Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Tranzystory: historia i współczesność, część 6. Krzemowe MOSFET-y, GaAs, polowe złączowe MESFET

Interesujemy się głównie jak najszybszymi tranzystorami przełączającymi. Ale dla uzyskania pełnego obrazu zagadnienia koniecznie musimy się też zająć innymi szybkimi elementami dużej mocy.
Article Image

Tranzystory mikrofalowe - historia i zastosowania

Wcześniej mówiliśmy o tranzystorach przełączających dużej mocy, pracujących przy częstotliwościach od kilkudziesięciu kiloherców do co najwyżej pojedynczych megaherców. One najbardziej interesują współczesnych profesjonalistów i hobbystów. Ale zanim wrócimy do najnowszych elementów tego rodzaju, koniecznie trzeba wspomnieć o elementach mikrofalowych, pracujących przy częstotliwościach tysięcy megaherców, czyli powyżej 1GHz.

Nie są to elementy przełączające, tylko wzmacniacze sygnałów mikrofalowych, o częstotliwościach od pojedynczych gigaherców do nawet setek gigaherców. Nieco więcej informacji o mikrofalach można znaleźć choćby pod adresem: http://pl.wikipedia.org/wiki/Mikrofale.

Tytułem wprowadzenia trzeba przypomnieć, że od wielu lat do wzmacniania mikrofalowych sygnałów małej mocy wykorzystywano odcinek charakterystyki przejściowej o ujemnej rezystancji rozmaitych diod (diody waraktorowe, tunelowe, Gunna, IMPATT, BARITT...). Natomiast wzmacniacze mikrofalowe dużej mocy realizowano na lampach elektronowych, takich jak klistrony, lampy z falą bieżącą (TWT) i magnetrony.

Magnetrony o mocy wyjściowej rzędu 1 kilowata są zresztą powszechnie wykorzystywane do dziś w dobrze nam znanych kuchenkach mikrofalowych. Aktualnie do wzmacniania sygnałów mikrofalowych coraz częściej wykorzystuje się tranzystory, także dużej mocy we wzmacniaczach o mocach do 100W i przy częstotliwościach grubo ponad 1GHz.

Rys.1 PH3135-90S z MA-COM Technology Solutions

Dziś na rynku dostępne są rozmaite elementy mikrofalowe: bipolarne tranzystory Si, SiGe i GaAs HBT a także unipolarne krzemowe LDMOSFET oraz MESFET i pHEMT z innych półprzewodników, między innymi z GaAs, ale coraz częściej także z SiC i GaN.

Do pracy w niższych zakresach mikrofalowych wykorzystuje się tanie tranzystory krzemowe BJT i krzemowe MOSFET-y. Dostępne są klasyczne tranzystory krzemowe BJT (NPN) przeznaczone do pracy przy częstotliwościach rzędu 3,5GHz. Przykładem może być kilkunastowatowy ASI3005 (Advanced Semiconductor – www.advancedsemiconductor.com/pdf/asi3005.pdf) czy znacznie potężniejszy PH3135-90S z M/A-COM Technology Solutions – rysunek 1.

Krzemowe MOSFET-y (wysokie częstotliwości) - historia i zastosowania

Oprócz bipolarnych, dostępne są też krzemowe MOSFET-y przeznaczone do pracy przy wysokich częstotliwościach, ale nie jako tranzystory przełączające, tylko jako wzmacniacze sygnałów radiowych. Nazywane są LDMOS (Lateral Diffusion MOSFET). Jest to specyficznie produkowana wersja bardzo popularnych MOSFET-ów N normalnie zamkniętych. Są to stosunkowo tanie, do dziś popularne tranzystory mocy wysokiej częstotliwości.

Przykładem może być LDMOSFET produkcji NXP typu BLS7G3135L- 350P o mocy 350W – rysunek 2. Krzem ma liczne zalety, ale też dość istotne wady. Dlatego też krzem nie wyeliminował całkowicie na pozór dużo gorszego germanu. German (Ge) niejako wrócił do gry, ale nie tyle w postaci elementów „czysto germanowych”, tylko w postaci tranzystorów heterozłączowych SiGe. I tu trzeba rozszyfrować skrót HBT. Chodzi o Heterojunction Bipolar Transistorheterozłączowy tranzystor bipolarny.

Heterozłącze to złącze pn z różnych materiałów półprzewodnikowych, gdzie szerokość przerwy energetycznej po obu stronach złącza nie jest jednakowa. Pomysł nie jest nowy – patent na tego rodzaju tranzystory pochodzi z roku 1951. A pierwszy laboratoryjny model mikrofalowego tranzystora HBT przedstawiono w roku 1971. Tranzystory HBT można wykonać z różnych materiałów półprzewodnikowych.

Rys.2 LDMOSFET produkcji NXP typu BLS7G3135L- 350P o mocy 350W

Pomysł realizacji tranzystorów heterozłączowych sięga wczesnych lat 50., jednak różnica rozmiarów siatki krystalicznej krzemu i germanu długo, bo aż do początku lat 90., uniemożliwiała wytworzenie praktycznie użytecznych i trwałych elementów SiGe.

Oznaczenie SiGe HBT wskazuje na tranzystory heterozłączowe krzemowo-germanowe. W dużym uproszczeniu można przyjąć, że są to klasyczne tranzystory bipolarne NPN, w których obszar bazy zbudowany jest ze stopu SiGe, dzięki czemu mogą one pracować przy wyższych częstotliwościach. Dodatek germanu zmniejsza szerokość przerwy energetycznej w złączu kolektorowym. Dodatkowo przyspieszony (polem elektrycznym) transport nośników w bazie zdecydowanie polepsza właściwości częstotliwościowe.

Ich najważniejszą zaletą jest właśnie szybkość – dużo większa niż w krzemowych. Częstotliwość graniczna może sięgać ponad 200GHz. Tranzystory SiGe znalazły zastosowanie w układach wysokiej częstotliwości. Pojawiły się zarówno pojedyncze tranzystory, jak też układy scalone SiGe. Nadal bywają wykorzystywane w urządzeniach telefonii komórkowej.

Trzeba jednak podkreślić, że generalnie są to elementy niskonapięciowe (2...5V), małej mocy. Dokładnie odwrotnie niż w przypadku IGBT, nie ma tranzystorów SiGe dużej mocy. Nie było i nie ma też tranzystorów SiGe, które mogłyby pracować w bardzo szybkich układach przełączających większej mocy. Można wprawdzie jeszcze znaleźć karty katalogowe tranzystorów SiGe o mocy rzędu 1W (np. THN5601B czy DRF1401 z nieaktualnej już oferty koreańskiej firmy Tachyonics). Innym przykładem są nierekomendowane do nowych zastosowań 1-watowe Renesas NESG260234, które znikły z oferty firmy.

Na stronie http://www.northropgrumman.com, można znaleźć kartę tranzystora mocy SiGe WPTB48F2729Cx o napięciu 55V, prądzie 14A, przeznaczonego do pracy w paśmie 2,7...2,9GHz – fotografia 3. Wspominamy o tym dla porządku, bo elementy SiGe, zwłaszcza większej mocy, tracą aktualnie swoje praktyczne znaczenie – są skutecznie wypierane przez inne rodzaje tranzystorów.

Fot.3 Tranzystor mocy SiGe WPTB48F2729Cx

Tranzystory wykonane z arsenku galu (GaAs) - historia i zastosowania

Od lat znane i stosowane są tranzystory wykonane z arsenku galu (GaAs), materiału stosowanego też w elementach optoelektronicznych. Pierwsze komercyjne elementy GaAs, a mianowicie podczerwone diody laserowe, zostały wykonane w roku 1962. A pierwszy eksperymentalny bipolarny tranzystor GaAs powstał już w roku 1961. Około roku 1966 powstały pierwsze tranzystory polowe GaAs.

Od wczesnych lat 70. zaczęły się pojawiać doniesienia o tranzystorowych wzmacniaczach GaAs. W roku 1976 przedstawiono pierwszy MMIC, czyli mikrofalowy układ scalony GaAs. Dopiero jednak w latach 80. tranzystory GaAs zaczęły się upowszechniać. W latach 80. z arsenku galu wykonywano też bardzo szybkie mikroprocesory, które pracowały m.in. w słynnych swego czasu superkomputerach Cray. Na początku lat 90. przedstawiono wzmacniacz GaAs pracujący w mikrofalowym paśmie W, a więc przy częstotliwościach rzędu 100000MHz, czyli 100GHz.

Niektóre właściwości GaAs są znacznie lepsze niż krzemu, między innymi mniejszy jest wpływ temperatury, mniejsze są szumy, a większa ruchliwość nośników pozwala zrealizować tranzystory o częstotliwościach pracy teoretycznie ponad 250GHz.

Opracowano liczne tranzystory bipolarne GaAs, ale nie są to „zwykłe” tranzystory BJT, tylko głównie HBT, czyli tranzystory heterozłączowe, na przykład AlGaAs/GaAs, mogące pracować aż do 150GHz. Od dawna z GaAs wykonuje się też tranzystory polowe (FET). Mogą to być klasyczne tranzystory FET normalnie otwarte ze złączem pn, także tranzystory polowe SIT. Przykładem może być Toshiba TIM5359-80SL (rysunek 4) o mocy strat 250W, napięciu do 15V, prądzie nasycenia IDS (przy UGS=0V) typowo 38A i napięciu odcięcia UGS w zakresie –1... –3V.

Rys.4 Tranzystor Toshiba TIM5359-80SL

Tranzystory polowe złączowe MESFET

Interesujące są też tranzystory polowe złączowe MESFET. W „zwykłych” JFET-ach występuje klasyczne złącze półprzewodnikowe, czyli złącze pn, składające się z dwóch obszarów różnie domieszkowanego półprzewodnika. Natomiast w diodach Schottky’ego wykorzystuje się złącze metal – półprzewodnik (MEtal – Semiconductor). I takie złącze może być wykorzystane w tranzystorze polowym. Wtedy zamiast klasycznego JFET-a, otrzymujemy MESFET.

Wykonano MESFET-y z GaAs, ale są to tranzystory małej mocy, niepopularne i trudno dostępne. Jedną z nielicznych kart katalogowych można znaleźć pod adresem: www.richardsonrfpd.com/resources/RellDocuments/SYS_4/CF001-01.pdf. Popularną odmianą i rozwinięciem tranzystora polowego MESFET jest HEMT. Te i jeszcze inne interesujące tranzystory mikrofalowe omówimy w następnym odcinku.

Tematyka materiału: MESFET, HEMT
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2019
Udostępnij
UK Logo