СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА СВЧ- И КВЧ-ТРАНЗИСТОРОВ Российский патент 2007 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к области информационных полупроводниковых технологий, в частности к методам диагностики шумовых и динамических параметров сверхбыстродействующих полевых СВЧ- и КВЧ-транзисторов, составляющих элементную базу сверхскоростных цифровых и аналоговых интегральных микросхем. Одним из наиболее важных применений полевых транзисторов, например, на арсениде галлия (GaAs) является их использование в малошумящих высокочастотных усилителях, используемых в фазированных решетках, процессорах, а также в цифровых приемопередатчиках в радиолокационной технике, спутниковых и волоконно-оптических линиях связи.

Наиболее распространенным способом измерения коэффициента шума линейных четырехполюсников, в частности полупроводниковых транзисторов, является способ двух отсчетов. Способ состоит в поочередной подаче на вход измеряемого линейного устройства (четырехполюсника) двух шумовых сигналов с известным уровнем мощности (температурой шума) Р_ш1,вх и Р_ш2,вх и измерении уровня шумовой мощности на его выходе (Liehti C.A. IEEE MTT-24, 1976, р.279-300; RU 4946260/21; Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия. М.: Мир. 1991 с.) и определении коэффициента шума Гц, из соотношения

где: n - относительное изменение уровня мощности сигнала на выходе линейной части измеряемого линейного четырехполюсника (транзистора) при двух значениях температуры шума на его входе.

При отношении уровней сигнала на выходе линейного четырехполюсника n меньше двух снижается точность отсчета, а при слишком большом появляется дополнительная погрешность за счет нелинейности преобразования сигнала в измерителе мощности.

Для измерения коэффициента шума СВЧ-транзисторов в сантиметровом диапазоне волн наиболее распространенным является использование генератора шума на основе волноводных газоразрядных шумовых трубок с положительным столбом (ГШТ), в которых возможно изменение уровня мощности при изменении тока разряда.

Однако в сантиметровом диапазоне, и особенно в его коротковолновой части, при измерении коэффициента шума транзисторов возникают электродинамические трудности согласования волновых сопротивлений генератора шума и входного комплексного волнового сопротивления измеряемого полевого транзистора вследствие большой величины реактивной части, приводящей к отражению шумовой мощности в отдельных его частотных диапазонах от входных цепей транзистора. Это приводит к погрешности измерения, когда результаты измерений могут отличаться более чем на 100% (Liehti C.A. IEEE MTT-24, 1976, р.279-300). Использование согласующих реактивных трансформаторов предназначено для оптимизации эффектов отражения и прохождения излучения через зондируемый транзистор, при этом необходимо добиваться минимальной отраженной СВЧ-мощности от входа транзистора зондирующего электромагнитного излучения и максимума его пропускания. Если для регулярного сигнала с генератора СВЧ эти условия можно выполнить на конкретной частоте, то в случае зондирования шумовым сигналом, вследствие его широкополосности, невозможно добиться согласования во всей частотной полосе работы транзистора. Кроме того, возникают погрешности измерения за счет нелинейности амплитудно-частотной характеристики измеряемого устройства.

Если имеется возможность плавного изменения температуры шума, например, при использовании диодных генераторов или газоразрядных генераторов шума, используется метод, позволяющий исключить трудноучитываемую погрешность измерения за счет собственных шумов измерителя мощности, что можно сделать при использовании метода аттенюатора. В отличие от способа двух отсчетов в данном способе измерение отношения сигналов производится изменением показаний аттенюатора на выходе измеряемого усилителя в тракте СВЧ (Радиоизмерения. Под ред. М.: Энергоатомиздат. 1987, с.399).

Известен способ определения коэффициента шума СВЧ-транзисторов (см. Авторское свидетельство СССР №1748514, МПК G01R 29/26).

Изобретение позволяет повысить точность измерения шумовой температуры СВЧ-усилителей с большим коэффициентом усиления (20-60 дБ и более) за счет учета их линейности усиления при подаче на вход шумовых сигналов с шумовой температурой T₁ и Т₂.

Сущность изобретения: для определения Т_ш подают шумовой сигнал от эталонных источников шума с шумовой температурой T₁ и Т₂ на вход дополнительного усилителя, шумовая температура которого идентична шумовой температуре измеряемого усилителя, и измеряют уровень Р₁ и Р₂ соответственно мощности шумового сигнала на его выходе. После этого подают на вход измеряемого усилителя шумовой сигнал от эталонного источника шума с шумовой температурой T₂ и изменяют уровень мощности шумового сигнала на его выходе до величины, равной измеренному значению Р₂ на выходе дополнительного усилителя, после чего еще раз изменяют уровень мощности шумового сигнала на его выходе до уровня, равного измеренному значению P₁, измеряют значение М этого изменения и определяют значение Т_ш шумовой температуры измеряемого усилителя из выражения, приведенного в формуле изобретения.

Наиболее близким способом к предлагаемому, распространенным в сантиметровой и миллиметровой области спектра, является способ определения коэффициента шума полевых транзисторов, включающий последовательное введение шумового электромагнитного излучения с двумя значениями уровней мощности в затворную область полевого транзистора, гетеродинирование усиленного полевым транзистором шумового электромагнитного излучения в СВЧ-смесителе с когерентным излучением перестраиваемого по частоте СВЧ-генератора, измерение двух значений шумовой СВЧ-мощности в заданной частотной полосе на выходе смесителя измерителем мощности, последующее вычисление коэффициента шума по формуле. Этот способ реализован в семействе измерителей коэффициента шума Х-5-9÷Х-5-28 (Радиоизмерения. М.: Энергоатомиздат. 1987, с.396-399).

Однако при практической реализации данного способа возникают электродинамические трудности, связанные с трудно контролируемыми эффектами отражения широкополосной шумовой мощности, вследствие комплексности входного сопротивления p-n перехода транзисторов в сантиметровой области, а тем более в миллиметровой области, имеющего активную часть сопротивления порядка нескольких Ом и на порядок большую частотно-зависимую реактивную часть, что позволяет согласовать входные сопротивления только в узких частотных диапазонах на резонансных частотах. Согласующие частотно-перестраиваемые реактивные трансформаторы на входе СВЧ-транзистора позволяют уменьшить отраженную волну только на фиксированных частотах, поэтому для измерения коэффициента шума в полосе частот, особенно на частотах выше 20 ГГц возникают неконтролируемые электродинамические трудности согласования, приводящие к большим ошибкам измерений и расчетов. Кроме того, использование микрозондовых методов приводит к трудно рассчитываемым и неконтролируемым процессам рассеяния электромагнитного поля с микрозондов, которые становятся излучающими антеннами. При этом известно, что мощность излучающего диполя пропорциональна четвертой степени частоты, а эти неконтролируемые потери особенно сильны в КВЧ-диапазоне.

Задачей изобретения является расширение диапазона измерения коэффициента шума в полупроводниковых транзисторах в сантиметровой и миллиметровой области спектра электромагнитных волн.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения коэффициента шума полевых транзисторов в сантиметровой и миллиметровой области спектра, включающем последовательное введение шумового электромагнитного излучения с двумя значениями уровней мощности в затворную область полевого транзистора, гетеродинирование усиленного полевым транзистором шумового электромагнитного излучения в СВЧ-смесителе с когерентным излучением перестраиваемого по частоте СВЧ-генератора, измерение двух значений шумовой СВЧ-мощности в заданной частотной полосе на выходе смесителя измерителем мощности, согласно решению в качестве шумового электромагнитного излучения выбирают низкокогерентное оптическое излучение суперлюминесцентного диода со средней длиной волны, удовлетворяющей условию λ_min<λ<hc/ΔE_g и спектральной шириной полосы шума, определяемой их соотношения Δν=cΔλ/λ², устанавливают и измеряют два значения спонтанной оптической мощности Р_1L, Р_2L суперлюминесцентного диода, фокусируют оптическое излучения суперлюминесцентного диода с помощью цилиндрической линзы в область затвор-сток полевого транзистора, измеряют уровень СВЧ-шума на выходе транзистора и определяют коэффициент шума по формуле

где: Р_1,2вых - мощность шума на выходе транзистора;

Р_1,2L - оптическая мощность спонтанного излучения суперлюминесцентного диода на входе в затворную область полевого транзистора;

ΔE_g - ширина запрещенной зоны полупроводника;

λ - длина волны, соответствующая максимуму излучения суперлюминесцентного диода;

Δλ - оптическая спектральная ширина линии излучения; с - скорость света; h - постоянная Планка;

λ_min выбирается из соотношения K_λ=1/d.

Изобретение поясняется чертежами, на фиг.1 - блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 представлены экспериментальные результаты по изменению коэффициента шума арсенид-галиевого СВЧ полевого транзистора с барьером Шоттки в сантиметровой и миллиметровой области, где

1 - СВЧ-генератор шума (газоразрядный или полупроводниковый);

2, 9 - реактивные согласующие трансформаторы;

3 - суперлюминисцентный диод с регулируемым током;

4 - фотоприемник;

5 - модулятор тока инжекции суперлюминесцентного диода;

6 - стабилизированный источник для подачи регулируемого постоянного напряжения на затвор;

7 - цилиндрический микрообъектив;

8 - стабилизированный источник для подачи регулируемого постоянного напряжения на сток при заземленном истоке;

10 - СВЧ-смеситель;

11 - измеритель мощности на промежуточной частоте;

12 - входной микрополосковый зонд для введения СВЧ-волны в затворную область;

13 - арсенид-галлиевый СВЧ полевой транзистор;

14 - выходной микрополосковый зонд для съема усиленной СВЧ-волны со стоковой области;

15 - СВЧ перестраиваемый гетеродин.

Способ осуществляется следующим образом: В полупроводниковом GaAlAs инжекционном суперлюминесцентном диоде 3 устанавливают рабочее значение тока инжекции. В частности можно использовать полупроводниковый GaAlAs гетеролазер, в котором при токе инжекции меньше порога спектр излучения становится сплошным и реализуется суперлюминисцентный режим. Затем измеряют оптическую мощность Р_1L в относительных единицах с помощью фото детектора 4. Выходной пучок суперлюминесцентного диода с помощью цилиндрического микрообъектива 7, оптическая ось которой параллельна ширине затвора полевого транзистора 13, фокусируется в область исток-сток полевого транзистора. На затворные и стоковые планарные электроды транзистора 6, 8 подается рабочее напряжение. С выхода стока транзистора усиленный шумовой сигнал подается на СВЧ-смеситель 10, на который подается синусоидальный сигнал с СВЧ-гетеродина 15, с выхода смесителя шумовой сигнал на промежуточной частоте в фиксированной полосе частот измеряется измерителем мощности 11 Р_ш1,вых, затем устанавливается другое значение оптической мощности спонтанного излучения суперлюминесцентного диода Р_2L, операция измерения повторяется и коэффициент шума определяют по формуле (2).

Устройство, основанное на данном методе, может работать в ключевом модуляционном режиме, когда из измерителя шумовой мощности 11 подается импульсное переменное напряжение на суперлюминесцентный светодиод, который излучает максимальное (Р_2L) и минимальное (Р_1L) значение спонтанной оптической мощности с низкочастотным периодом импульсной модуляции.

Эксперимент по измерению коэффициента шума галлий-арсенидовых СВЧ полевых транзисторов с барьером Шоттки в диапазоне частот 26-38 ГГц проводился на стандартной установке Х 5-28. В качестве оптического генератора шума использовался полупроводниковый GaAlAs гетеролазер, работающий в допороговом суперлюминесцентном режиме с выходной оптической мощностью не менее 500 микроватт с шириной спектра более 1800 ГГц, определяемой из оптических спектральных измерений Δν=cΔλ/λ². Длина волны зондирующего суперлюминесцентного диода удовлетворяла условию λ_min<λ=820 нм<hc/ΔE_g. Для GaAs полевого транзистора ширина запрещенной зоны ΔE_g=1.42 эВ и соответственно максимальная длина волны, соответствующая генерации носителей в активной области арсенид-галлиевого полупроводника, определяется соотношением λ_max(нм)=hc/ΔE_g=1238/ΔE_g(эВ), λ_max=871 нм; в соответствии с формулой изобретения длина волны зондирующего излучения удовлетворяла условию объемного поглощения в затворной области активного канала глубиной 0.2 мкм.

Результаты измерений коэффициента шума предлагаемым способом представлены на Фиг.2. Сравнение со стандартным электродинамическим способом показало его работоспособность во всей сантиметровой области. Кроме того, способ не имеет частотных ограничений во всей миллиметровой области, так как его полоса шума ограничена частотой в единицы терагерц. В настоящее время появились полевые транзисторы на частотах до 90 ГГц и измерение коэффициента усиления даже периодического сигнала представляет для таких транзисторов электродинамическую проблему, связанную с согласованием входных сопротивлений транзистора и зондирующего миллиметрового генератора. В зависимости от тщательности согласования на одной зондирующей частоте возможно получение затухания вместо усиления прошедшей электромагнитной волны, поэтому предлагаемый оптоэлектронный способ определения коэффициента шума, свободный от электродинамической проблемы согласования, обладает существенно большим частотным диапазоном.

Как показали результаты эксперимента по сравнению предлагаемого способа и модуляционного, с использованием СВЧ-генератора шума, между ними наблюдается полная аналогия. Нами были также установлены аналогичные результаты по сравнению способов измерения коэффициента усиления при подаче на вход транзистора гармонических колебаний с СВЧ-генератора и оптоэлектронного способа при зондировании затворной области полевого транзистора когерентным излучением многомодового лазера с частотой биений, равных частоте СВЧ-генератора (Г.Г.Акчурин, С.Г.Сучков. Возбуждение СВЧ-сигнала в ПТШ с помощью лазерного излучения. «Изв. ВУЗ. сер. Электроника», 1996, №1-2, с.99-105).

Основное преимущество данного способа заключается в отсутствии основного источника погрешности измерений коэффициента шума и усиления - это влияние реактивности входного сопротивления на результаты измерений особенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона и тем более в миллиметровом диапазоне.

Изобретение относится к методам диагностики шумовых и динамических параметров сверхбыстродействующих полевых СВЧ- и КВЧ-транзисторов. Технический результат: расширение диапазона измерения коэффициента шума. Сущность: устанавливают и измеряют два значения спонтанной оптической мощности суперлюминесцентного диода. Фокусируют оптическое излучения суперлюминесцентного диода в область затвор-сток полевого транзистора. Измеряют уровень СВЧ-шума на выходе транзистора. Определяют коэффициент шума по формуле. 2 ил.

Способ определения коэффициента шума полевых транзисторов в сантиметровой и миллиметровой области спектра, включающий последовательное введение шумового электромагнитного излучения с двумя значениями уровней мощности в затворную область полевого транзистора, гетеродинирование усиленного полевым транзистором шумового электромагнитного излучения в СВЧ-смесителе с когерентным излучением перестраиваемого по частоте СВЧ-генератора, измерение двух значений шумовой СВЧ-мощности в заданной частотной полосе на выходе смесителя измерителем мощности, отличающийся тем, что в качестве шумового электромагнитного излучения выбирают низкокогерентное оптическое излучение суперлюминесцентного диода со средней длиной волны, удовлетворяющей условию λ_min<λ<hc/ΔE_g и спектральной шириной полосы шума, определяемой из соотношения Δν=cΔλ/λ², устанавливают и измеряют два значения спонтанной оптической мощности P_1L, P_2L суперлюминесцентного диода, фокусируют оптическое излучение, суперлюминесцентного диода в область затвор-сток полевого транзистора и измеряют уровень СВЧ-шума на выходе транзистора и определяют коэффициент шума по формуле

К_ш=Р_ш1,вых(P_2L-P_1L)/P_1L(Р_ш2,_вых-Р_ш1,вых)

где Р_ш1,2вых - мощность шума на выходе транзистора;

P_1,2L - оптическая мощность спонтанного излучения суперлюминесцентного диода на входе в затворную область полевого транзистора;

ΔE_g - ширина запрещенной зоны полупроводника;

λ - длина волны, соответствующая максимуму излучения суперлюминесцентного диода;

Δλ - оптическая спектральная ширина линии излучения;

с - скорость света;

h - постоянная Планка;

λ_min выбирается из соотношения K_λ=1/d;

К_λ - коэффициент поглощения оптического излучения в активной области полупроводника полевого транзистора;

d - толщина активной части канала полевого транзистора.