3. Transistoren: Typen, Beschreibung und Funktionen

Transkript

1 : Typen, Beschreibung und Funktionen Bipolar-Transistoren Homogene pn-übergänge (Bipolartransistor, BJT) Heterostrukturen (Hetero-Bipolartransistor, HBT) Feldeffekt-Transistoren (unipolar) Homogene Kanäle (Feldeffekttransistor, FET) Heterostrukturen (HFET, HEMT,...) Transistor-Schaltungen Entwurfsziele HF: Bandbreite, Leistung, Linearität Prof. Dr. M. Hein Seite 1

2 Bipolar-Transistoren Zwei anschließende pn-übergänge mit gemeinsamer Mittelschicht npn gegenüber pnp bevorzugt (Beweglichkeit der Majoritätsträger) Beschaltung für Normalbetrieb (Basisschaltung) BE-Diode schwach in Durchlassrichtung, BC-Diode stark in Sperrrichtung E n p n C Dotierung für Normalbetrieb B viel schwächer dotiert als E und C Diffusion von Elektronen ( feldfrei ) E B C Hohe Stromausbeute kleine Ausdehnung d b Basisbahnwiderstand R b ~ 1/Dotierung Hohe Frequenzen Kleine Kapazitäten => kleine E- und C-Flächen Geometrie Technologie (Diffusion, Epitaxie, Ionenimplantation) E I E U EB B U CE B I B I C U CB C Prof. Dr. M. Hein Seite 2

3 Dotierungsprofil eines Hochfrequenz-Bipolartransistors E hochdotiert und dünn Übergang zu B nahezu abrupt B nahe E hoch dotiert, Gefälle Richtung C N b (0) N e /100 Profil "kippt" Bandkanten (inneres Feld) Driftfeld beschleunigt Ladungstransfer Kollektorsperrschicht möglichst bis an n + Emitterweite im µm-bereich Basisdicke d b 0.1 µm (kritisch) N B d b > N C d c, damit C-Sperrschicht nicht bis E durchgreift Prof. Dr. M. Hein Seite 3

4 BJT: Aufbau Prozessoptimierung in Bezug auf hohe Verstärkung niedrige Rauschzahl hohe Betriebsfrequenzen hohe Leistung Vgl. Skript Halbleiterbauelemente, Prof. Andreas Schenk, HF-Elektronik, Prof. Dr. Solbach, GMU Duisburg Prof. Dr. M. Hein Seite 4

5 Ströme in Bipolartransistoren Doppelter pn-übergang (Ebers-Moll-Gleichungen, zwei Shockley-Terme) Mögliche Betriebsarten: Normalbetrieb, invers, Sperrbetrieb, Flussbetrieb I E (1-A). I E A. I E I C0 I C Gleichstromübertragungsfaktor A 1 (Emitterergiebigkeit, Emitterwirkungsgrad) I B Ersatzschaltbild Normalbetrieb (statisch) A F I E U EB < 0 und U CB u T E I E I B I C0 I C C Aufgabe 6 Betriebseigenschaften durch u T stark temperaturabhängig! B Prof. Dr. M. Hein Seite 5

6 1. Eingang: I B (U BE U CE 3. Stromübertragung: I C (I B U CE Kennlinienfelder (BJT) 2. Ausgang: I C (U CE I B 4. Rückwirkung: U BE (U CE I B Prof. Dr. M. Hein Seite 6

7 Aussteuerbereich (BJT) Grundlage für Arbeitspunkt- Einstellung und Schaltungsdimensionierung 1 Kollektorrestspannung 2 Kollektor-Emitter-Reststrom 3 Maximaler Kollektorstrom 4 Maximales U CE (Durchbruch) 5 Maximale Verlustwärme ~ I C U CE Prof. Dr. M. Hein Seite 7

8 HF-Kleinsignalbeschreibung (Basisschaltung) A F I E α(f)i E I E I C E C C I E r ED I C I B I C0 c ED c CS r CS B I B HF-Stromübertragungsfaktor B Tiefpass-Verhalten mit Grenzfrequenz f α Laufzeiteffekte im Basisraum Wechselstrom-Kleinsignal-ESB Differentielle Elemente Physikalisch berechenbar Innere Wirkungsweise f-abhängige Stromverstärkung α(f) Elementewerte AP-abhängig Prof. Dr. M. Hein Seite 8

9 Grenzfrequenzen (Emitterschaltung) Giacoletto (gültig bis f α /2) Transitfrequenz: β(f T ) = 1 B r BB B c BC r B E c B E U B E c B C r B C g m U B E C r CE f T beschreibt unity-gain bandwidth f = f β 1 f /(1 α ) = f 2 T β 0 β 0 α Maximale Schwingfrequenz f max : G = 1 (f 2 max ~ f α /τ B C, f max > f T ) Messbare Dreitor-Eigenschaften des äußeren Transistors; π-schaltung mit Minimalzahl von Elementen Stromübertragungsfaktor α(f) β0 β (f) = rb'e gm = = 1 α (f) 1+ j f / f fβ = f α (1 α 0 ) E β Stromverstärkung α, β β 0 f β α 0 f α Aufgabe Frequenz f [Hz] Prof. Dr. M. Hein Seite 9

10 Mikrowellen-Bipolartransistoren Anforderungen an kurze Laufzeiten 1. Kleine E-Fläche (kurze Ladezeiten) 2. Kleine B-Dicke (kurze Laufzeiten, 100 nm) 3. Optimale C-Raumladungszone (kurze Laufzeiten kleine Kapazität) 4. Kleine B-Fläche (geringe Verluste, Rückwirkung, Ausgangsadmittanz) Gleichzeitig möglichst viele Kriterien erfüllen: hohe Ansprüche an BE-Entwurf und Technologien (Mikrostrukturen, hohe Stromdichten) Rauschzahl AP-abhängig Frequenzabhängigkeit durch G U Streuparameter ESB von Giacoletto oder numerische Modelle Wärme (B), Schrot (E); Stromverteilung (B-Rekombination) Prof. Dr. M. Hein Seite 10

11 Heterobipolartransistoren (HBT) Problem (Bezug: BJT) Lösungsansatz Energiebarriere für Löcherinjektion B-E E I rekomb I nd C I pd B A I n / (I n + I p ) = 1 / (1 + I p /I n ) < 1 Geringe B-Dotierung Erhöhter Bahnwiderstand z.b. AlGaAs/GaAs InGaP/GaAs, InP/InGaAs Vorteil HBT I n /I p ~ n E /p B e W v/kt Höhere B-Dotierung (R b ) Kleinere E-Dotierung (C E ) Größere Stromverstärkung (β) Höhere Grenzfrequenzen Prof. Dr. M. Hein Seite 11

12 HBT: Beispielrealisierungen GaAs/GaInP Leistungs-HBT für die Mobilkommunikation B E C 2 µm Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin. P. Kurpas et al., IEEE MTT-S Microwave Symposium Digest 2001, pp ; copyright bei IEEE. Prof. Dr. M. Hein Seite 12

13 HBT-Leistungsmerkmale 1 kw GHz 2 F. Schwierz and J.J. Liou Modern Microwave Transistors Theory, Design, and Performance, Wiley-Interscience, 2003 Prof. Dr. M. Hein Seite 13

14 Feldeffekt-Transistoren (unipolare Transistoren) Stromsteuerung durch Spannung senkrecht zum Ladungsfluss Ideen seit 1925 (technologische Realisierung erst um 1950) S Source // G Gate // D Drain Nur Majoritätsträger beteiligt Keine Diffusionsträgheit! Steuerstrecken (gate-source) S G D n + n + n Semiisolierendes GaAs Metall Kanal pn, MIS, MOS, MeS (Schottky) Homogen (FET) oder heterogen (HFET) U DS n- oder p-leitend S I D D Selbstsperrend oder selbstleitend (normally off, normally on) U GS Anreicherungs- oder Verarmungsbetrieb G Prof. Dr. M. Hein Seite 14

15 Feldeffekt-Transistoren: Der Kanal S G D G Sperrschicht n + n + n Semiisolierendes GaAs Metall Kanal d w s w U g (x) w d U S Kanal D x=0 x=l Raumladungszone verbreitert sich von S nach D durch Spannungsabfall entlang des Kanals Mit zunehmender G-Spannung verringert sich D-Strom wegen zunehmender Kanal-Abschnürung Ladungsträgergeschwindigkeit nimmt mit Einschnürung bis zur Sättigungsdriftgeschwindigkeit zu Pinch-off-Spannung U p : Kanal völlig abgeschnürt Prof. Dr. M. Hein Seite 15

16 Kennlinienfelder (FET) Übertragungskennlinien I D (U GS ) U DS U GS U p : Steuerbarer Einschaltwiderstand Sättigung: Konstantstromquelle Drain-Strom I/G 0 U S 0.5 U /U = -0.2 GS p Ausgangskennlinien I D (U DS U GS Sättigungskurven ; bei allen FET-Typen ähnlich (Einschnürung) Negativer Temperaturkoeffizient; thermisch stabil Drain-Spannung U DS /U p Aussteuerbereich Maximalströme, -spannungen Kompromiss Verstärkung Aussteuerung Prof. Dr. M. Hein Seite 16

17 HF-Kleinsignalbeschreibung (S-Schaltung, gültig bis etwa f T /3) S c GS G c GD D G R g c GD D R s r GS S* C G r GS g d g d u GS c GS u 1 S*u GS u 2 C D R g R s C D Steilheit S 0 durch Driftsättigung begrenzt S ESB reflektiert physikalische Eigenschaften CFY 10: c GS =0.45 pf, c GD =0.03 pf, c DS =0.12 pf R G =R S =R D =r GS =4.5 Ω, r DS =750 Ω; S=38 ms, f T =13.4 GHz S Kanallaufzeit Transitfrequenz Maximale Schwingfrequenz Steilheit, Rückwirkung Entwurfsoptimierung Prof. Dr. M. Hein Seite 17

18 Mikrowellen-FET Anforderungen: Hohe Steilheit und kurze Laufzeiten 1. Starke Dotierung im Kanal (hohe Leitfähigkeit) 2. Kleine G-Länge (kurze Laufzeiten) 3. Optimierte Kanaldicke (Kanalleitwert steigt mit d Steilheit begrenzt bei großen d; Kompromiss L/d ~ 5) 4. Kleine parasitäre Elemente Gleichzeitige Erfüllung möglichst vieler Kriterien: Hohe Ansprüche an BE-Entwurf und Technologien Aufgabe 8 Rauschzahl Frequenzabhängigkeit durch S(f) F ~ f Hauptsächlich thermisches Rauschen, das bei tieferen Temperaturen abnimmt Prof. Dr. M. Hein Seite 18

19 Dual-Gate-FET Integrierte Schaltung Serienschaltung Source Gate G 2 G 1 D G 1 D 1 S 2 D 2 u 1 u 2 Anwendungen Doppelsteuerung (Tetrode) Regelbare Verstärker, Mischer, Phasenschieber Verstärkung (Kaskode) Verbesserungen bzgl. Gewinn, Stabilität, Rauschen Verstärkungssteuerung (z.b. BF1204 Philips) Dual N-channel dual-gate MOS-FET Gain controlled lownoise amplification VHF / UHF frequencies S S 1 S 1 G 2 G 2 Prof. Dr. M. Hein Seite 19

20 High electron mobility -Transistoren (HEMT) Etwa 10 nm dicker Kanal, zweidimensionales Elektronengas (2DEG) Gate-Spannung beeinflusst Lage des Ferminiveaus Höhere Beweglichkeit und geringere Rauschzahl als bei homo-fet S G D n + n + Kanal (2DEG) Semiisolierendes GaAs n-ga x Al 1-x As Ga x Al 1-x As (undotiert) GaAs (undotiert) Prof. Dr. M. Hein Seite 20

21 High electron mobility -Transistoren (HEMT) Skript HEMT, Prof.W.Bächtold, früher ETH-IFH Prof. Dr. M. Hein Seite 21

22 HEMT: Entwicklungsrichtungen (Auswahl) InP HEMT GaAs mhemt GaAs phemt Si MOSFET konkurrenzfähig (insbes. unter 100 nm) f max 1 THz (Gatelänge 35 nm) PD Dr. F. Schwierz (TU Ilmenau), Oktober 2012 Prof. Dr. M. Hein Seite 22

23 Entwicklungsstand ( 2000) Zinke/Brunswig: HF-Technik Bd. 2 plus Aktualisierungen 1 kw GHz 2 Leistungsverstärkung Rauschzahl Ausgangsleistung InP HEMT SiGe HBT AlGaN/GaN HEMT, SiC MESFET Prof. Dr. M. Hein Seite 23

24 Entwicklungsstand (2008) 5 kw GHz GHz: Si LDMOS, GaAs (phemt, HBT), GaN HEMT GHz: GaAs (phemt, mhemt), InP und GaN HEMT GHz: InP HEMT PD Dr. F. Schwierz (TU Ilmenau), Tutorial EuMIC 2008 Prof. Dr. M. Hein Seite 24

25 Transistor-Schaltungen Basis für HF-Anwendungen 1. Aktives Element (Leistungsumsetzung) für f < f max 2. Ein- und Ausgangs-Kennlinien: linearer Bereich vs nichtlinear Anwendungsfelder (vgl. auch CAD-Übungen) Kleinsignalverstärker: Rauscharmut und Leistungsverstärkung Selektiv- vs Breitbandverstärker: Frequenzgang, Stabilität, Anpassung Leistungsverstärker: Linearität, Wirkungsgrad, maximale Leistung S-Parameter aussteuerungsabhängig, Nichtlinearitäten Transistormodelle, geeignete Messverfahren (load-pull) Oszillatoren Elektronisch schalt- oder steuerbare Elemente (vgl. Diodenschaltungen) Mischer Prof. Dr. M. Hein Seite 25

26 Breitband-Verstärker (1/3) Anforderung Kompensation der frequenzabhängigen Leistungsverstärkung über Bandbreite Methoden Anpassnetzwerke (m/o Verluste, hohes VSWR an unterer Bandgrenze) Eintaktverstärker mit Einwegleitungen Eingang Einwegleitung (Isolator) Verstärker Ausgang 50 Ω Prof. Dr. M. Hein Seite 26

27 Breitband-Verstärker (2/3) Methoden Parallelschaltung Verstärker mit Hybriden (Leistungsaufteilung 3 db 90 o ) Eingang 3-dB-Hybrid Verstärker (r a -r b )/2 1 2 r a t a 4' 3' (t a -t b )/2 (r a +r b )/ ' 1' (t a +t b )/2 50 r b t b Ausgang Vorteile von Parallelschaltungen Transistoren entkoppelt Kleinere Fehlanpassung (symmetrische Schaltung immer angepasst) Doppelte Leistung möglich Flacherer Frequenzgang Prof. Dr. M. Hein Seite 27

28 Breitband-Verstärker (3/3) Methoden Wanderwellen, Kettenverstärker Ausgangsleitung P 2 Synchronbedingung τ = τ e a P P P P Additive Leistungsverstärkung P 1 Eingangsleitung G n Y n Re Y + 2 / Z 21 = 22 L 2 Siehe auch Vorlesungen Hochfrequenztechnik 1 und 2 Prof. Dr. M. Hein Seite 28

29 Selektivverstärker Anforderung Frequenzselektive Verstärkung, z.b. Hauptselektion Siehe auch Vorlesungen Hochfrequenztechnik 1 und 2 Methoden Schwingkreise lose angekoppelt (Güte-Belastung, Leistungsanpassung) Antenne HF BP 1 V 1 V n BP 2 BP n Demod ZF-Verstärker NF Antenne HF Filter V Demod NF ZF-Verstärker Filterdesign: Bandfilter, charakteristische Funktionen Prof. Dr. M. Hein Seite 29

30 Leistungsverstärker Siehe auch Beschreibung in den Vorlesungen Hochfrequenztechnik 1 und 2 Anforderung Möglichst hohe Ausgangsleistung über Betriebsbandbreite ohne thermische Überlastung oder BE-Durchbruch Methoden Parallelschaltung von Transistoren (Impedanzniveau sinkt) Gegentaktanordnung: Minimierung der 2. Harmonischen (Wirkungsgrad) Zahlenbeispiel: 288 Transistoren, 1.3 GHz, 30 kw Puls (Radar) Prof. Dr. M. Hein Seite 30

31 Leistungsverstärker: Nichtlinearitäten Schränken Dynamikbereich und spektrale Reinheit ein: Kompression (1-dB-Kompressionspunkt) Harmonischen-Erzeugung und Intermodulation (insbes. 3. Ordnung) Nachbarkanalstörung (ACPR) Blocking, Kreuzmodulation, AM-PM-Umwandlung Linearisierungsmaßnahmen Prof. Dr. M. Hein Seite 31

32 Steuerbare Reaktanzschaltungen Eigenschaften RC- oder RL-rückgekoppelte Transistorschaltung (aus Röhrentechnik) Elektronisch steuerbar, passiv, reziprok, potentiell hochgütig Vielfältige Anwendungen in frequenzselektriven Schaltungen (Resonatoren, Filter, Oszillatoren) Realisierungsmöglichkeiten C R L R C eff = S RC L eff = S -1 L/R C R L C eff = S L/R R L eff = S -1 RC Dimenisonierung R,SC 1 out Rückwirkungsfrei (C 12 = 0) RC Leff,0 Qeff,0 ωrc 1 S Mit Rückwirkung (C 12 > 0) 1 Leff Leff, ( ωrc ) Q Q ( ω R) C (C + C ) eff eff, S. Loracher, Dissertation, TU Ilmenau, in Bearbeitung (2016) Prof. Dr. M. Hein Seite 32