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3. Transistoren

Schaltungen und Bausteine der HMTProf. Dr. M. Hein Seite 1

WS 2018/2019

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

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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


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)


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

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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

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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

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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

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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

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