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3. Transistoren
Schaltungen und Bausteine der HMTProf. Dr. M. Hein Seite 1
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Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
Bipolar-Transistoren
Homogene pn-Übergänge (Bipolartransistor, BJT)
Heterostrukturen (Hetero-Bipolartransistor, HBT)
Feldeffekt-Transistoren (unipolar)
Homogene Kanäle (Feldeffekttransistor, FET)
Heterostrukturen (HFET, HEMT)
Transistor-Schaltungen (exemplarisch)
Entwurfsziele HF: Bandbreite, Leistung, Linearität
3. Transistoren: Typen, Beschreibung und Funktionen
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Zwei anschließende pn-Übergänge mit gemeinsamer Mittelschicht
Bipolar-Transistoren
• Beschaltung für Normalbetrieb (Basisschaltung) BE-Diode schwach in Durchlassrichtung, BC-Diode stark in Sperrrichtung
• Dotierung für Normalbetrieb B viel schwächer dotiert als E und C• Diffusion von Elektronen („feldfrei“) E → B → C• Hohe Stromausbeute → kleine Ausdehnung db• Basisbahnwiderstand Rb ~ 1/Dotierung
• Hohe Frequenzen Kleine Kapazitäten => kleine E- und C-Flächen• Geometrische Anordnung und Abmessungen• Technologie (Diffusion, Epitaxie, Ionenimplantation)
npn gegenüber pnp bevorzugt (Beweglichkeit der Majoritätsträger)
E
B
CIE IC
IB
UCE
UEB UCB
E n np
B
C
3. Transistoren
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Dotierungsprofil eines Hochfrequenz-Bipolartransistors
• E hochdotiert und dünn• Übergang zu B nahezu abrupt• B nahe E hoch dotiert, Gefälle Richtung C
• Nb(0) ≈ Ne/100 • Profil "kippt" Bandkanten (inneres Feld)• Driftfeld beschleunigt Ladungstransfer
• Kollektorsperrschicht möglichst bis an n+
• Emitterweite im µm-Bereich• Basisdicke db ≈ 0.1 µm (kritisch)
• NBdb > NCdc, damit C-Sperrschicht nicht bis E durchgreift
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BJT: Aufbau (Beispiele)
Bauelement-Optimierung in Bezug auf
HF-Elektronik, Prof. Dr. Solbach, GMU DuisburgVgl. Skript „Halbleiterbauelemente“, Prof. Andreas Schenk, http://www.iis.ee.ethz.ch/~schenk/BE.html
• hohe Verstärkung• niedrige Rauschzahl• hohe Betriebsfrequenzen• hohe Leistung
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IB
IE IC
Doppelter pn-Übergang (Ebers-Moll-Gleichungen, zwei Shockley-Terme)
4 mögliche Betriebsarten: Normal, invers, gesperrt, durchgeschaltet
Ströme in Bipolartransistoren
GleichstromübertragungsfaktorA ≈ 1 Emitterergiebigkeit,
Emitterwirkungsgrad
Ersatzschaltbild Normalbetrieb (statisch)
UEB < 0 undUCB uT
Betriebseigenschaften durch uT exponentiell temperaturabhängig!
A.IE
(1-A).IE IC0
IE IC
IB IC0
AFIE
B
E C
Aufgabe 6
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4. Rückwirkung: UBE(UCE) @ IB
Ken
nlin
ienf
elde
r (B
JT)
1. Eingang: IB(UBE) @ UCE
2. Ausgang: IC(UCE) @ IB
3. Stromübertragung: IC(IB) @ UCE
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Aussteuerbereich (BJT)
Grundlage für Arbeitspunkt-Einstellung und Schaltungs-dimensionierung
1 – Kollektorrestspannung2 – Kollektor-Emitter-Reststrom3 – Maximaler Kollektorstrom4 – Maximales UCE (Durchbruch)5 – Maximale Verlustwärme ~ ICUCE
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Laufzeiteffekte im Basisraum
HF-Kleinsignalbeschreibung (Basisschaltung)
HF-Stromübertragungsfaktor
Tiefpass-Verhalten mit Grenzfrequenz fα
• Differentielle Elemente• Physikalisch berechenbar• Innere Wirkungsweise• f-abhängige Stromverstärkung α(f)• Elementewerte AP-abhängig
Wechselstrom-Kleinsignal-ESB
IE IC
IB IC0
AFIE
B
E C CrED
α(f)iE
rCS
IE IC
IB
B
cED cCS
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Grenzfrequenzen (Emitterschaltung)
Stromübertragungsfaktor
Giacoletto (gültig bis fα/2) Transitfrequenz: |β(fT)| = 1fT beschreibt „unity-gain bandwidth“
Maximale Schwingfrequenz fmax: G = 1 (f2
max ~ fα/τB‘C, fmax > fT)
Messbare Dreitor-Eigenschaften des äuße-ren Transistors; π-Schaltung mit Minimal-zahl von Elementen
10-1
100
101
102
103
100 101 102 103 104 105 106
Stro
mve
rstä
rkun
g α
, β
Frequenz f [Hz]
α0
β0
fβ
fα
B
rCE
C
E
B’
gmUB’E
rB’C
cB’C
cBC
rBB’
rB’EcB’E
UB’E
Aufgabe 7
β
βαβ = ⋅ = =
− α + ⋅0
B'E m(f )(f ) r g
1 (f ) 1 j f / f
β β α= ⋅ β − ≈ − α =2T 0 0f f 1 f /(1 ) f
β α= ⋅ − α0f f (1 )
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Anforderungen an kurze Laufzeiten1. Kleine E-Fläche (kurze Ladezeiten, aber hohe Strombelastung)2. Kleine B-Dicke (kurze Laufzeiten, ≈ 100 nm)3. Optimale C-Raumladungszone (kurze Laufzeiten ↔ kleine Kapazität)4. Kleine B-Fläche (geringe Verluste, Rückwirkung, Ausgangsadmittanz)
Mikrowellen-Bipolartransistoren
Gleichzeitig möglichst viele Kriterien erfüllen => hohe Ansprüche an BE-Entwurf und Technologien (Mikrostrukturen, hohe Stromdichten)
S-ParameterAus ESB von Giacoletto oder numerische Modelle
RauschzahlAP-abhängigFrequenzabhängig: GU ~ 1/f2
Wärme (B), Schrot (E); Stromverteilung (B-Rekombination)
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Heterobipolartransistoren (HBT)Lösungsansatz
Energiebarriere für Löcherinjektion B-E
Geringe B-DotierungErhöhter Bahnwiderstand
Vorteil HBT
z.B. AlGaAs/GaAsInGaP/GaAs, InP/InGaAs
Höhere B-Dotierung (Rb) Kleinere E-Dotierung (CE) Größere Stromverstärkung (β) Höhere Grenzfrequenzen
Problem (Bezug: BJT)
InD
IpD
Irekomb
E C
B
n
pn p
n
I 1A II I 1I
= =+
+V
B
Wk Tn E
p B
I n~ eI p
∆
⋅
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C
BE
2 µm
HBT: BeispielrealisierungenGaAs/GaInP Leistungs-HBT für die Mobilkommunikation
Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin. www.fbh-berlin.de/deutsch/techn_trans.htm
P. Kurpas et al., IEEE MTT-S Microwave Symposium Digest 2001, pp. 633-636; copyright bei IEEE.
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HBT-Leistungsmerkmale
F. Schwierz and J.J. LiouModern Microwave Transistors – Theory, Design, and Performance, Wiley-Interscience, 2003
1 kW·GHz2
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S Source // G Gate // D Drain
Nur Majoritätsträger beteiligt→ Keine Diffusionsträgheit!
Stromsteuerung durch Spannung senkrecht zum LadungsflussIdeen seit 1925 (technologische Realisierung ab 1950)
Feldeffekt-Transistoren (unipolare Transistoren)
Steuerstrecken (gate-source)• pn, MIS, MOS, MeS (Schottky)• Homogen (FET) oder heterogen (HFET)• n- oder p-leitend• Selbstsperrend oder selbstleitend
(normally off, normally on)• Anreicherungs- oder Verarmungsbetrieb
S
G
DID
UDS
UGS
n+ n+
n Kanal
Semiisolierendes GaAs
Metall
S G D
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• Raumladungszone verbreitert sich von S nach D durch Spannungsabfall entlang des Kanals, wd > ws
• Mit zunehmender Gate-Spannung verringert sich Drain-Strom wegen zunehmender Kanal-Abschnürung (d – wd)
• Ladungsträgergeschwindigkeit nimmt mit Einschnürung bis zur Sättigungsdriftgeschwindigkeit zu
• Pinch-off-Spannung Up: Kanal völlig abgeschnürt (wd = d)
Feldeffekt-Transistoren: Der Kanal
n+ n+
n Kanal
Semiisolierendes GaAs
Metall
S G D G
S D
x=0 x=L
d
ws wwd
U
Ug(x)
Kanal
Sperrschicht
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Sättigung: Konstantstromquelle
Kennlinienfelder (FET)
UDS UGS – Up:Steuerbarer Einschaltwiderstand
Übertragungskennlinien ID(UGS)
Ausgangskennlinien ID(UDS) @ UGS„Sättigungskurven“; bei allen FET-Typen ähnlich (Einschnürung)Negativer Temperaturkoeffizient; thermisch stabil
AussteuerbereichMaximalströme, -spannungen → Kompromiss Verstärkung – Aussteuerung
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Dra
in-S
trom
I/G
0US
Drain-Spannung UDS
/Up
UGS
/Up= -0.2
-0.1
0
0.1
0.2
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GS D
CD
Rs
gd
S*
cGDcGS
rGS
HF-Kleinsignalbeschreibung (S-Schaltung, gültig bis etwa fT/3)
Maximale SchwingfrequenzSteilheit, Rückwirkung →Entwurfsoptimierung
S0 durch Driftsättigung begrenzt
ESB reflektiert physikalische EigenschaftenCFY 10: cGS=0.45 pF, cGD=0.03 pF, cDS=0.12 pF
RG=RS=RD=rGS=4.5 Ω, rDS=750 Ω; S=38 mS, fT=13.4 GHz
G D
u1 u2S*uGS
gd
S S
cGD
cGS
rGS
Rg
Rs
uGS
Rg
CG
CD
Steilheit
Kanal-laufzeit
Transitfrequenz
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Anforderungen: Hohe Steilheit und kurze Laufzeiten
Mikrowellen-FET
Gleichzeitige Erfüllung möglichst vieler Kriterien: Hohe Ansprüche an BE-Entwurf und Technologien
RauschzahlFrequenzabhängig durch S(f) ~ 1/f
Hauptsächlich thermisches Rauschen,das bei tieferen Temperaturen abnimmt
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
Aufgabe 8
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Integrierte SchaltungSerienschaltung Source – Gate
Dual-Gate-FET
AnwendungenDoppelsteuerung (Tetrode) → Regelbare Verstärker, Mischer, PhasenschieberVerstärkung (Kaskode) → Verbesserungen bzgl. Gewinn, Stabilität, Rauschen
Dual N-channel dual-gate MOS-FETGain controlled low-noise amplificationVHF / UHF frequencies
Verstärkungssteuerung(z.B. BF1204 Philips)
G1
G2
S
D
u1
u2
S1
G1
G2
D2S2D1
G2S1
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• Etwa 10 nm dicker Kanal, zweidimensionales Elektronengas (2DEG)• Gate-Spannung beeinflusst Lage des Ferminiveaus• Höhere Beweglichkeit und geringere Rauschzahl als bei homo-FET
„High electron mobility“ -Transistoren (HEMT)
n+ n+
Kanal (2DEG)
Semiisolierendes GaAs
S G D
n-GaxAl1-xAsGaxAl1-xAs (undotiert)
GaAs (undotiert)
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„High electron mobility“ -Transistoren (HEMT)
Skript „HEMT“, Prof.W.Bächtold, früher ETH-IFH
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HEMT: Entwicklungsrichtungen (Auswahl)
• InP HEMT →GaAs mHEMT →GaAs pHEMT
• Si MOSFET konkurrenzfähig (insbes. unter 100 nm)
• fT bis 300 GHz, fmax ≈ 1 THz(Gatelänge 35 nm)
• S0 bis 1.5 mS/mm
PD Dr. F. Schwierz (TU Ilmenau), Oktober 2012
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Entwicklungsstand (≈ 2000)
Leistungs-verstärkung
Rauschzahl
Ausgangsleistung
Zinke/Brunswig: HF-Technik Bd. 2plus Aktualisierungen
1 kW·GHz2
InP HEMT SiGe HBT AlGaN/GaN HEMT, SiC MESFET
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Entwicklungsstand (2008)
PD Dr. F. Schwierz (TU Ilmenau), Tutorial EuMIC 2008
1…10 GHz: Si LDMOS, GaAs (pHEMT, HBT), GaN HEMT10…100 GHz: GaAs (pHEMT, mHEMT), InP und GaN HEMT100…1000 GHz: InP HEMT
5 kW·GHz2
3. Transistoren
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Anwendungsfelder (vgl. auch CAD-Übungen)
Transistor-SchaltungenBasis für HF-Anwendungen
1. Aktives Element (Leistungsumsetzung) für f < fmax
2. Ein- und Ausgangs-Kennlinien: lineare versus nichtlineare Bereiche
• Kleinsignalverstärker: Rauscharmut und Leistungsverstärkung• Selektiv- vs Breitbandverstärker: Frequenzgang, Stabilität, Anpassung• Leistungsverstärker: Linearität, Wirkungsgrad, maximale Leistung
S-Parameter, Verstärkung, Phasengang: aussteuerungsabhängig (X-Parameter)nichtlin. Transistormodelle, geeignete Messverfahren (load-pull)
• Oszillatoren• Elektronisch schalt- oder steuerbare Elemente (vgl. Diodenschaltungen)• Mischer
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Breitband-Verstärker (1/3)AnforderungKompensation der frequenzabhängigen Leistungsverstärkung über Bandbreite
MethodenAnpassnetzwerke (m/o Verluste, hohes VSWR an unterer Bandgrenze)Eintaktverstärker mit Einwegleitungen
Eingang Ausgang
50 Ω
Einwegleitung(Isolator) Verstärker
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Vorteile von Parallelschaltungen• Transistoren entkoppelt• Kleinere Fehlanpassung (symmetrische Schaltung immer angepasst)• Doppelte Leistung möglich• Flacherer Frequenzgang
Breitband-Verstärker (2/3)
Parallelschaltung Verstärker mit Hybriden (Leistungsaufteilung 3 dB 90o)Methoden
(ra+rb)/2
Eingang
50
Verstärker
Ausgang
3-dB-Hybrid
1 2
3 4 2'
4'
1'
3'
ra
rb
(ra-rb)/2
(ta+tb)/2
(ta-tb)/2ta
tb
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e aτ = τ
Synchronbedingung
2
21
22L
n YG 2n Re Y
Z
⋅ = ⋅ +
Additive Leistungsverstärkung
Ausgangsleitung
EingangsleitungP1
P2
∆P ∆P ∆P ∆P
Siehe auch Vorlesungen Hochfrequenztechnik 1 und 2
Breitband-Verstärker (3/3)
Wanderwellen, KettenverstärkerMethoden
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SelektivverstärkerAnforderungFrequenzselektive Verstärkung, z.B. Hauptselektion
MethodenSchwingkreise lose angekoppelt (Güte-Belastung, Leistungsanpassung)
Antenne
HF NFBP1
V1 VnBP2 BPn Demod
ZF-Verstärker
Antenne
HF FilterV
NFDemod
ZF-Verstärker
Filterdesign: Bandfilter, charakteristische Funktionen
Siehe auch VorlesungenHochfrequenztechnik 1 und 2
3. Transistoren
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LeistungsverstärkerAnforderungMöglichst hohe Ausgangsleistung über Betriebsbandbreite ohne thermische Überlastung oder elektronischen Durchbruch
MethodenParallelschaltung von Transistoren (Impedanzniveau sinkt)Gegentaktanordnung: Minimierung der 2. Harmonischen (Wirkungsgrad)
Zahlenbeispiel:288 Transistoren,1.3 GHz, 30 kW Puls (Radar)
Siehe auch Beschreibung in den VorlesungenHochfrequenztechnik 1 und 2
3. Transistoren
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Leistungsverstärker: NichtlinearitätenSchränken Dynamikbereich und spektrale Reinheit ein:• Kompression (1-dB-Kompressionspunkt)• Harmonischen-Erzeugung und Intermodulation (insbes. 3. Ordnung)• Nachbarkanalstörung (ACPR)• Blocking, Kreuzmodulation, AM-PM-Umwandlung
http://de.wikipedia.org/w
iki/Adjacent_Channel_Pow
er
Linearisierungsmaßnahmen
3. Transistoren
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Steuerbare ReaktanzschaltungenEigenschaften• RC- oder RL-rückgekoppelte Transistorschaltung (Vorbild: Röhrentechnik)• Elektronisch steuerbar, passiv, reziprok, potentiell hochgütig• Nützliche Anwendungen in frequenzselektiven Schaltungen
(Resonatoren, Filter, Oszillatoren)
S. Loracher, Dissertation, TU
Ilmenau, in Bearbeitung (2016)
Realisierungsmöglichkeiten Dimenisonierung→∞ ⋅ outR , S C 1
≈eff ,0RCLS
≈ ω eff ,0Q RC 1
Rückwirkungsfrei (C12 = 0)
≈ ⋅+ ωeff eff ,0 2
12
1L L1 ( RC )
≈ ⋅+ ω +eff eff ,0 2
12 12
1Q Q1 ( R) C (C C )
Mit Rückwirkung (C12 > 0)
Leff = S–1·RC
R
C R
L
L
R
R
C
Ceff = S·L/R
Ceff = S·RC
Leff = S–1·L/R