Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Усилительный каскад на мощном многокристальном широкополосном LDMOS транзисторе s-диапазона частот Романовский Станислав Михайлович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Романовский Станислав Михайлович. Усилительный каскад на мощном многокристальном широкополосном LDMOS транзисторе s-диапазона частот: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.27.01 / Романовский Станислав Михайлович;[Место защиты: ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет»], 2018.- 112 с.

Введение к работе

Актуальность темы. Мощные усилители радиочастотного

диапазона применяются в радарах гражданского и военного назначения, в
авионике, в приемо-передающих базовых станциях сотовой связи, в
медицине, в беспроводных компьютерных сетях, в цифровом телевидении,
и др. В зависимости от применения усилители должны работать при
заданном в техническом задании наборе условий и при этом выдавать
требуемые эксплуатационные характеристики. Данные характеристики
включают выходную мощность в полосе частот (Рвых), коэффициент
полезного действия (КПД), устойчивость, равномерность амплитудно-
частотной характеристики, коэффициент усиления по мощности (Кур),
линейность, температурную стабильность, фазо-частотные

характеристики, параметры фронтов выходного радиоимпульса и т.д.
Основная часть эксплуатационных характеристик усилителя определяется
параметрами отдельных усилительных каскадов и параметрами

используемых транзисторов. При этом постоянно растущие требования рынка побуждают разработчиков транзисторов к повышению их эксплуатационных характеристик.

В перечень эксплуатационных характеристик мы включаем ряд параметров, характеризующих устойчивость рабочего режима транзистора. Помимо устойчивости параметров транзистора в диапазоне температур или в зависимости от режима, принципиальными моментами являются устойчивость при рассогласовании нагрузки усилительного каскада и устойчивость транзистора по отношению к поперечным колебаниям, возникающим в структуре многокристального транзистора, что является предметом представленных модельных исследований. Следует отметить, что перечисленная совокупность эффектов возможной неустойчивости оказывается во многом взаимосвязанной. В ряде случаев эффекты неустойчивости могут сопровождаться возникновением паразитной генерации.

Основные типы мощных СВЧ транзисторов – это ДМОП транзисторы с горизонтальным каналом (LDMOS), полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе гетероструктур GaN и биполярные транзисторы. Исследования сконцентрированы на мощных СВЧ LDMOS транзисторах, предназначенных для применения в радарах. Можно отметить, что результаты данной работы могут быть использованы применительно к другим типам транзисторов, в частности к GaN-HEMT.

Настоящая работа относится к сфере научных исследований, которая
ориентирована на решение проблем, возникающих при создании новых,
более совершенных приборов. Главная задача исследования – связать
физические и конструктивные параметры усилительного каскада на
мощном СВЧ LDMOS транзисторе с его потенциальными

эксплуатационными характеристиками и, таким образом, оптимизировать конструкцию прибора.

Для проведения данных исследований была разработана

оригинальная система анализа мощных усилительных каскадов на СВЧ LDMOS транзисторах в существенно нелинейном режиме. Данная система включает совокупность структурных моделей исследуемых транзисторов (основанных на эквивалентных схемах транзисторов) и расчетных программ анализа работы усилительных каскадов. Кроме того, система анализа включает синтез цепей согласования и совокупность мероприятий по определению параметров используемых моделей. С учетом важности роли используемых структурных моделей в работе в ряде случаев используется термин «модельные исследования».

Цель работы

Главной целью работы является исследование путей достижения высоких эксплуатационных характеристик усилительных каскадов на мощных LDMOS транзисторах, работающих в S-диапазоне частот.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

  1. Разработка элементов конструкции кристалла СВЧ LDMOS транзистора, способствующих достижению высоких эксплуатационных характеристик усилительного каскада в S-диапазоне частот.

  2. Разработка системы анализа усилительных каскадов на однокристальном и трехкристальном мощных СВЧ LDMOS транзисторах с учетом существенно нелинейных режимов их работы и возможности появления эффектов паразитного возбуждения.

  3. Анализ взаимных индуктивностей между соединительными проводниками и потерь в корпусе транзистора. Оценка влияния количества и конфигурации проводников на данные параметры. Выработка рекомендаций к конструкции мощного СВЧ LDMOS транзистора, позволяющих расширить полосу рабочих частот и подавить паразитное возбуждение усилительного каскада.

  4. Анализ проблем, возникающих при сложении трех ранее отработанных кристаллов LDMOS транзисторов в одном корпусе. Это проблемы, связанные со снижением эксплуатационных параметров, возникновением эффектов паразитной генерации и выходов из строя в различных режимах работы. Выработка рекомендаций, позволяющих устранить данные негативные эффекты.

Методы исследования

В ходе выполнения диссертационной работы использовался комплексный подход, включающий моделирование, математический анализ, экспериментальные исследования и статистический анализ результатов внедрения рекомендаций в процесс серийного производства.

Расчетные методы, входящие в используемую систему анализа,
представлены следующими видами компьютерного моделирования:
составление программ в среде Matlab для анализа работы усилительного
каскада в существенно нелинейном режиме, схемотехническое

моделирование в программе Microwave office для синтеза цепей
согласования усилительного каскада и расчет в программе

электромагнитного моделирования High Frequency Structure Simulator
(HFSS) для определения параметров моделей. Для расчета физико-
технологических параметров кристалла мощного СВЧ LDMOS
транзистора использовалось моделирование в программе САПР ISE TCAD.

Расчеты подтверждены экспериментальными исследованиями. Измерения эксплуатационных параметров усилительного транзисторного каскада проводилось при использовании современного оборудования. Для измерения некоторых параметров эквивалентных схем усилительных транзисторных каскадов использовался векторный анализатор цепей со специально изготовленными калибровочными наборами, позволяющими проводить калибровку по методу TRL в сечении вывода корпуса транзистора.

Достоверность полученных результатов и обоснованность научных положений

В работе представлено обоснование результатов и аргументация
выводов и практических рекомендаций в области разработки и
промышленного изготовления мощных СВЧ транзисторов. Достоверность
полученных научных результатов обеспечивается использованием
современных методов моделирования и анализа в системах

автоматизированного проектирования (САПР). Экспериментальное

подтверждение полученных результатов модельного исследования выполнено с использованием современного измерительного оборудования.

Достоверность полученных результатов подтверждается реализацией
ряда рекомендаций при создании новых типов приборов, полностью
подготовленных к началу серийного производства. Результаты

исследований были представлены и обсуждались на шести всероссийских научно-технических конференциях.

Научная новизна работы

1. Предложен и реализован оригинальный маршрут изготовления кристалла СВЧ LDMOS транзистора в S-диапазоне частот, который включает шунтирование продольных полицидных (слой поликремния с нанесенным на него слоем силицида тугоплавкого металла) затворных зубцов элементарных ячеек металлическими затворными шинами через металлические ответвленные контактные площадки. Оригинальные особенности конструкции отражены в трех патентах на изобретение (№2473150 от 17.08.2011, №2535283 от 26.06.2013 и №2639579 от 31.03.16).

  1. Разработана оригинальная система анализа работы усилительного каскада (расчет выходной мощности, КПД, Кур, фронтов выходного радиоимпульса и т.д.) на мощном СВЧ LDMOS транзисторе во временной области с тремя складываемыми кристаллами транзисторов и наличием взаимных индуктивностей между рядами проводников в его корпусе. Данная система позволяет, в отличие от метода гармонического баланса, обнаружить паразитное возбуждение усилительного каскада при работе в существенно нелинейном режиме, а также выявить проблемы сложения нескольких кристаллов в корпусе транзистора, включая эффекты поперечной неустойчивости.

  2. Впервые выявлена сложная связь между конфигурацией и количеством соединительных проводников в корпусе мощного СВЧ LDMOS транзистора, с одной стороны, и амплитудно-частотной характеристикой и эффектом возникновения паразитного возбуждения усилительного каскада, с другой стороны. Предложена не используемая ранее конструкция внутренних цепей согласования мощного СВЧ LDMOS транзистора с наличием экранирующих проводников и с заданной определенным образом конфигурацией основных соединительных проводников. Реализация данной конструкции позволит снизить взаимные индуктивности между основными соединительными проводниками и уменьшить потери в согласующих конденсаторах. Экранирующие проводники размещены между каждым из пары в ряду основных соединительных проводников и электрически соединены с одного и другого конца с фланцем корпуса транзистора. Данная конструкция позволяет расширить полосу рабочих частот и существенно подавить паразитное возбуждение. По данной конструкции получен патент на изобретение (№2615313 от 05.11.2015).

  3. В результате модельного исследования впервые было выявлено, что неустойчивость, связанная с возникновением СВЧ токов в поперечных цепях в корпусе многокристального мощного СВЧ LDMOS транзистора, имеет целый ряд сложных модификаций. В частности, для трехкристального LDMOS транзистора, обнаружено два типа паразитных поперечных колебаний: противофазные колебания на крайних кристаллах при минимальных колебаниях на среднем кристалле (1 тип) и синфазные колебания на крайних кристаллах при наличии сравнимых по амплитуде противофазных колебаний на среднем кристалле по отношению к крайним кристаллам (2 тип). Выработан ряд рекомендаций к внутренним цепям многокристального транзистора, в частности – использование соединительных проводников и сопротивлений в поперечных цепях, приводящих к подавлению данных негативных эффектов.

Практическая значимость работы

1. Разработан кристалл мощного СВЧ LDMOS транзистора (БКВП.757644.347), в котором воплощено шунтирование продольных

полицидных затворных зубцов элементарных ячеек металлическими затворными шинами через металлические ответвленные контактные площадки. Транзисторы с данными кристаллами сопоставимы по основным эксплуатационным характеристикам с зарубежными аналогами (ILD2731M30 фирмы Integra Technologies, BLS6G2731-120 фирмы Ampleon и MRF8P29300HR6 фирмы NXP).

  1. Выработанные на базе модельных исследований рекомендации к внутренним цепям согласования, в частности – использование соединительных проводников и сопротивлений в поперечных цепях многокристального транзистора, а также использование определенной конфигурации основных продольных соединительных проводников в корпусе как однокристального, так и многокристального транзистора, с целью увеличения полосы рабочих частот и подавления паразитного возбуждения усилительного каскада, воплощены в конструкции следующих типов мощных СВЧ LDMOS транзисторов: 2ПЕ201А, 2ПЕ301А, 2ПЕ201Б, 2ПЕ301Б1 и 2ПЕ301В2.

  2. Разработанная оригинальная конструкция внутренних цепей согласования мощного СВЧ LDMOS транзистора с наличием экранирующих проводников планируется к использованию в новых типах транзисторов с расширенной полосой рабочих частот и повышенной устойчивостью.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

  1. Повышение Кур и КПД усилительного каскада на мощном LDMOS транзисторе в S-диапазоне частот достигается за счет шунтирования продольных полицидных затворных зубцов элементарных ячеек кристалла транзистора металлическими затворными шинами через металлические ответвленные контактные площадки.

  2. Разработанная система анализа усилительного каскада на мощном СВЧ LDMOS транзисторе во временной области, в отличие от широко распространенного метода гармонического баланса, позволяет связать конструктивные параметры транзисторов с комплексом их эксплуатационных характеристик (выходная мощность, полоса рабочих частот, КПД, Кур и устойчивость) в существенно нелинейном режиме. Специфические возможности разработанной системы связаны с анализом работы трехкристальных СВЧ LDMOS транзисторов и возникающего эффекта поперечной неустойчивости, а также с оценкой влияния взаимных индуктивностей между рядами соединительных проводников в корпусе транзистора на эксплуатационные характеристики усилительного каскада.

  3. Использование в мощном СВЧ LDMOS транзисторе экранирующих проводников, размещенных между каждым из пары в ряду основных соединительных проводников и электрически соединенных с одного и другого конца с фланцем корпуса, и заданной определенным образом конфигурацией основных соединительных проводников

(снижающей взаимные индуктивности между ними и уменьшающей потери в согласующих конденсаторах) приводит к расширению полосы рабочих частот и к подавлению паразитного возбуждения усилительного каскада.

4. В трехкристальном СВЧ LDMOS транзисторе при определенных условиях (рассогласование нагрузки, близость частоты возбуждения к резонансным частотам внутренних поперечных контуров) возникают поперечные колебаний, которые неприемлемы с эксплуатационной точки зрения. Выработанные на базе модельных исследований рекомендации к конструкции многокристального мощного СВЧ LDMOS транзистора, в частности, использование соединительных проводников и сопротивлений в его поперечных цепях, позволяют устранить данные поперечные колебания в оговоренных условиях эксплуатации.

Личный вклад автора

  1. Автором работы при использовании специализированного САПР был проведен анализ конструктивно-технологических параметров кристалла мощного СВЧ LDMOS транзистора. Также автором был предложен способ формирования затворного узла элементарных транзисторных ячеек, который заключается в использовании в конструкции кристалла металлических затворных шин, шунтирующих продольные полицидные затворные зубцы элементарных ячеек металлическими ответвленными контактными площадками. В результате было получено три патента на изобретение. Соавторами соискателя в трех данных патентах являются его непосредственные сотрудники.

  2. Соискатель разработал нелинейные модели как однокристальных, так и многокристальных мощных СВЧ LDMOS транзисторов в используемой системе анализа. Данные модели позволяют проводить анализ эксплуатационных характеристик усилительного каскада, работающего в существенно нелинейном режиме, с учетом влияния взаимных индуктивностей между рядами соединительных проводников в корпусе транзистора. Также соискателем были проведены расчетно-экспериментальные работы по определению параметров эквивалентных схем, лежащих в основе нелинейных моделей.

  3. Автор в программе электромагнитного моделирования провел анализ индуктивностей рядов соединительных проводников и взаимных индуктивностей между ними, а также потерь в корпусе мощного СВЧ транзистора. Соискателем были выработаны рекомендации к количеству и конфигурации соединительных проводников в корпусе транзистора для повышения эксплуатационных характеристик и устранения паразитного возбуждения в усилительном каскаде. Была предложена конструкция внутренних цепей транзистора с наличием экранирующих проводников, по который был получен патент на изобретение.

  1. Соискателем были проведены модельные исследования работы усилительного каскада на трехкристальном СВЧ LDMOS транзисторе, в результате чего были выявлены причины экспериментально наблюдаемого снижения выходной мощности в диапазоне частот и выходов из строя. Соискателем были выработаны рекомендации к построению цепей согласования, позволяющие устранить данные негативные эффекты.

  2. Соискателем были выполнены все экспериментальные работы, включающие измерение эксплуатационных параметров транзисторов, измерение тестовых структур, калибровку измерительных стендов, а также разработку различной оснастки для измерения.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались лично

соискателем и обсуждались на научно-технических конференциях «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА»: (г. Москва, АО «НПП «Пульсар», 2010–2017 гг.).

По результатам диссертационной работы было опубликовано 5 печатных работ в издании, рецензируемом ВАК, 10 работ в материалах всероссийских научно-технических конференций. Также было получено 4 патента на изобретение.

Структура и объем работы