2.Разработка усилителя.

Разработка усилителя по технологии МИС, как правило, включает в себя следующие стадии:

1. Разработка тестового транзистора.

2. Извлечение параметров моделей тестового транзистора.

3. Составление принципиальной схемы с включением в неё моделей тестовых транзисторов и последующее EMмоделирование.

4. Шаблоны.

5. Измерение параметров получившегося устройства.

2.1. Разработка тестового транзистора.

При разработке усилителя необходимо выбрать тип транзистора. Малошумящие усилители СВЧ диапазона могут разрабатываться на основе GaAsHEMT[FMM5716X], [HMCALH382],[CHA2157],[CHA2159],GaAspHEMT[TGA4600],InP(изоморфные)pHEMT[LN375]иGaNpHEMT(ИСВЧПЭ РАН).

Автор [Fun] приводит таблицу с некоторыми параметрами материалов:

Таблица 2. Свойства некоторых материалов, используемых в микроэлектронике.

Свойство	GaAs	InP	GaN	Si
Полуизолирующие свойства подложки	Есть	Есть	Есть	Нет
Сопротивление, Ом∙см	10^7-10^9	~10^7	>10^10	10^3-10^5
Диэлектрическая проницаемость	12.9	14	8.9	11.7
Подвижность электронов, см^2/В∙с	8500	4000	800	1450
Скорость насыщения электронов, см/с	1.3×10^7	1.9×10^7	2.3×10^7	9×10^6
Радиационная стойкость	Очень хорошая	Хорошая	Превосходная	Низкая
Плотность, г/см^3	5.3	4.8	6.1	2.3
Теплопроводность, Вт/см∙С°	0.46	0.68	1.3	1.45
Рабочие температуры, С°	350	300	>500	250
Ширина запрещенной зоны, эВ	1.42	1.34	3.39	1.12
Поле пробоя, кВ/см	400	500	≥5000	≈300

Транзисторы типа GaAsHEMTявляются наиболее распространенными, так как технология изготовления транзисторов на подложках изGaAsявляется хорошо отработанной.GaAsобладает высокой подвижностью электронов, что позволяет использовать его для изготовления высокоскоростных приборов. Также с точки зрения радиационной стойкостиGaAsявляется интересным материалом для космических приложений. Однако, как видно из таблицы 2, его применение для разработки мощных устройств сопряжено с определенными трудностями, в связи с низкой теплопроводностью и сравнительно низким значением поля пробоя. Поэтому широко исследуются новые материалы для изготовления транзисторов.

Рис. 7. Типичная структура GaAsHEMT.[Fun]

Технология изготовления транзисторов на кристаллах из InPявляется очень дорогой, так как сами подложки очень дороги и хрупки. Основная область применения устройств на основе или с добавлениемInP– это малошумящие приложения. Благодаря высокой плотности носителей в канале и высоким значениям подвижности электроновInGaAs, устройства наInPдемонстрируют превосходные шумовые и усилительные характеристики. Несмотря на перечисленные достоинства кристалловInP, их применение для радиационно-стойких приложений ограниченно в связи с невысоким значением пробивного напряжения и невысокой радиационной стойкостью.

Рис. 8. Структура HEMTна подложкеInP.[Fun]

Для GaNне существует технологии выращивания бездефектных кристаллов большого диаметра. Поэтому структуры на основеGaNвыращивают с помощью эпитаксии на подложках изSiCи сапфира с использованием буферных слоев. При этомGaNпозволяет создавать структуры способные работать при повышенных температурах, напряжениях пробоя, стойкие к радиационному воздействию, с повышенной концентрацией носителей в канале. С точки зрения стойкости к радиационному воздействию этот материал является наиболее многообещающим из всех вышеперечисленных.

Рис. 9. Структура pHEMTна основеGaN.[Фед11]

Кроме свойств материала и параметров роста гетероструктуры, на характеристики СВЧ полупроводниковых транзисторов сильно влияет форма и геометрические параметры отдельных топологических элементов прибора. В частности, частота отсечки увеличивается с уменьшением длины затвора транзистора, а форма затвора влияет на значение C_g.

Таблица 3. Характеристики некоторых СВЧ-транзисторов.

Тип прибора Характеристики	GaAs HEMT [PCC85]	GaAs/InP pHEMT[KHG]	InP HEMT[PCC90]	GaN HEMT(сапфир)[WLu02]
Длина затвора, мкм	0,25	0,1	0.15	0,18
G, дБ	7,0(300 К)	7,2(300 К)	5.0-6.6	9/11,6
FMIN, дБ	2,1(300 К)	1.2(300 К)	1.4-2.5	1,1/0,48
F, ГГц	40	94	93	18/12

Как можно видеть, коэффициент шума транзисторов, выполненных с добавлением InPили на подложках изInP, значительно превышает коэффициент шума транзисторов, разработанных с применением других материалов. С другой стороны,GaNдемонстрирует неплохое усиление и коэффициент шума, правда в другом частотном диапазоне.