютної стійкості HEMT починається в см діапазоні, як правило, з 5-15 ГГц. На більш низьких частотах, при узгодженні ланцюгами без втрат, стійкість може бути лише умовною чи обмежено-безумовною. Коли коефіцієнт відбиття є наперед заданим (що мінімізує шум-фактор), забезпечення стійкості становить дуже складну задачу. Вона може взагалі не мати рішення. Наприклад, розробники HEMT часто бувають змушені паспортизувати прилади в дм діапазоні не за результатами вимірювань, а за допомогою екстраполяції більш високочастотних характеристик. Тестування додатково ускладнюється недостатньою точністю при вимірюванні дуже малих значень шумової температури (одиниці - десятки градусів) і дуже великих - оптимального коефіцієнта відбиття (до 0,99). Відповідно, особливого значення набирає моделювання транзистора й створення таких методик розрахунку, де тестові “шумові” вимірювання використовувалися б у мінімальному обсязі.

Таким чином, для рішення актуальної проблеми – суттєвого зниження шумів підсилювачів дм діапазону завдяки максимально вичерпній реалізації потенційних можливостей сучасних MESFET і HEMT – необхідно вирішити цілу низку задач, від моделювання активних і пасивних елементів до створення підсилювального приладу з поліпшеними шумовими характеристиками.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконана у Радіоастрономічному інституті НАН України у рамках програм по створенню надвисокочастотних приймальних пристроїв найвищого рівня чутливості, в рамках держбюджетних НДР: “Теоретичні та експериментальні дослідження, спрямовані на підвищення чутливості радіотелескопів міліметрового діапазону”, № Держ. реєстрації 01.86.0.095209; “Створення та вдосконалення інструментальної бази, теоретичні та експериментальні дослідження в галузі міліметрової радіоастрономії”, № Держ. реєстрації 01.9.024655, 0197U19096; “Дослідження в галузі міліметрової радіоастрономії, створення і розвиток інструментальної бази”, № Держ. реєстрації 0100U006425.

Мета і задачі дослідження. Головна мета цієї роботи полягає у визначенні граничних шумових характеристик MESFET і HEMT, умов та способів їх реалізації у широкосмугових підсилювальних пристроях дм діапазону. Для цього вирішувалися наступні задачі: побудова шумової моделі польового транзистора із залученням мінімальної кількості феноменологічних параметрів; визначення головних умов отримання мінімальної шумової температури у широкосмуговому режимі; створення процедури оптимального відбору транзисторних структур; розробка методики ідентифікації джерел наднизькорівневих (біля 1 градуса) шумів пасивних елементів сигнального кола та дослідження можливості їх зниження; відбір та обґрунтування способу адекватного опису високоімпедансних елементів кола узгодження; розробка методів забезпечення стійкості, що не завдають шкоди шумовим характеристикам; створення надмалошумких підсилювальних пристроїв, які демонструють практичну ефективність розвинутого підходу у цілому.

Об’єкт дослідження – шуми у надвисокочастотних польових транзисторах, включно гетероструктурні, і у підсилювачах на їх основі.

Предмет дослідження – граничні шумові характеристики (розрахунок, умови і способи реалізації) широкосмугових підсилювачів з MESFET і псевдоморфними HEMT в дециметровому діапазоні довжин хвиль.

Методи дослідження.

При математичному моделюванні, розрахунках стійкості і шумових характеристик використовувалися методи S-параметрів, шумових параметрів та еквівалентних схем. Апроксимації функцій передачі транзисторів і спіральних ліній одержано методами сплайн-функцій та графоаналітично. Системи трансцендентних рівнянь, що описують залежність шумової температури від частоти, фізичної температури і комплексного імпедансу джерела сигналу, вирішувалися чисельними методами. Експериментальні дослідження характеристик стійкості підсилювальних пристроїв виконувалися методом рефлектометрії і методом варіацій коефіцієнта відбиття джерела сигналу. Шумові характеристики вимірювалися Y-методом із використанням кріогенного шумового генератора, дисипативні втрати пасивних елементів досліджено методом Q-метрії.

Обґрунтованість і достовірність результатів досліджень підтверджуються співпадінням, із точністю до похибок вимірювань, результатів раніш виконаних експериментів (літературні джерела) і експериментів автора з результатами моделювання відповідно до запропонованої методики, в широкому діапазоні частот і фізичних температур, для транзисторних структур різних типів.

Наукова новизна одержаних результатів.

Уперше знайдено аналітичні вирази для базових шумових параметрів (Тmin, Gn, ReZopt і ImZopt), які містять єдиний феноменологічний шумовий коефіцієнт (Ф) – оптимальний декремент джерела сигналу. Показано, що з достатньою для шумових розрахунків точністю Ф можна вважати характеристикою великих структурно-технологічних класів польових транзисторів (0,3-0,4 для MESFET, Ф=0,5-0,6 для HEMT, Ф=0,6-0,7 для

PHEMT; дані відносяться до чип-структур).

Виявлено новий механізм зростання еквівалентної температури шумів – приховане розугодження, яке є наслідком трансформуючих властивостей спіральних індуктивних структур.

Розроблено новий метод підвищення стійкості підсилювачів – із використанням явища електронного охолодження віртуального активного резистора (т. з. “електронне охолодження”).

Розроблено новий метод попередньої селекції оптимального (для заданого діапазону частот) типу транзистора згідно до його класу (MESFET, HEMT, PHEMT) і ємності затвор-витік. Критерії селекції отримано як результат аналізу впливу хвильового опору й електричної довжини спірально-циліндричної індуктивної ланки вхідного кола на умови отримання мінімальної шумової температури у широкому діапазоні частот.

Вперше доведено в експерименті, що шумова температура підсилювачів в дм діапазоні може бути знижена до 10 К, що раніше досягалося тільки в приладах із кріогенним охолодженням.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблений у рамках цієї роботи модельний опис MESFET і HEMT дозволяє замінити не завжди можливе тестування на шумовому сигналі розрахунком базових шумових параметрів. Ефективність рекомендацій щодо зниження шумів продемонстровано при розробці широкосмугових надмалошумких підсилювачів. Останні, у вигляді закінчених приладів, введено до складу високочутливих радіоастрономічних приймальних систем, що у значній мірі забезпечило рекордність їх характеристик. Розроблені підсилювачі з неглибоким (не кріогенним) охолодженням мають шумову температуру (у різних частинах дм діапазону) коло 10-15 К і у сферах телекомунікації, зв’язку, радіоастрономії й радіолокації є вигідною альтернативою приладам із кріогенним охолодженням.

Особистий внесок здобувача. У роботах, що опубліковані у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у наступному: побудова методики розрахунку, експериментальне дослідження й аналіз результатів вимірювання характеристик підсилювальних пристроїв на псевдоморфних HEMT у широкому діапазоні частот і температур оточення [1,2]; моделювання, тестування підсилювачів і аналіз результатів [3-5].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, включених до дисертації, висвітлено в матеріалах конференцій: XXI Всесоюзній конференції “Радіоастрономічна апаратура” (Єреван, 1989); Міжвідомчій науково-технічній конференції “Прилади, техніка і розповсюдження ММ, СБМ хвиль” (Харків, 1992); The Fourth International Kharkov Simposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves ” (Kharkov, Ukraine; 2001); 13-й Міжнародній Кримській конференції “НВЧ – техніка і телекомунікаційні технології” (Севастополь, Крим, Україна, 2003); The Fifth International Kharkov Simposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Sub-Millimeter Waves (Kharkov, Ukraine; 2004).

Публікації. Основні матеріали й результати дисертації опубліковано у 8 статтях у наукових журналах і 8 тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації складає 150 сторінок і містить у собі 132 сторінки основного тексту, 24 рисунка, 7 таблиць та 5 сторінок додатків. Список використаних джерел містить 106 найменувань на 13-ти сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито актуальність теми, показано зв’язок дисертації з науковими темами, сформульовано мету, задачі й методи дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення дисертації, особистий внесок автора, наведена інформація щодо апробації роботи й публікацій результатів.

У першому розділі надається аналітичний огляд існуючих підходів до розрахунку шумових характеристик сучасних польових транзисторів і підсилювачів на надвисоких частотах. Шумові моделі – емпіричні, феноменологічні (на основі еквівалентних схем), фізичні (мікроструктурні), - розглянуто з точки зору їх придатності до використання в дм діапазоні. З’ясовано, що навіть найбільш досконалі моделі не вільні від суттєвих недоліків. Зокрема, емпіричні моделі мають вади в плані здатності до прогнозу шумових параметрів. Фізичні моделі зараз забезпечують скоріше якісний рівень адекватності, проте деякі важливі висновки вони зробити дозволяють. Наприклад, стосовно теплової природи шумів зони витік-заслін. Моделі на основі еквівалентних схем у кінцевих виразах містять феноменологічні коефіцієнти. Вони визначаються вимірюванням у режимі з великим коефіцієнтом відбиття (у дм діапазоні), що може супроводжуватися порушенням стійкості. Не є однозначним і визначення внутрішніх параметрів еквівалентної схеми транзистора (наприклад, крутизни на надвисокій частоті). Утім, за умови максимального скорочення кількості емпіричних параметрів, моделі розглянутого класу є найбільш прийнятними.

Другий розділ “Феноменологічний підхід до опису шумів польового транзистора на основі узагальнених параметрів транзисторної структури” присвячено розробці вдосконаленої шумової моделі польового транзистора й методики розрахунку надмалошумких підсилювачів. На першому етапі, за результатами узагальнення матеріалів із літературних джерел, висловлюється гіпотеза про можливість використання оптимального декременту джерела сигналу (Ф) у якості шумового параметра – характеристики укрупнених структурно-технологічних класів польових транзисторів: Ф=0,3-0,4 для MESFET, Ф=0,5-0,6 для HEMT, Ф=0,6-0,7 для PHEMT. Далі, зважаючи на зроблені у першому розділі висновки (зокрема, про можливість відмови від кореляційних параметрів, про теплову природу шумів зони витік-заслін тощо) і, беручи за відправну точку резисторно-температурну модель, знаходяться аналітичні вирази для 4-х стандартних базових шумових параметрів (Тmin, Gn, ReZopt, ImZopt) в уявленні довільного активного чотириполюсника при імпедансній формі шумового рівняння:

,

, (1)

де Tn – шумова температура транзистора, К; T0=290 K; Z – імпеданс джерела сигналу; Zоpt – оптимальний імпеданс джерела сигналу (при Tn= Tmin); Тmin – мінімальна температура шумів транзистора (при Z=Zоpt ), К; Gn – шумова провідність, См; - циклічна частота, Тph – фізична температура транзисторної структури, К.

Базові шумові параметри Тmin, Gn, Zоpt визначено через “зовнішні” параметри транзисторної структури, що вимірюються безпосередньо: ємність витік-заслін Cgs, добротність входу транзистора Qin, фізичну температуру напівпровідникової структури Тph. Параметр Ф формально є феноменологічним, але, як зазначено вище, визначається згідно до класу транзистора і тому не потребує на вимірювання для конкретного типу. Для первинної верифікації виразів (1) залучено експериментальний матеріал із літературних джерел. Як приклад у таблиці 1 і на рис.1,2 наведені експериментальні (пунктир) та обчислені згідно створеній моделі (суцільні лінії) залежності Gn, ReZоpt, ImZоpt і Тmin від частоти для декількох гетероструктурних транзисторів із різною топологією.

Таблиця 1

Мінімальна шумова температура PHEMT із різною топологією

PHEMT | Розмір

заслона, мкм | Tmin,K,експ-т/розрахунок, на частоті,ГГц | 2 | 4 | 6

ATF35076 | 200 0,25 | 8,8/8 | 17/16 | 27/24

ATF36077 | 200 0,20 | 6,8/7 | 13,7/14 | 20/21

ATF34143 | 800 0,25 | 13/19 | 29/38 | 48/57

ATF38143 | 800 0,25 | 15/21,5 | 32/43 | 47/65

У тексті дисертації подано більш об’ємний матеріал щодо верифікації, доповнений розглядом якісних залежностей шумових параметрів (включно шумовий опір та шумовий інваріант Ланге) від найважливіших чинників – температури, ємності заслона, Ф-параметра тощо. Порівняльний аналіз емпіричних даних і результатів обчислень підтверджує адекватність розробленої моделі, принаймні, для дм діапазону. Остаточні висновки зроблено у 3-му розділі дисертації, де надається опис власних експериментів.

Створена модель, на відміну від відомих моделей Статца, Поспешальского, Ангелова та ін., не оперує внутрішніми параметрами еквівалентної схеми транзистора, визначення яких не є однозначним. У кінцевих виразах (1) і далі, при розгляді питань узгодження, залучені тільки безпосередньо вимірні зовнішні параметри активних і пасивних елементів: добротності, декременти, хвильовий опір ін. Зважаючи на це, розвинутий у роботі підхід скорочено іменується ММП (метод макропараметрів). Далі транзистор розглянуто у сукупності з вхідним колом узгодження (рис.3).

Індуктивний елемент L у дм діапазоні має бути високодобротним і високоімпедансним, і тому у більшості випадків реалізується як спіральна провідникова структура із сильним магнітним зв’язком. Проведені дослідження спірально-циліндричних елементів (СЦЕ) показали наявність трансформуючих властивостей у СЦЕ, навіть коли геометрична довжина провідника близька до десятої долі довжини хвилі (рис. 4, залежність активної компоненти вхідного імпедансу СЦЕ від опору кінцевого резистивного навантаження). Тому, для адекватного опису СЦЕ необхідно залучати уявлення в термінах розподілених параметрів і характеризувати СЦЕ як відрізки ліній передачі з ТЕМ-хвилею. Цим шляхом отримано вираз для необхідного значення хвильового опору () за умови широкосмугового (на рівні октави) узгодження на мінімум шумової температури: . Графік залежності від частоти (рис. 5) може розглядатися як діаграма, що відображує принципову можливість отримання мінімальної шумової температури у наперед визначеній смузі частот.

Критерій - спроможність до реалізації високодобротного індуктивного елемента з необхідним . Діаграма надає можливість оптимального відбору транзистора згідно до його класу і ємності заслін-витік.

За умови оптимального вибору транзистора і СЦЕ (зона між лініями =100 і =300 на рис.5), знайдено значення коефіцієнта трансформації активної частини імпедансу джерела сигналу: . Зазначимо, що вимірювання вхідного імпедансу підсилювача (під час настройки) не дає змоги відрізнити вказану трансформацію від інших факторів впливу на імпеданс. Наприклад, від дії зворотного звязку. Якщо вимірювати імпеданс, приведений до транзистора (Z на рис.3), ефект трансформації теж складно помітити, бо на фоні великої реактивної компоненти (jщL) бракує точності вимірювання активної. Саме ці особливості спонукали нас до вживання терміну прихована трансформація. Нехтування ефектом прихованої трансформації при розрахунках вхідного кола веде до “прихованого розугодження і, як наслідок, до зростання шумової температури.

Дисипативні втрати індуктивного елемента природно характеризувати його добротністю (QL). У дм діапазоні, де майже завжди виконуються умови ReZоptrgs, QinQL, ImZImZоpt, у випадку одноелементного узгодження, вираз для мінімальної шумової температури набуває виду: , де QL і Qіn визначені на частоті 0.

У третьому розділі “Верифікація макропараметричної моделі” надається опис її експериментальної перевірки. Метод перевірки – порівняння обчисленої (прогнозованої) та виміряної залежності шумової температури підсилювача від частоти в широкому діапазоні робочих частот і фізичних температур, для різних типів транзисторів. Додатково робиться контрольний розрахунок шумової температури безпосередньо рішенням шумового рівняння за паспортними даними транзистора. Тестовий об’єкт – двокаскадний підсилювач (рис. 4). Вибір конкретної схеми зумовлено намаганням до найбільшої “прозорості”, тобто можливості вичерпного опису й розрахунку. Водночас, підсилювач має бути достатньо широкосмуговим (октава як найменше), щоб усі особливості предмета дослідження (залежність шумової температури від частоти) мали змогу чітко проявитися.

Розрахунки шумових характеристик підсилювача (чисельні рішення систем рівнянь типу (1) із сплайн-апроксимаціями реальних характеристик передачі каскадів і описом елементів узгодження в термінах розподілених параметрів) виконувалися за допомогою програми MATHCAD. Вимірювання шумової температури проводилося відомим Y-методом, із застосуванням кріогенного резистивного шумового генератора. Абсолютна похибка - не більше 2 К. На рис.7, як приклад, показано характеристики підсилювача з псевдоморфною гетероструктурою ATF34143. Легко побачити, що у смузі частот 1...2 ГГц (октава) розбіжність експерименту і розрахунків становить одиниці градусів. Для практики такий рівень точності є достатнім. Систематичну похибку у 1-4 К, як це буде показано у розділі 4, вносять теплові шуми деяких пасивних елементів, що в аналітичній схемі (рис.6) не відображені, хоча й присутні у реальному підсилювальному пристрої.

Для верифікації створеної моделі дуже важливим є порівняння прогнозованої (лінійної) та реальної залежності шумової температури від фізичної температури. Результати вимірювань (рис. 8) довільним чином підтверджують прогноз.

У розділі 4 “Додаткові шуми, стійкість і питання реалізації” розглянуто особливості практичної реалізації надмалошумких підсилювачів. Зважаючи на необхідність з’ясування природи систематичної похибки обчислення шумової температури (що відзначено вище), увагу було приділено тепловим шумам розподільних та блокуючих конденсаторів, ланцюжків автозміщення та іншим пасивним елементам вхідного кола. Шуми кожного елемента окремо досить незначні, але їх сумою нехтувати вже неможливо. Їх було досліджено за допомогою прецизійної Q-метрії за умов заміщення транзистора високодобротним конденсатором, що моделює ємність заслін-витік транзистора. На відміну від загальновідомого Q-метричного способу оцінки втрат, розроблена методика передбачає вимірювання in situ, по місту розташування елементів, в їх реальному включенні. На надвисоких частотах це забезпечує належний рівень точності. Обчислення шумового внеску по результатах Q-метрії ґрунтується на ММП. На основі виконаних досліджень у роботі формулюється ряд рекомендацій що до вживання конкретних конструкцій та типів елементів, оптимізації конфігурацій вхідного електричного кола. Як приклад, шумовий внесок конденсаторів, що виконують функції розподільних, в залежності від марки (структури, матеріалу, розміру тощо) може становити до 8 %.

Не менш важливим у практичному плані є питання про стійкість підсилювача, оскільки зона абсолютної стійкості сучасних HEMT (із граничними частотами у десятки – сотні гігагерц) починається з 5-15 ГГц, тобто дм діапазон не охоплює. Оцінка частотного інтервалу стійкості робиться згідно до відомого виразу:

, ,

де Sij - елементи S-матриці транзистора, Гs і Гl – коефіцієнти відбиття джерела й навантаження. Sij , Гs , Гl є функціями частоти. Гs встановлюється згідно до шумового критерію, і регулювати (маючи за мету забезпечення стійкості) є сенс тільки Гl. Застосування невзаємних пристроїв у дм діапазоні недоречно внаслідок порушення їх ізолюючих властивостей поза робочою смугою, де нестійкість може проявитися у формі паразитної генерації. Ефективний спосіб зниження відбиття у широкій смузі – це застосування міжкаскадних дисипативних елементів. Головний недолік цього способу пов’язаний з тепловими шумами, що генеруються дисипативними елементами. У дисертаційній роботі пропонується метод підвищення стійкості з опорою на відомий ефект “електронного охолодження”. Сутність ефекту полягає у зниженні (у порівнянні з фізичною температурою) шумової температури активного резистора, створеного входом малошумкого підсилювального каскаду. Опір такого віртуального резистора і, відповідно, значення Гl, залежить від глибини послідовного зворотного зв’язку і легко регулюється. Якщо вхід такого каскаду розглядати як демпфуючий ланцюг, введений з метою підвищення стійкості, то його головною характеристикою буде добротність (Qвх). В режимі узгодження каскаду по виходу добротність входу визначається параметрами транзистора і індуктивністю елемента зворотного зв’язку (L4 на рис.6): . Отже, добротність становить близьку до зворотно-пропорційної функцію частоти, що вигідно з точки зору забезпечення позасмугової стійкості. Для корпусного транзистора зовнішній елемент зворотного зв’язку не є завжди необхідним, достатньо може бути індуктивності виводу витоку. Так, у першому наближенні, вираз для власної добротності входу транзистора має наступний вигляд: , де 11 і 11 – відповідно модуль і фазовий кут елемента 1-1 S-матриці транзистора. Наприклад, для ATF34143 на частоті 1 ГГц добротність близька до 7, а поза дм діапазоном (вище 3 ГГц) не перевищує 2. Отже, навантаження транзистора можна реалізувати як малошумкий демпфуючий ланцюг.

Характеристики стійкості підсилювача (на діапазон 1-3 ГГц) з указаним способом навантаження транзистора 1-го каскаду на частотах до 4 ГГц було досліджено методом рефлектометрії, на частотах до 20 ГГц - методом варіацій імпедансу джерела сигналу. Стійкість, навіть у разі використання дуже високочастотного ATF36077, зберігалася якщо коефіцієнт стоячої хвилі напруги джерела не перевершував 5. Тобто, стійкість є умовною, але достатньою у переважній більшості випадків. Шумова температура підсилювача дуже низька – 22±2 К (частота 2 ГГц).

Наприкінці розділу розглянуті підсилювачі з особливими властивостями: підвищеною стабільністю, економічністю, із низьким вхідним відбиттям. Принципові схеми й характеристики ряду розроблених пристроїв наведені у Додатках. Характеристики надмалошумкого двокаскадного підсилювача з неглибоким охолодженням показано на рис.9.

Абсолютні значення шумової температури підсилювача у 1,2-1,8 разу нижче, ніж у відомих на поточний час аналогів. Отримані результати (принаймні на частотах до 1,5 ГГц) підтверджують можливість виходу на надмалошумкий (10 К) режим при не кріогенному рівні охолодження. Потрібні температури знаходяться у межах можливостей напівпровідникових охолоджувачів.

У Висновках сформульовані основні результати дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене рішення наукового завдання по визначенню граничних шумових характеристик сучасних польових транзисторів, умов та способів їх реалізації у широкосмугових підсилювальних пристроях дм діапазону. Для досягнення кінцевого практичного результату – суттєвого зниження шумів підсилювачів завдяки максимально вичерпній реалізації потенційних можливостей MESFET і HEMT – методами теоретичного та експериментального дослідження було вирішено ряд науково-практичних задач і отримано наступні результати.

Побудовано феноменологічну шумову модель транзистора і відповідну методику розрахунку малошумких підсилювачів у дм діапазоні довжин електромагнітних хвиль із застосуванням оптимального декременту джерела сигналу (Ф) як параметра, що характеризує великі структурно-технологічні класи транзисторів (Ф=0,3-0,4 для MESFET, Ф=0,5-0,6 для HEMT, Ф=0,6-0,7 для PHEMT). Знайдено аналітичні вирази для 4-х базових шумових параметрів (Тmin, Gn, ReZоpt і ImZоpt). Це дозволяє замінити розрахунком не завжди можливі безпосередні вимірювання шумових параметрів.

Обґрунтовано необхідність і можливість опису індуктивних елементів вхідного кола узгодження як ліній передачі з ТЕМ-хвилею. Виявлено новий механізм зростання шумової температури – приховане розугодження, яке є наслідком властивостей (що раніше не бралися до уваги) спіральних індуктивностей як елементів із розподіленими параметрами.

Визначено головні умови реалізації мінімальної шумової температури в широкосмуговому режимі і, на цих підґрунтях, розроблено процедуру (метод) оптимального відбору транзистора.

Розроблено методику ідентифікації джерел наднизькорівневих шумів пасивних елементів сигнального кола. Показано, що головні чинники різкого перевищення шумової температури широкосмугового підсилювача над власною (мінімальною) шумовою температурою транзисторної структури мають зовнішній по відношенню до транзистора характер.

Із застосуванням явища “електронного охолодження” розроблено ефективний метод забезпечення стійкості, який не погіршує шумових характеристик.

Експериментально доведена можливість зниження шумової температури підсилювачів до рівня 10 К і менше, що раніше досягалося тільки в приладах із кріогенним охолодженням.

Ряд підсилювачів на MESFET і псевдоморфних HEMT, розроблених відповідно до розвинутого підходу, введено до складу високочутливих радіоастрономічних приймальних систем, що у значній мірі забезпечило рекордність їх характеристик.

Наукові та прикладні результати, отримані в дисертації, рекомендується використовувати при розробці нового покоління підсилювальних пристроїв – надмалошумких підсилювачів, не потребуючих на обов’язкове охолодження до кріогенних температур.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Королёв А.М., Шульга В.М. Режим сверхнизких шумов в широкополосном неохлаждаемом усилителе на P-HEMT в дециметровом диапазоне// Радиофизика и радиоастрономия. - 2003. - Т. 8, № 1. - С. 21-27.

2. Королёв А.М., Шульга В.М. Особенности реализации сверх-малошумящего HEMT-усилителя при не криогенном уровне охлаждения // Радиофизика и радиоастрономия. - 2003. - Т. 8, № 4. - С. 429-436.

3. Королёв А.М., Крутько А.П., Песковацкий С.А. Малошумящие усилители дециметрового диапазона на полевых СВЧ-транзисторах // Электронная техника. Сер.1.- 1993. - Вып. 2 (456). - С. 3-4.

4. Королёв А.М., Крутько А.П., Песковацкий С.А. Малошумящий гибридный усилитель на диапазон частот 0,2…1,2 ГГц // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. – 1988. - Вып. 10 (414). - С. 8-10.

5. Королёв А.М., Крутько А.П., Песковацкий С.А. Техника непосредственных связей в гибридных малошумящих усилителях // Электронная техника. Сер.1. – 1998. - Вып. 2 (472). - С. 14-17.

6. Королёв А.М. Малошумящие усилители на диапазон 50-1000 МГц. // Приборы и техника эксперимента. – 1984. - № 6. - С. 115-119.

7. Королёв А.М. Повышение устойчивости малошумящих усилителей на HEMT // Радиофизика и радиоастрономия. – 2003. - Т. 8, №3. - С. 317-325.

8. Королёв А.М. Особенности согласования полевых транзисторных структур на минимум шум-фактора в дециметровом диапазоне // Радиофизика и радиоастрономия. – 2002. - Т. 7, № 3.- С. 273-288.

Результати дисертації додатково висвітлено в таких працях:

1. Королёв А.М., Шульга В.М. Сверхмалошумящие усилители на дециметровый диапазон: особенности расчета и конструкции // Материалы 13-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь (Украина). – 2003. - С. 156-158.

2. Peskovatskii S.A., Korolev A.M., Myshenko V.V., Myshenko A.V., Piddiachii V.I. Ultra-stable Peltier-cooled low-noise 3-mm-wave band receiver // Proceedings of the Fourth International Simposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves”. – Kharkov (Ukraine). – 2001. - P. 738-740.

3. Peskovatskii S.A., Shulga V.M., Piddiachii V.I., Korolev A.M., Myshenko V.V., Antufeyev A.V., Lavrik I.V. A Cryogenic 3mm Schottky diode mixer receiver // Proceedings of the Fourth International Kharkov Simposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves ”. – Kharkov (Ukraine). – 2001. - P. 741-743.

4. Князьков Л.Б., Королёв А.М., Мышенко В.В., Песковацкий С.А., Подъячий В.И., Шульга В.М., Зинченко И.И., Штанюк А.М., Нестеров Н.С. Высокочувствительный радиоспектроскопический комплекс 3-мм диапазона // Тезисы докладов межведомственной научно-технической конференции “Приборы, техника и распространение ММ, СБМ волн”. – Харьков. – 1992. - C. 72.

5. Шульга В.М., Подъячий В.И., Королёв А.М., Мышенко В.В., Мышенко А.В. Сверхмалошумящий приёмник со смесителем на диоде с барьером Шоттки диапазона частот 85-115 ГГц // Материалы 13-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. Севастополь (Украина).- 2003.- С. 195-197.

6. Korolev A.M., Shulga V.M. Ultra-low-noise amplifiers for radio astronomy applications // Proceedings of the Fifth International Kharkov Simposium on Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves. Kharkov (Ukraine).- 2004.- P. 894-895.

7. Королёв А.М, Песковацкий С.А.Широкополосный малошумящий усилитель на диапазон 0,75-1,25 ГГц. Тезисы докладов 21-й Всесоюзной радиоастрономической конференции. Ереван, 1989.-Р. 129.

8. Forkman P.M., Shulga V.M., Piddiachii V.I, Korolev A.M, Myshenko V.V., Myshenko A.V.Uncooled low noise frontend of the receiver system for ground-based monitoring of stratospheric ozone and carbon monoxide // Proceedings of the Fifth International Kharkov Simposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Sub-Millimeter Waves.- Kharkov (Ukraine).- 2004.- P. 886-888.

АНОТАЦІЯ

Корольов О. М. Шуми в підсилювачах з MESFET- та HEMT-структурами і методи їх зниження. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем. – Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2004.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню шумових характеристик сучасних надвисокочастотних польових транзисторів (MESFET, HEMT, PHEMT), з’ясуванню шляхів їх оптимального використання у підсилювальних пристроях дециметрового діапазону довжин електромагнітних хвиль. При моделюванні транзисторів як шумовий параметр уведено оптимальний декремент джерела сигналу. Знайдено новий механізм зростання шумової температури – укрите розугодження. Із застосуванням ефекту “електронного охолодження” розроблено ефективний метод забезпечення стійкості. Експериментально підтверджено прогноз про можливість зниження шумової температури підсилювачів до рівня 10 К і менше, що раніше досягалося тільки в приладах із кріогенним охолодженням. Розроблено ряд підсилювачів на MESFET і псевдоморфних HEMT. Уведені до складу високочутливих радіоастрономічних приймальних систем, вони у значній мірі забезпечили рекордність характеристик мікрохвильових приймачів.

Ключові слова: польовий транзистор, шум, надвисока частота, підсилювач, MESFET, HEMT, модель.

АННОТАЦИЯ

КОРОЛЁВ А. М. Шумы в усилителях с MESFET- и HEMT-структурами и методы их снижения. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 – физика приборов, элементов и систем. – Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина, Харьков, 2004.

Диссертационная работа посвящена исследованию шумовых характеристик современных сверхвысокочастотных полевых транзисторов на GaAs и InP субстратах (MESFET, HEMT), включая псевдоморфные гетероструктурные (PHEMT), выяснению условий и способов их оптимального использования в широкополосных сверхмалошумящих усилительных устройствах дециметрового диапазона длин электромагнитных волн.

Для достижения конечного практического результата – существенного снижения шумов усилителей благодаря максимально полной реализации потенциальных возможностей транзисторов – методами теоретического и экспериментального исследования решены ряд конкретных задач. Построена феноменологическая шумовая модель полевого транзистора, максимальным образом учитывающая специфику дециметрового диапазона. В модели и методике расчета малошумящих усилителей в качестве феноменологического параметра использован оптимальный декремент источника сигнала (Ф). Ф - параметр, характеризующий крупные структурно-технологические классы транзисторов (Ф=0,3-0,4 для MESFET, Ф=0,5-0,6 для HEMT, Ф=0,6-0,7 для PHEMT). Как индивидуальная характеристика конкретного типа транзистора использована добротность цепи исток-затвор транзистора. Найденные аналитические выражения для 4-х стандартных базовых шумовых параметров (Тmin, Gn, ReZоpt и ImZоpt) позволяют с достаточной точностью рассчитать шумовые характеристики транзистора без опоры на предварительные тестовые измерения, в дм диапазоне не всегда выполнимые из-за проблем с устойчивостью.

Показана необходимость описания спиральных индуктивных элементов входной согласующей цепи усилителя как отрезков специфических линий с распределёнными параметрами. Экспериментально обоснована возможность описания отрезков спирально-цилиндрических линий в терминах бездисперсионной электрической длины и волнового сопротивления. При рассмотрении системы транзистор – входная согласующая цепь выявлен новый механизм роста шумовой температуры – скрытое рассогласование, порождаемое трансформирующими свойствами спиральных индуктивных структур с сильной электромагнитной связью. С опорой на критерий физической реализуемости индуктивных элементов входной согласующей цепи определены главные условия достижения минимальной шумовой температуры в широкополосном режиме и, на этой основе, разработана процедура отбора транзисторов по заданному структурно-технологическому классу и диапазону частот.

С использованием известного эффекта “электронного охлаждения” получено новое решение задачи по обеспечению устойчивости в пределах и вне рабочей полосы частот. В отличие от известных способов, предполагающих введение диссипативных цепей, в предложенном методе активного нагружения шумовые характеристики не ухудшаются. В работе приведены обоснование метода и критерии отбора транзисторов для каскадов-нагрузок по параметру входной добротности. Эффективность метода обеспечения устойчивости подтверждена экспериментально. Для минимизации вклада тепловых шумов пассивных элементов разработана методика идентификации сверхнизкоуровневых (десятые доли К) источников шума. По результатам исследования физической модели входной цепи сформулирован ряд рекомендаций разработчикам малошумящих усилителей, в частности, по оптимальному выбору элементной базы.

Важным практическим результатом работы является экспериментальное подтверждение прогноза о возможности снижения шумовой температуры усилителя в дециметровом диапазоне до 10 К и менее при неглубоком охлаждении. Разработанные усилители на псевдоморфных HEMT имеют, в разных частях дм диапазона, шумовую температуру 10-15 К. Устройства введены в состав радиоастрономических приёмных систем и, как альтернатива криогенно охлаждаемым приборам, показали высокую эффективность. Эти результаты создают реальные предпосылки для появления нового класса усилительных устройств – сверхмалошумящих усилителей, не требующих криогенного охлаждения.

Ключевые слова: полевой транзистор, шум, сверхвысокая частота, усилитель, MESFET, HEMT, модель.

SUMMARY

Korolev A.M. Noise in MESFET- and HEMT-based amplifiers and the methods of noise reduction.

Thesis for candidate’s degree by speciality 01.04.01 – physics of devices, elements and systems.- V.N. Karasin Kharkov National University, Kharkov, 2004.

The dissertation is devoted to the research of noise properties of modern microwave field-effect-transistors (MESFET, HEMT, PHEMT) and elucidation of methods of their optimum application in the amplifiers in the decimeter range of EM-waves. The noise parameter employed in the model description of the transistors is the optimum decrement of the signal source. A new mechanism (latent mismatch) for the increase of noise temperature has been identified. An effective method to ensure stability has been developed based on the use of the electron cooling effect. The theoretical prediction of the possibility to reduce the noise temperature down to 10 K and lover has been confirmed experimentally. Earlier it was only possible through cryogenic cooling. A number of MESFET- and PHEMT-based amplifiers have been devised. When incorporated in high high-sensitive radio astronomy receiving systems, they have largely determined implementation of record characteristics of microwave receivers.

Key words: field-effect transistor, noise, super high frequency, amplifier, MESFET, HEMT, model.