Zaloguj
Spis treści
Tranzystory w.cz. dużej mocy
Zasadniczo tranzystory mocy pracujące w zakresie mikrofalowym, przy częstotliwościach ponad 1 GHz, interesują tylko wąskie grono profesjonalistów. Podkreślmy, że nie są to elementy przełączające, tylko liniowe wzmacniacze sygnałów mikrofalowych o częstotliwościach od pojedynczych gigaherców do nawet setek gigaherców.
Warto 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 wyłącznie na specyficznych mikrofalowych 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.
Postęp technologii półprzewodników spowodował, że aktualnie do wzmacniania sygnałów mikrofalowych coraz częściej wykorzystuje się tranzystory, także dużej mocy, we wzmacniaczach o mocach ponad 100 W i przy częstotliwościach grubo ponad 1 GHz.
Dziś na rynku dostępne są rozmaite mikrofalowe tranzystory, takie jak: bipolarne 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.
Rozszyfrujmy szczegóły!
W opowieści o poszukiwaniu świętego Graala elektroniki mniej interesuje nas fakt, że dostępne są bipolarne tranzystory krzemowe mocy, mogące wzmacniać sygnały o częstotliwościach do kilku gigaherców. Zupełnie nie interesują nas też skądinąd intrygujące tranzystory SiGe, czyli krzemowo-germanowe, o których do niedawna było głośno i które mogą pracować do 200 GHz. Po prostu nie ma tranzystorów SiGe dużej mocy, choć były próby wprowadzenia takich na rynek. Zasługują na wzmiankę tylko dla porządku: są to tranzystory bipolarne, ale oznaczane są HBT. Chodzi o Heterojunction Bipolar Transistor – heterozłączowy tranzystor bipolarny. Przypomnijmy, że 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.
Wzmianka o HBT jest tu potrzebna o tyle, że tranzystory heterozłączowe można też realizować z półprzewodników innych niż krzem i german. I tak oto doszliśmy do innych materiałów półprzewodnikowych, których niektóre właściwości są dużo lepsze niż germanu i krzemu. Często oznaczane są WBG – WideBand Gap, bo mają szerszą przerwę energetyczną niż german i krzem.
Pierwszym znaczącym „innym” półprzewodnikiem był arsenek galu – GaAs. 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 250 GHz.
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 100000 MHz, czyli 100 GHz.
Opracowano liczne tranzystory bipolarne GaAs, ale nie są to „zwykłe” tranzystory bipolarne (BJT), tylko głównie HBT, czyli tranzystory heterozłączowe, na przykład AlGaAs/GaAs, mogące pracować aż do 150 GHz. 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.
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 (koncepcja patentowa Lilienfelda z ilustracji tytułowej najbliższa jest właśnie tranzystorowi MESFET).
Wykonano MESFET-y z GaAs, ale są to tranzystory małej mocy, mało i trudno dostępne.
Popularną odmianą i rozwinięciem tranzystora polowego MESFET jest HEMT – High Electron Mobility Transistor. Jego inna, nieco mniej strasząca nazwa to HFET (Heterostructure FET) oraz MODFET (Modulation-Doped FET). HEMT to tranzystor polowy MESFET zawierający w swej strukturze złącze Schottky’ego, a ponadto inne dodatkowe warstwy. Pierwszy tranzystor HEMT zademonstrowano w roku 1979. Wiązało się to z badaniami nad strukturami, w których występował tak zwany dwuwymiarowy gaz elektronowy (2-dimensional electron gas – w skrócie 2DEG). Obecność tych specyficznych struktur z „bardzo szybkim” gazem elektronowym pozwala zdecydowanie zwiększyć szybkość tranzystorów. Najpierw były to tranzystory z GaAs/AlGaAs. Potem w kanale dodano warstwę InGaAs. Powstały odmiany, zwane pHEMT (pseudomorphic HEMT) zawierające dodatkowe warstwy, przyspieszające ruch elektronów. W efekcie pHEMT teoretycznie mogą pracować przy częstotliwościach rzędu 100 GHz.
Istnieją tranzystory mocy pHEMT z GaAs i innych materiałów. Dominują HEMT normalnie otwarte (depletion mode), jak klasyczne JFET-y. Jednak istnieją też wersje normalnie zatkane (enhancement mode). Przykładem GaAs E-pHEMT (Enhancement Mode Pseudomorphic HEMT) jest AVAGO ATF-50189. Jest to w zasadzie JFET ze złączem Schottky’ego małej mocy, ale wspominamy o nim, bowiem ma ścisły związek z głównym wątkiem artykułu. Zachowuje się podobnie jak klasyczny MOSFET (o niekorzystnie niskim napięciu progowym UGSth typowo 0,38 V). Takich dziwolągów, wykraczających poza klasyczne, popularne tranzystory w zastosowaniach w.cz. znajdziemy dziś więcej, o czym za chwilę.
W zakresie bardzo wysokich częstotliwości wykorzystuje się też inne materiały półprzewodnikowe. Bipolarne tranzystory heterozłączowe (HBT) można zrealizować z wykorzystaniem m.in. następujących zestawów półprzewodników: InGaAs/InP, InGaP/GaAs, AlInAs/InGaAs i InP/InGaAs. Do realizacji różnych odmian tranzystorów polowych FET są wykorzystywane związki glinu (Al), galu (Ga), indu (In) z azotem (N), fosforem (P) i arsenem (As). I tak na przykład fosforek indu (InP) pozwala wytworzyć tranzystory i wzmacniacze na zakres częstotliwości ponad 500 GHz.
Aktualnie najbardziej dynamicznie rozwija się rynek wzmacniaczy mocy w.cz. wykonanych z azotku galu (GaN). Tranzystory HEMT GaN pojawiły się na rynku w latach 2004–2005, a prace nad nimi prowadzono już od wczesnych lat 90. Dużym krokiem naprzód było opracowane technologii wytwarzania warstw GaN na podłożu SiC (węglika krzemu).
Na fotografii 17 pokazany jest mikrofalowy tranzystor mocy produkcji słynnej firmy Cree CGHV96100F2 o rozmiarach około 24×17,5×5 mm. Moc strat wynosi ponad 100 W, napięcie maksymalne 100 V, maksymalny prąd pracy to 12 A. Jest to GaN HEMT (na podłożu SiC), a więc w sumie tranzystor polowy FET normalnie otwarty. Zakres dopuszczalnych napięć bramki wynosi –10...+2 V. Jak z tego widać, przy napięciu +2 V złącze bramkowe jeszcze (znacząco) nie przewodzi, bo napięcie przewodzenia złącza diodowego GaN jest dużo wyższe niż krzemowej. Prąd nasycenia maksymalnie otwartego tranzystora IDS typowo wynoszący 26 A określany jest właśnie przy napięciu UGS=+2 V.
Rysunek 18 pokazuje fragment strony internetowej Macom z opisem 500-watowego tranzystora mikrofalowego. Jest to tranzystor HEMT GaN-on-Si, czyli czynna struktura GaN jest umieszczona na podłożu krzemowym (Si). Co prawda zakres pracy to „tylko” 1,2...1,4 GHz, ale moc jest imponująca.
Innym przykładem może być tranzystor HEMT GaN-on-SiC Integra IGN1300CW300 o mocy ciągłej 300 W, przeznaczony do zastosowania w lotnictwie – rysunek 19. Tu struktura GaN umieszczona jest na podłożu z węglika krzemu (SiC).
Rysunek 20 to fragmenty karty katalogowej Microsemi 0405SC-2200M. Jest to Silicon Carbide SIT, czyli odmiana tranzystora FET, zwana SIT (Static Induction Transistor). Tranzystor ten ma napięcie pracy do 250 V, moc w impulsie ponad 2 kW, a struktura z węglika krzemu może pracować w temperaturze nawet +250°C.
Postęp techniczny powoduje, że na rynku dostępne są tranzystory mikrofalowe o coraz większej mocy i pojawiły się pierwsze realizacje kuchenek mikrofalowych, które nie zawierają lampy – magnetronu.
W kontekście poszukiwania świętego Graala współczesnej elektroniki, informacje o potężnych i bardzo szybkich tranzystorach mikrofalowych z SiC i GaN są wprowadzeniem do tematyki tranzystorów, o których dziś najgłośniej. Przypomnijmy, że w zakresie niskich napięć, poniżej 100 V, w większości zastosowań wystarczająco dobrze radzą sobie klasyczne krzemowe MOSFET-y, a poszukiwanym świętym Graalem są wysokonapięciowe tranzystory przełączające dużej mocy o napięciu pracy co najmniej 650 V.
