تحقیق مقاله قطعات نیمه هادی در مایکوویو

مقدمه

با اختراع رادار نیازی پیدا شد به دستگاه های الکترونی که در طول موج های رادیویی کوچک تر کار کنند از آن هنگام، دانش و فنون تکامل سریعی یافته است.

فنون مایکروویو بیش از پیش در کاربردهایی گوناگون، مانند ستاره شناسی رادیویی، ارتباطات دور، دریانوردی و مطالعه خواص فیزیکی و شیمیایی مواد، وارد شوند.

فنون مایکروویو که در مطالعات فضایی و در برخی از پژوهش های علمی نیز کاربردهای ارزنده ای دارند از ظریف ترین فنون امروزی هستند که تسلط بر آنها بدون شناخت کامل اصول بنیادی و نظری مربوط امکان پذیر نیست.

سیستم های مایکروویو، شامل موج برهای لوله ای توخالی و حفهره های مشدد تهی،      می باشد. از نظر نمود به نحوی بارز از سیستم های الکترونیک مداری که از عناصر فشرده تشکیل می شوند، می باشد.

کلایسترون

کلایسترون یک لامپ خلاء است که به عنوان جنراتور یا تقویت کننده قدرت در فرکانس های مایکروویو به کار می رود. در موارد خاصی کلایسترون به عنوان ضرب کننده فرکانس هم به کار رفته است.

کاربردهای کلایسترون

کلایسترون به عنوان مولد امواج مایکروویو در فرستنده های مایکروویو در رادار فراوان به کار می رود. در گیرنده ها به عنوان L.O. اسیلاتور محلی به کار می رود. خروجی کلایسترون قابلیت مدوله شدن دارد.

کلایسترون مدوله شده فرکانس در ارتباطات مایکروویو متحرک به کار می رود، در تقویت کننده های پارامتریک به عنوان نوسان ساز پمپ نیز کاربرد دارد.

مگنترون

مگنترون یکی از منابع اولیه توان مایکروویو می باشد که در هنگام جنگ جهانی دوم سال ها قبل از اختراع کلایسترون و TWT و سایر جنراتورهای مایکرویو ساخت آن پیشرفت کامل کرد. مگنترون قادر است توان DC را به توان مایکرویو با راندمان 50 تا 80 درصد تبدیل نماید و توان پالسی در حدود مگاوات و توان CW در حدود چند کیلووات بدهد.

علی رغم توان بالا، چون مگنترون دارای راندمان بالائی است لذا مسأله تلفات حرارتی تا اندازه ای حل شده است. البته قابلیت مدولاسیون تنظیم فرکانسی این وسیله محدود است و به همین علت کلایسترون با پهنای زیاد و TWT جانشین مگنترون در فرستنده های قدرت راداری شده اند ولی در رادارهای نسبتاً ساده هنوز مگنترون بیشتر استفاده می شود چون قیمت ارزان تر و راندمان بیشتری دارد. مگنترون هم چنین در صنعت تأسیسات حرارتی زیاد به کار می رود.

مگنترون دارای 3 نوع مشهور است :

مگنترون سیکلوترونی

مگنترون مقاومت منفی

مگنترون موج متحرک چند محفظه ای

لامپ های O-TWT

لامپ های موج متحرک  ( ORDINARY TYPE TRAVELING WAVE)

در بخش اول کلایسترون را مورد بررسی و مطالعه قرار دادیم که به عنوان نوسانگر دارای قدرت تنظیم فرکانس به صورت الکترونیک در حدود 25 مگا هرتز است و به صورت مکانیکی پهنای باند وسیع حدود 1000 تا 2000 مگا هرتز ولی سرعت عمل کم را دارد و تقویت کننده های چند محفظه ای دارای بهره بیشتر حدود 30 تا 70 دی بی با سطح توان پالسی چند مگاوات بوده و دارای پهنای باند 1 تا 8  درصد می باشد.

لامپ های TWT بر اساس کوپلینگ بیم الکترونی با میدان RF در وسیله موج آهسته SWS است.

میدان الکتریکی و مغناطیسی بایاس، در فضای داخل لامپ با یکدیگر موازی اند. و درنتیجه حرکت الکترون ها خطی است (در مقابل حرکت سیکلوئیدی الکترون ها در لامپ های میدان متقاطع). به همین دلیل این نوع را لامپ های بیم خطی (LINEAR BEAM) یا معمولی (ORDINARY) می نامند.

در فضای موج آهسته SWS، میدان الکتریکی RF حرکت می کند، به همین دلیل این ها را لامپ های موج رونده می نامند.

که به اختصار واژه فنی TWT را انتخاب می کنیم.

خصوصیات مهم این لامپ ها، پهنای باند وسیع آن است. به خصوص که انواع هلیکس TWT، پهنای باند بسیار وسیعی دارند. این ویژگی در سیستم های راداری اهمیت زیادی دارند. تشخیص دقیق فاصله، حذف تداخل، اجتناب از سیگنال های گمراه کننده رادار از جمله امکاناتی است که با پهنای باند وسیع فرستند میسر می گردد.

درنتیجه امروزه از لامپ های TWT بیشتر از سایر لامپ های مایکروویو استفاده          می گردد. به طوری که تقریباً نیمی از لامپ های مایکروویو سیستم ها را TWT تشکل می دهد.

لامپ TWT بعد از جنگ جهانی دوم، در سال 1943 میلادی (1322 هجری شمسی) به طور جداگانه ای توسط کومپنر (R.KOMPFNER) در انگلستان و پیرس (J.P. PIERCE) در آمریکا اختراع شده است.

ابزارهای نیمه هادی مایکروویو

ترانزیستور ها

تمام ابزارهایی که کوشش برای مقابله با زمان عبور بکنند بازنده خواهند بود. این در رابطه با لامپ های خلاء نیز صادق است. در هر صورت مانند لامپ ها عملکرد ترانزیستورها را نیز می توان به صورت مفیدی تا حدود مایکروویو توسعه داد.

ترانزیستورهای مایکروویو

اوایل ترانزیستورهای دوقطبی را در محدوده مایکروویو به کار می بردند ولی اکنون ترانزیستورهای اثر میدان GaAS در دسترسند در حقیقت بالاتر از تقریباً 5 گیگاهرتز و FETها دارای اعداد نویز کمتری بوده و در باند x و بالاتر، آن ها کم کم توان های زیادتری را ارائه می کنند.

ساختمان ترانزیستور

عوامل مختلفی که در بیشترین عملکرد فرکانس زیادتر ترانزیستورهای مایکروویو سهیم هستند، بسیار پیچیده اند. این عوامل شامل الزامات**** ولتاژ و جریان زیاد است که تذکر داده خواهد شد و دو شرط دیگر :

یکی از این شرط ها کوچک بودن سطح الکترود است که درنتیجه خازن بین الکترودی کاهش می یابد.

شرط دوم مربوط به نواحی فعال خیلی باریک برای کاهش زمان عبور می باشد برای ترانزیستورهای دوقطبی این الزامات به اتصال امتیر****** خیلی کوچک و بیس **** خیلی نازک می انجامد.

ترانزیستورهای صفحه ای سیلیکون، بهترین عملکرد ترانزیستورهای دوقطبی ماکروویو را ارائه می کنند. اشکالات ساخت، تاکنون از تولید ترانزیستورهای دوقطبی GaAS جلوگیری نموده است. ساختمان های نفوذی رونشستی نیز بکار برده شده اند که درنتیجه ترکیبی از سطح کوچک و لبه بزرگ امتیر را ممکن می سازند. اولی زمان عبور کوتاه را در امتیر و دومی توانائی جریان زیاد را بدست می دهند.

ترانزیستورهای بین انگشتی متداول ترین نوع برای تولید می باشند. ترانزیستور نشان داده شده دارای یک بیس و یک امتیر طرح بندی شبیه دو دست انگشتان قفل شده به هم       می باشد. که درنتیجه اسم بین انگشتی برای این ترانزیستو به کار برده شده است. تراشه نشان داده شده دارای ابعادی (بدون اتصالات) در حدود Mm 70  70 است که اتصالات امتیر در طرف چپ اتصالات بیس در طرف راست و کلکتور در قسمت زیرین قرار دارد. ضخامت هر یک از انگشتان امتیر (بایاس) در ترانزیستور مورد مطالعه برابر با Mm 0.5 است این پیشرفت زیادی نسبت به Mm 2.5 چند سال قبل نشان داده شده است که درنتیجه Fmax بیش از 20GHz بدست آمده است.

ابعاد 0.25Mm نیز در حال بررسی می باشد.

موفق ترین FET مایکروویو آنست که گیت سرشاتکی در آن به کار برده شده است (یعنی یک نیمه هادی فلزی) شکل (      ) نشان می دهد که چرا این وسیله را MESFET نیز می نامند.

؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟ جای شکل

مقطع نشان می دهد که این یک ساختمان نیمه هادی – فلز است. در زیر لایه فلزی بالایی، بخشی از نیمه هادی GaAS نوع n وجود دارد. نوار فلزی گیت سرشاتکی در شیاری که ایجاد شده است قرار می گیرد.

معمولا این نوار دارای عرض یک میکرون می باشد (اما ابعاد کوچک تر تحت بررسی هستند.) طول و درنتیجه عرض تراشه در مقطع نشان داده نشده اند ولی نوعاً حدود صد میکرون می باشد. در یک MESFET ساخت شرکت RCA بیش از 16 گیت که به طور الکتریکی موازی و به طور فیزیکی به صورت 7 قرار گرفته اند، با سورس و درین بین آن ها ساخته شده است. مقطع یکی از سطوح گیت مانند شکل (3-1) می باشد.

این نکته را باید تذکر داد که با ابعاد موجود، F MAX بیش از 40GHz به طور عملی بدست آمده است.

ترانزیستور اثر میدان مایکروویو

ترانزیستور اثر میدان، یک عنصر نیمه هادی است که جریان آن توسط یک میدان الکتریکی کنترل می شود این ترانزیستور یک عنصر تک قطبی است زیرا در آن جریان توسط یک نوع حامل اکثریت می باشد. که در اثر میدان الکتریکی اعمال شده در دو سر نیمه هادی، برقرار می گردد. میدان الکتریکی به وسیله اتصال اهمی در دو سر عنصر اعمال می شود که یک سر را منبع و سر دیگر را درین گویند. کنترل میدان توسط یک اتصال در بین منبع و درین که گیت نامیده می شود انجام می گیرد. اتصال گیت به صورت یکی از اتصالات زیر می باشد.