قطعات نیمه هادی در مایکرویو

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 ۵۰ تا ۸۰ 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 ۳ نوع مشهور است :

۱- مگنترون سیکلوترونی
۲- مگنترون مقاومت منفی
۳- 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 ۲۵ مگا هرتز است و به صورت مکانیکی پهنای باند وسیع حدود ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ مگا هرتز ولی سرعت عمل کم را دارد و تقویت کننده های چند محفظه ای دارای بهره بیشتر حدود ۳۰ تا ۷۰ دی بی با سطح توان پالسی چند مگاوات بوده و دارای پهنای باند ۱ تا ۸ 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 نامن

د.
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 ۱۹۴۳ میلادی (۱۳۲۲ 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
ترانزیستورها
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 ۵ 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 ۲۰GHz بدست آمده است.

ابعاد ۰٫۲۵Mm 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 ۱۶ گیت که به طور الکتریکی موازی و به طور فیزیکی به صورت ۷ قرار گرفته اند، با سورس و درین بین آن ها ساخته شده است. مقطع یکی از سطوح گیت مانند شکل (۳-۱) می باشد.
این نکته را باید تذکر داد که با ابعاد موجود، F MAX بیش از ۴۰GHz 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.
۱- اتصال فلز – نیمه هادی شاتکی (MOSFET)

۲- اتصال (JFET) P – N
3- اتصال روی لایه اکسیدی (MOSFET)
4- اتصال روی لایه های عایقی به غیر از اکسیدها(JGFET)

اکثر FETها از گالیم آرسناید که دارای ضریب تحرک الکترونی بزرگ تر و هم چنین سرعت رانشی الکترونی بیش تری نسبت به سیلیکین است و درنتیجه دارای مقاومت های پارازیتی کوچک تر است و سرعت انتقال الکترونی بیش تری دارند ساخته می شود این مزایا خود باعث داشتن عدد نویز کوچک تر و بهره بیشتر و فرکانس قطع بزرگ تری است.

انواع FETها اشاره شده در بالا در فرکانس مایکروویو به کار می رود اما امروزه کاربرد MOSEFET عمومی ترین است زیرا ساخت آن با GaAs ساده تر است و هم اینکه دو طول بحرانی ترانزیستور یعنی طول گیت و ضخامت کانال را می توان با تکنیک فتولیتوگرافی کنترل کرد.
ساختمان MOSEFET و عملکرد آن

در ساخت GaAs MOSEFET یک لایه بسیار نازک با ضخامت کمتر از یک میکرون از GaAs نوع n ( که توسط SULFUR یا قلع دوپ شده است) با روش رونشستی روی یک ماده پایه GaAs نیمه عایق (که با کرومیوم دوپ شده است) رشد داده می شود. تمرینال درین و منبع با فلز Au – Te – Ge روی لایه فعال ایجاد می شود و گیت با فلز Cr – Ni – Au بین منبع و درین برای ایجاد اتصال شاتکی به وجود می آید.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟جای شکل

در FET الکترون ها از منبع به طرف درین حرکت می کنند. برای یک VDS کم بودن ولتاژ گیت منبع ناحیه فعال مثل یک مقاومت عمل می کند. با افزایش VDS ، سرعت رانشی الکترون ها با میدان با نسبت کمتری افزایش می یابد و برای VDS به اندازه کافی زیاد سرعت الکترون ها به ماکزیمم می رسد و جریان اشباع می شود.

وقتی گیت به منبع اتصال کوتاه می شود با اعمال یک ولتاژ VDS کوچک یک لایه تخلیه در نایحه فعال ایجاد می شود که باعث افزایش مقاومت درین با منبع شده و درنتیجه جریان IDS کاهش می یابد. با اعمال یک ولتاژ منفی بین گیت و منبع اتصال شاتکی گیت به کانال بایاس معکوس می شود و درنتیجه ناحیه تخلیه افزایش می یابد و برای یک VDS کم ناحیه فعال کانال مثل یک مقاومت خطی عمل می کند. اما با مقاومت های بزرگتر و با افزایش VDS مقدار جریان اشباع نسبت به حالت VGS=0 کوچک تر است اگر VDS به اندازه کافی منفی شود ناحیه تخلیه به لایه نیمه عایق می رسد و درنتیجه جریان تقریباً قطع می شود.
جریان IDS که از کانال عبور می کند عبارتست از :

IDS= Wq n(X) v(X) d(X)
که در آن W پهنای ناحیه گیت، n غلظت الکترون های هادی، v سرعت الکترون ها، d ضخامت کانال و X هم معرف امتداد حرکت الکترون ها است.
عملکرد و کاربردها
قابلیت ارائه نویز کمتر و توان بیشتر ترانزیستورهای مایکروویو به طور چشم گیری بهبودی یافته است.
در فرکانس های زیادتر FET ها مزیتی بر دو قطبی ها دارند. علت اینست که آنها قادرند GaAs را به کار ببرند که دارای قابلیت تحرک یونی زیادتری نسبت به سیلیکون می باشد.

بنابراین FET ها قادر به کار در فرکانس های زیادتر با بهره بیشتر و نویز کمتری هستند تا فرکانس ۴ تا ۵ (GHz) . دوقطبی ها به خصوص از نقطه نظر خروجی برتر هستند. اما در فرکانس ها بالاتر از آن، FET ها بهره زیادی در هر طبقه (۱۰ تا ۱۲ دسی بل در ۸ GHz)، عدد نویز کمتر (۵/۵ دسی بل در ۸ GHz) را ارائه می دهند. هم چنین آن ها در فرکانس های زیادتر نیز عمل می کنند. برای مثال تقویت کننده IBMFET دارای بهره دسی بل از ۹ تا ۱۴ GHz و عدد نویزی است که از ۷ تا ۱۴ دسی بل در این محدوده افزایش می یابد.

با چنین عملکرد عالی، تقویت کننده های ترانزیستوری (نوسان سازها) کاربرد زیادی را در محدوده مایکروویو بدست آورده و به خصوص الکترونی که آنها در قیمت هایی خیلی کمتر از چندین سال قبل در دسترس می باشند.
مزایای ترانزیستور بر ابزارهای دیگر مایکروویو عبارتست از عمر زیاد، اندازه کوچک، ولتاژهای کم الکترود، توان مصرفی کم، با بازدهی خوب بیش از ۴۰ درصد، عدد نویز و پهنای باند نیز خوبست، کنترل کامپیوترها طراحی و ساخت نیز به اطمینان بخش خوب و قابلیت تکرار مشخصه ها برای هر دو نوع ترانزیستور دوقطبی و اثر میدان (FET) منجر شده است.

تقویت کننده های ترانزیستوری کم نویز در ورودی انواع گیرنده های مایکروویو، هم در رادار و هم در مخابرات به کار برده می شوند. در حالتی که نویز خیلی کم مورد نیاز است ترانزیستورها خروجی چندین تقویت کننده خارجی را تقویت می کنند.

کاربردهای ترانزیستورهای قدرت مایکروویو شامل استفاده آنها به عنوان نوسان سازها و تقویت کننده های قدرت در شرایط مختلف می باشد.
برای مثال آن ها به صورت طبقات خروجی در مدارهای مایکروویو زیر ۶Hz به عنوان تقویت کننده های محرک در انواع مختلف فرستنده های پرقدرت (شامل فرستنده های پالسی رادار) و به عنوان طبقات خروجی در مولدهای باند وسیع به کار می روند. هم چنین آنها را بعضی اوقات به صورت تقویت کننده های خروجی در مدارهای باند باریک تروپواسکتر مورد استفاده قرار می دهند. در فرکانس هایی تا ۳GHz ترانزیستورها می توانند چند صد وات پالسی را تولید نموده و بنابراین برای رادارهای هواپیمایی کم توان مناسب می باشد.

دیودهای وراکتور و بازیافتی پله ای و چند برابرکننده ها
دیودهای بازیافتی پله ای دیودهایی هستند که می توانند انرژی را در ظرفیت خودشان ذخیره نموده و سپس بوسیله آزاد کردن یک پالس جریانی، هارمونیک های موج اصلی را تولید کنند. چون این دیودها می توانند ضرایب خیلی زیادی از فرکانس را تولید کنند. از این لحاظ در چند برابر کننده های فرکانس مایکروویو کاربرد خیلی زیاد دارند. دیود وراکتور یا دیود ظرفیت متغیر نیز یک دیود پیوندیست.
در این دیود چون ظرفیت پیوند به سهولت به طور الکترونیکی می تواند تغییر نماید، از این لحاظ خاصیت بسیار مفیدی را ارائه می دهد. این عمل به سادگی با تغییر بایاس معکوس در دیود انجام می گیرد این چنین خاصیتی را به صورت یکی از ابزارهای نیمه هادی در تمام محدوده مایکروویو درآورده است.
دیودهای وراکتور

دیودهای وراکتور برای اولین بار در اوایل دهه ۱۹۵۰ به عنوان ظرفیت های متغیر با ولتاژ ساده و بعداً برای مدولاسیون فرکانس نوسان سازها به کار رفت. کم کم در زمینه مواد و طرز ساخت و درنتیجه حداکثر فرکانس عمل بهبود حاصل شد و بالاخره به جایی رسیدند که بیشتر کاربردهای متداول این وسیله در هماهنگی، چندبرابرکننده های فرکانس مایکروویو و در تقویت کننده های پارامتری بسیار کم نویز مایکروویو خلاصه شد.
طرز عمل :

تقریباً تمام دیودهای نیمه هادی دارای ظرفیت پیوندی در حالت بایاس معکوس هستند که بایاس اعمالی تغییر می کنند. اگر این دیود طوری ساخته شود که دارای مشخصه های مناسب مایکروویو باشد آن را معمولا دیود وراکتور می نامند.

مشخصه های اصلی چنین دیودی را شکل ( ) نشان می دهد، علاوه بر اینکه تغییرات ظرفیت در یک دیود وراکتور باید به میزان زیادی باشد، دیود باید توانایی تغییرات را در حد مایکروویو داشته باشد که درنتیجه اتلافات فرکانس زیاد به داقل می رسد. یکی از طرق اولیه برای کاهش چنین اتلافاتی، کاهش ابعاد قسمت های فعال دیود است در یک دیود پیوند نفوذی، وقتی که بایاس معکوس اعمال شود پیوند تهی شده و دیود رفتاری به صورت یک ظرفیت را خواهد داشت. در این حالت، خود پیوند به صورت دی الکتریکی بین دو هادی عمل می کند. عرض لایه تهی بستگی به بایاس اعمالی داشته و طبیعتاً ظرفیت معکوس متناسب با عرض این لایه است که می تواند با تغییرات دو بایاس، تغییر پیدا کند.