2.4. Создание уго транзистора кт3102г

1. Нарисовать круглый контур УГО транзистора диаметром 10 мм. Для этого выбрать текущую сетку с шагом 1,25 мм. По команде Place Arc нарисовать круг диаметром 10 мм.

2. Нарисовать условное обозначение транзистора. Для чего выпол­нить команду Place Line и последовательно начертить вначале базу, затем коллектор и, наконец, эмиттер.

Нарисовать стрелку эмиттера. Для этого текущую сетку уста­новить с шагом 0,05 мм. Выполнить команду Place Polygon (За­ливка полигона) (рис. 4).

Рис. 4

3. Установить выводы транзистора.

Выполнить команду Place Pin.

Откроется диалоговое окно Place Pin. В нем в поле Length вы­брать User и установить длину вывода 5 мм. В областях Inside Edge, Outside Edge, Inside, Outside установить значение None.

В поле Default Pin Name ввести имя вывода — В (база), в Default Pin Des — номер 1.

В поле Display установить флажок в окне Pin Des. Нажать на кнопку ОК. Установить вывод к базе и щелкнуть ЛК.

Снова по команде Place Pin в поле Default Pin Name теперь ввести имя вывода — К (коллектор), а в Default Pin Des — но­мер 2. Нажать на кнопку ОК. Установить вывод к коллектору, щелкнуть ЛК и, не отпуская ее, клавишей R сориентировать вывод вверх.

Вновь выполнить команду Place Pin. В одноименном диалого­вом окне в поле Default Pin Name ввести имя вывода — Е (эмит­тер), в Default Pin Des — номер 3. Нажать на кнопку ОК. Поста­вить вывод к эмиттеру, щелкнуть ЛК и, не отпуская ее, клавишей R сориентировать вывод вниз.

4. Установить точку привязки элемента.

Для этого выполнить команду Place Ref Point. Установить кур­сор к первому выводу щелкнуть ЛК.

5. Ввести атрибуты элемента. В качестве атрибутов введем место для размещения позиционного обозначения и надпись типа эле­мента.

Выполнить команду Place

Attribute. В результате появится диалоговое окно Place Attribute, в котором в области Attribute Category выбрать Component. В соседней области Name выделить цветом RefDes. В поле Text Style выбрать стиль» PartStyle. Вырав­нивание текста Justification установить по центру. Нажать кнопку ОК. Курсор поставить над элементом и щелк­нуть ЛК.

Аналогично по команде Place Attribute в области Attribute Category назначить Component, а в области Name выбрать тип элемента Туре. Установить курсор под элементом и щелкнуть ЛК. Проверить на ошибки командой Validate Symbol .

6. Записать созданный элемент в библиотеку элементов. Для этого необходимо выполнить команду

Save и в появившемся окне щелкнуть кнопку Library. Затем выбрать созданную ранее биб­лиотеку ***.lib. В поле Symbol набрать имя элемента «VT», а в графе Component – тип транзистора «КТ3102Г» и нажать кнопку ОК.

1. Нарисовать условное обозначение диода. Для чего выпол­нить команду Place Line.

2. Установить выводы элемента. Для этого выполнить команду Place Pin. Откроется одноименное диалоговое окно. В нем в поле Length установить флажок в окне User и задать длину вы­вода 5 мм. В областях Inside Edge, Outside Edge, Inside, Outside установить значение None. В поле Default Pin Des ввести 1. В поле Display убрать флажок в окне Pin Des и в окне Pin Name. Нажать на кнопку ОК. Поста­вить курсор к месту расположения первого вывода и нажать ЛК. Щелкнуть ПК. Аналогично поставить второй вывод.

3. Установить точку привязки элемента к первой ножке УГО диода. Для этого выполнить команду Place Ref Point.

4. Ввести атрибуты элемента. Выполнить команду

Place Attribute. Появится диалоговое окно Place Attribute. В нем в области Attribute Category выбрать Component. В области Name выбрать RefDes. В открывшемся списке Text Style выбрать PartStyle. Установить в поле Justification по вертикали — низ, а по горизонтали — центр. Нажать кнопку ОК. Установить кур­сор над элементом и щелкнуть ЛК.

Вновь выполнить команду Place Attribute. В области Attribute Category выделить цветом Component, а в соседней области Name — Type. Установить стиль текста PartStyle. Выравнива­ние Justification выбрать по вертикали — верх, а по горизонта­ли — центр. Нажать кнопку ОК. Установить курсор под элементом и щелкнуть ЛК. Полученный результат представлен на рисунке (рис. 5).

Рис. 5

5. Записать разработанный УГО диода в библиотеку. Для этого вы­полнить команду Save и в появившемся окне щелкнуть по кноп­ке Library. В открывшемся окне выбрать созданную ранее биб­лиотеку ***.lib. В поле Symbol набрать имя элемента «VD» и нажать кнопку ОК, а в графе Component – тип диода «КД403А» и нажать кнопку ОК.

Полевые транзисторы — презентация онлайн

Похожие презентации:

3D печать и 3D принтер

Видеокарта. Виды видеокарт

Анализ компании Apple

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Устройство стиральной машины LG. Электрика

Конструкции распределительных устройств. (Лекция 15)

Электробезопасность. Правила технической эксплуатации электроустановок

Магнитные пускатели и контакторы

Работа на радиостанциях КВ и УКВ диапазонов. Антенны военных радиостанций. (Тема 5.1)

Полевые
транзисторы
Идея полевого транзистора
была предложена Юлием
Эдгаром
Лилиенфельдом(1882-1963)
в 1926—1928 годах.
Ю.Э. Лилиенельд
Первый
работающий
прибор этого типа
— 1960 год
Полевой транзистор — – это
полупроводниковый прибор,

усилительные свойства
которого обусловлены потоком
основных носителей заряда,
протекающим через
токопроводящий канал, и
управляемым электрическим
полем.

4. Полевые транзисторы —

Полевые транзисторы Полевые
транзисторы
называют также
униполярными, так
как в процессе
протекания
электрического тока
участвует только один
вид носителей.
Внешний вид

5. Классификация

ПТ с управляющим p-n-переходом
Все полярности напряжений смещения,
подаваемых на электроды транзисторов с n- и с
p-каналом, противоположны.

7. Полевой транзистор с p-n-переходом

Полевой транзистор с p-nпереходом

8. УГО ПТ с управляющим переходом

n-канальный
p-канальный
источник носителей тока,
управляющий электрод ( на него
подают управляющее напряжение)
Исток —
управляющий электрод,
служащий для регулирования
поперечного сечения канала
Затвор —
Сток — электрод,
куда стекают носители
и с которого снимается выходной ток
• Управление током стока, то есть
током от внешнего относительно
мощного источника питания в цепи
нагрузки, происходит при
изменении обратного напряжения
на p-n переходе затвора (или на
двух p-n переходах одновременно).
• В связи с незначительностью
обратных токов p-n перехода
мощность, необходимая для
управления током стока и
потребляемая от источника
сигнала в цепи затвора,
оказывается ничтожно малой.

12. Принцип включения

И-С
включается
так, что бы
основные
носители в
канале
двигались от И
кС

13. Принцип действия

ПТ с управляющим
переходом заключён в
изменении
площади сечения
канала под
воздействием
поля, возникающего
при подаче
напряжения между
затвором и истоком.

14. Режимы работы

Режим насыщения
Режим обеднения
Режим отсечки

15. Режим насыщения

Пока между затвором и истоком не подано
напряжение управления,
• под воздействием внутреннего поля
электронно-дырочных переходов З и И
заперты,
• сечение канала наиболее велико,
• Сопротивление канала низкое,
• ток стока транзистора максимален.
Напряжение затвор-исток, при котором ток
стока наиболее велик, называют напряжением
насыщения.

16. Режим обеднения

Между затвором и истоком приложено
небольшое напряжение, ещё немного
закрывающее p-n переходы,
• Зоны, к которым подсоединён затвор
обеднены носителями заряда,
• размеры объёмного заряда зон, к которым
подсоединён затвор возрастут, частично
перекрывая сечение канала,
• сопротивление канала возрастает, и сила тока
стока уменьшается.
Обеднённые носителями заряда
области почти не проводят
электрический ток, причём
эти области неравномерны по
длине пластины
полупроводника.
— у торца пластинки
(вывод стока)
обеднённые
носителями заряда
области будут
наиболее
перекрывать канал
— у противоположного
торца (вывод
истока), снижение
площади сечения
канала будет
наименьшим.

19. Режим отсечки

Если приложить ещё большее напряжение
между затвором и истоком,
• то области, обеднённые носителями заряда,
станут столь велики, что сечение канала
может быть ими полностью перекрыто.
• При этом сопротивление канала будет
наибольшим, ток стока будет практически
отсутствовать.
• Напряжение затвор-исток, соответствующее
такому случаю, именуют напряжением
отсечки.

20. Характеристики ПТ

Стокозатворная
характеристика
зависимость Ic от
Uзи при
фиксированном
напряжении стокисток
Uси = const.

21. Характеристики ПТ

Семейство
стоковых
характеристик
зависимости Ic от Uси
при фиксированных
стабильных напряжениях
затвор-исток
Uзи = const.

22. Схемы включения ПТ

Схема с ОИ
— на практике чаще
всего применяется,
— аналогичная схеме на
биполярном транзисторе
с общим эмиттером
(ОЭ).
Каскад с общим
истоком даёт очень
большое усиление
тока и мощности

24. Схемы включения ПТ

Схема с ОС
Применяется для
согласования
цепей
усилительных
каскадов
Истоковый
повторитель
µ (U) < 1
R (вх) высокое

27.

Схемы включения ПТСхема с ОЗ
— аналогична схеме с общей
базой (ОБ) БТ.
— каскад ОЗ обладает низким
входным сопротивлением, в
связи с чем он имеет
ограниченное практическое
применение в усилительной
технике.
Она не даёт усиления тока,
усиление мощности во
много раз меньше, чем в
схеме ОИ
ПТ с изолированным затвором
В соответствии с их структурой такие
транзисторы называют
МДП-транзисторами (металл-
диэлектрик-полупроводник)
или
МОП-транзисторами (металлоксид-полупроводник).
SiO2

30. ПТ с изолированным затвором

это полевой
транзистор,
затвор
которого
отделён в
электрическом
отношении от
канала слоем
диэлектрика
и, следовательно, заметный ток стока
появляется только при определённой
полярности и при определённом
значении напряжения на затворе
относительно истока, которое
называют
пороговым напряжением
(UЗИ пор).

32. В МОП-транзисторах со встроенным каналом

(рис. б)
у поверхности
полупроводника
под затвором при
нулевом
напряжении на
затворе
относительно
истока существует
инверсный слой —
канал, который
соединяет исток со
стоком.

33. УГО МДП-транзистора со встроенным каналом

n-типа (а)
и
p-типа (б)

34. Выходные статические (a) и сток-затворная характеристики (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.

35. В МОП-транзисторах с индуцированным каналом

(рис. а)
проводящий
канал между
сильнолегирова
нными
областями
истока и стока
отсутствует

36. УГО МДП-транзистора с индуцированным каналом

n-типа
(а) и
p-типа
(б)

37. Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом

38. Получение МДП структуры

В кристалле полупроводника с
относительно высоким удельным
сопротивлением, который называют
подложкой, созданы две
сильнолегированные области с
противоположным относительно подложки
типом проводимости.
На эти области нанесены металлические
электроды — исток и сток. Расстояние
между сильно легированными областями
истока и стока может быть меньше
микрона.
Поверхность кристалла
полупроводника между истоком и
стоком покрыта тонким слоем
(порядка 0,1 мкм) диэлектрика.
Так как исходным полупроводником
для ПТ обычно является кремний, то
в качестве диэлектрика
используется слой двуокиси
кремния SiO2, выращенный на
поверхности кристалла кремния
путём высокотемпературного
окисления.
На слой диэлектрика нанесён
металлический электрод —
затвор.
Получается структура,
состоящая из металла,
диэлектрика и полупроводника.
Поэтому полевые транзисторы
с изолированным затвором
часто называют МДПтранзисторами.

41. От БТ полевой транзистор отличается

во-первых, принципом
.
действия:
в биполярном транзисторе управление
выходным сигналом производится
входным током,
а в полевом транзисторе — управление
выходным сигналом производится
входным напряжением или
электрическим полем

42.

От БТ полевой транзистор отличаетсяВо-вторых, полевые
транзисторы имеют
значительно
большие входные
сопротивления, что
связано с обратным
смещением p-n-перехода
затвора в ПТ с управляющим
переходом

43. От БТ полевой транзистор отличается

В-третьих, полевые
транзисторы
могут обладать низким уровнем
шума (особенно на низких
частотах), так как в полевых транзисторах не
используется явление инжекции неосновных носителей
заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от
поверхности полупроводникового кристалла.
• Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в
базе биполярного транзистора, а также генерационнорекомбинационные процессы на поверхности кристалла
полупроводника сопровождаются возникновением
низкочастотных шумов.

44. Особенности ПТ

• 1. Практически полное отсутствие тока во входной
цепи затвора, что устраняет нелинейные искажения
управляющего напряжения на затворе.
• 2. Низкий уровень нелинейных искажений при
использовании транзисторов в схемах
преобразователей частоты.
• 3. Большое разнообразие проходных характеристик,
расширяющее функциональные возможности
транзисторов.
• 4. Температурная стабильность режима.
• 5. Способность работы в условиях сверхнизких
температур.
Применение полевых транзисторов
• схемы ждущих и
следящих устройств
• схемы малого
потребления и
энергосбережения
• радиопередающие
устройства
• звуковые усилители
• сенсорные датчики

46. Область применения

• широко используются в цифровых и аналоговых
интегральных схемах.
• потребляют значительно меньше энергии, что
особенно актуально в схемах ждущих и следящих
устройств, а также в схемах малого потребления и
энергосбережения (реализация спящих режимов)
• наручные кварцевые часы и пульт дистанционного
управления для телевизора

47. Область применения

• В радиопередающих устройствах позволяет получить
повышенную частоту спектра излучаемых радиосигналов,
уменьшить уровень помех и повысить надёжность
радиопередатчиков
• В силовой электронике мощные полевые транзисторы успешно
заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы
• В преобразователях частоты они позволяют на 1-2 порядка
повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и
массу энергетических преобразователей
Преимущества полевых
транзисторов
перед биполярными:
• способен работать при малом
значении напряжения стокисток (так как нет инжекции
неосновных носителей)
• маленькое сопротивление в
открытом состоянии
• выше температурная
стабильностьуправляется не
током, а напряжением
• отсутствие накопленного
заряда
• ПТ
• БТ
Спасибо за
внимание

English     Русский Правила

Transistor Transition (редакция Хьюго Гернсбака), февраль 1953 г.

Radio-Electronics

Февраль 1953 г. Радиоэлектроника [Оглавление] Восковая ностальгия и изучение истории ранней электроники. См. статьи из Радиоэлектроника , опубликовано 1930-1988 гг. Настоящим признаются все авторские права.

Хьюго Гернсбак был известен не только за его техническое мастерство, но и за сверхъестественную способность предсказывать будущее развитие в электронике, транспорте и методах производства. Не прошло и трех лет с тех пор, как господа Бардин, Шокли и Браттейн объявили об изобретении транзистора когда эта редакционная статья под названием «Транзисторный переход» появилась в Радиоэлектроника журнал. Гернсбак упоминает концепцию «прикладных схем» (т. Е. Печатных схем). транзисторные кинескопы (т. е. гибкие дисплеи) и «карманные дисплеи». радиоприемники», которые можно поднести к уху. Производство цены на транзисторы в то время составляли около 8 долларов за штуку.

эквивалент с поправкой на инфляцию в размере 76 долларов США в 2018 году. В этой ценовой категории кто мог обвинить сторонников ламп и транзисторов в том, что они отрицают возможность транзисторы когда-нибудь заменят лампы? Как мы теперь знаем, затраты быстро снижались, что в итоге привело к переход от электронных ламп (они же «клапаны») к транзисторам неизбежен. В этом же выпуска, врезка под названием «Все транзисторные Телевизионный приемник, показанный RCA». Мяч уже покатился.

От редакции: Transistor Transition

Транзистор скоро будет готов изменить промышленность…

Хьюго Гернсбак

Эволюционный путь радионауки усеян рядом вех. Самый ранний известный большинству из нас искровой передатчик и когерер «беспроводных» дней, с помощью которых были отправлены и получены первые коммерческие сигналы. Когерер был вскоре заменяется кристаллодетектором и другими выпрямляющими устройствами, а искровой передатчик была частично вытеснена дугой и генератором.

Когда электровакуумная лампа триумфально и революционно вышла на рынок — расширение радио до такой степени, что даже самые смелые его сторонники никогда не предполагали — все эти более ранние устройства были обречены. Сначала в приемниках, а чуть позже в передатчиках, электровакуумная лампа стала верховной, и с 1907 года до настоящего времени доминирует индустрия.

Даже когда телевидение ворвалось на сцену, принеся с собой еще одну новую эру — электронная лампа по-прежнему оставалась важнейшим компонентом телевизионных передатчиков и приемники, уступающие только электронно-лучевому кинескопу (сама вакуумная трубка специального тип).

С недавним появлением транзистора электронные лампы в обозримом будущем будущее будет в затмении, хотя они всегда будут с нами. Транзисторы никогда не будут полностью вытеснить вездесущую электронную лампу.

Скоро наступит время, когда транзистор начнет революцию в радиоэлектронике промышленность. Это произойдет раньше, чем ожидали даже его изобретатели. Вскоре после с появлением транзистора образцы ручной работы продавались по цене около 18 долларов за штуку. Совсем недавно цена была около $8.00. Это, естественно, только начало. Определенно, что транзисторы, когда, наконец, начнется массовое производство, они будут продаваться по более низкой цене, чем современные электронные лампы.

По этой причине всем нам в отрасли следует задуматься о том, как транзистор повлияет на и действительно произвели революцию в большинстве областей радиоэлектроники.

Сегодня никто не сомневается, что в будущем радио- и телевизионные приемники будут оснащаться транзисторами; действительно, эта тенденция определенно будет непреодолимой по многим причинам. Не требующий нагрева элементы, будет большая экономия электрического тока. Размер радио и телевидения наборы значительно сократятся. Так же как и их вес, а главное, много при изготовлении приемников потребуется меньше труда. Таким образом, они могут быть проданы по более низкой цене. цена, чем в настоящее время.

Транзисторы должны прослужить долго ибо нечему там изнашиваться и там наверное будет меньше замен. Радио и телевизоры не нагреваются везде, как наши современные. Следовательно, такие детали, как резисторы и конденсаторы не будет так склонен к дефектам из-за теплового воздействия. В дополнение к использованию транзисторы, накладные схемы — так называемые печатные схемы — также наверняка использоваться в ближайшем будущем, что еще больше удешевляет такие приемники. Вот вам и современный набор.

Однако в будущем у нас будет много других более важных новых устройств. я ссылаюсь к мини-радиоприемникам, которые нельзя было экономично производить с электронными лампами. Сейчас с транзисторами, получающими малый ток от низковольтных батарей, радиоприемники размером спичечного коробка и меньше, наверняка будут сделаны в будущем. Общественность всегда проявляли большой интерес к карманным или сумочным радиоприемникам. Выпускаемые серийно, они может быть продан по очень разумной цене и удовлетворит четкую потребность. Как наша цивилизация становится все более сложным, люди, где бы они ни находились, хотят получать мгновенные новости, сводки времени и погоды, а также другие спецслужбы. Эти станции г. будущее обеспечит. Такие маленькие карманные радиоприемники нужно просто поднести к уху, чтобы принять местные радиостанции мгновенно.

Другие минирадио, размером с перьевую ручку, уже предсказанные писателем в Апрельский номер этого журнала 1946 года станет обычным явлением. То же самое относится и к размеру часов. и радиоприемники для наручных часов, а также другие миниатюрные типы персональных приемников. Миллионы будет продан.

Транзисторный телевизионный приемник больше не является предсказанием будущего. Совсем недавно Радиокорпорация Америки разработала портативный телевизионный приемник, показали прессе в ноябре прошлого года. По общему признанию, лабораторный трюк — продемонстрировать, что можно было сделать с помощью транзисторов — в этом приемнике не было вакуумных ламп, но он имеют обычный тип электронно-лучевого телевизионного кинескопа.

Возникает вопрос: возможно ли будет когда-нибудь создать что-то вроде транзистора? трубка с изображением? Мы считаем, что это определенно относится к сфере будущих возможностей. Если это вызывает сомнения, достаточно изучить человеческий глаз, который, как и транзистор, работает на минимальном количестве электрического тока. Процессы видения, как учёные поддерживать, является электрохимическим. Казалось бы, вполне возможно, что в будущем какие-то такие устройство может быть изготовлено. Его размеры, вероятно, будут намного меньше, чем нынешние. тип электронно-лучевой трубки. Он не может быть больше в любом измерении, чем 2 дюйма. Это означает что это должно быть устройство проекционного типа, выбрасывающее изображение или картинку на небольшой портативный экран, который можно свернуть или сложить, когда нужно просмотреть программу.

Какое место в этой сложной отрасли будущего занимает специалист по обслуживанию? Начать с, весь технический прогресс постепенен. Миллионы современных радио и телевидения комплекты все равно придется обслуживать в течение нескольких десятилетий. Транзисторные наборы будущего не потребует такого обслуживания, как современные приемники. На с другой стороны, несомненно, что радиостанций будет в три-пять раз больше. и телевизоры, как у нас сейчас. Следовательно, даже если процент поломки меньше, сервисные специалисты все еще будут заняты, пытаясь предоставить адекватное обслуживание в будущем. По сути, должно быть еще много тысяч сервисов. техников через двадцать лет, чем мы имеем сейчас, если они хотят не отставать от работай.

Техник по обслуживанию также должен будет изменить свое мышление и свои методы, когда речь идет об обслуживании транзисторных приемников. Ему придется полностью перевоспитать себя к новой тенденции, точно так же, как ему пришлось переориентироваться, когда на сцене появилось телевидение. В этом он получит огромную пользу. В общем, сервисный техник будущего будет намного лучше и точнее, чем когда-либо прежде, и мы уверены, его способности зарабатывать также будут значительно увеличены.

 

 

Опубликовано 14 августа 2018 г.

Новаторская оценка транзисторов GaN для геостационарных спутников

• Список журналов
• Научные отчеты
• PMC9334328

науч. респ. 2022; 12: 12886.

Published online 2022 Jul 28. doi: 10.1038/s41598-022-17179-y

, ¹ , ¹ , ¹ , ² , ² , ² , ³ , ⁴ , ⁴ , ⁵ , ⁵ и ⁵

Авторская информация Примечания к авторским правам и лицензионной информации о склонности

В этом документе мы представляем результаты 6- летний космический эксперимент, в ходе которого изучалось влияние излучения на электронику из нитрида галлия (GaN) на геостационарной орбите. Четыре GaN-транзистора в конфигурации генератора Колпитца были испытаны на испытательном стенде технологии компонентов на борту телекоммуникационного спутника Alphasat. Был проведен эвристический анализ путем наблюдения за изменением выходной мощности генераторов в зависимости от общей дозы ионизации, полученной во время миссии. Общая ионизирующая доза измерялась с помощью транзисторов с полевым эффектом, чувствительных к излучению (RadFET), расположенных рядом с GaN-устройствами. Эксперимент показал, что GaN является надежной технологией, которую можно использовать в условиях космического излучения на геостационарной орбите. Представленная здесь работа начинается с краткого введения предмета, мотивации и основной цели. Затем следует описание экспериментальной установки, включая детали конструкции генератора и моделирования, а также реализацию испытательного стенда и испытательного стенда технологии компонентов. Наконец, обсуждаются результаты, полученные за 6 лет работы в космосе.

Тематические термины: Аэрокосмическая техника, Электротехника и электроника

В 2012 году был создан консорциум, состоящий из EFACEC, Instituto de Telecomunicações, EVOLEO Technologies, Laboratorio de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) и Института Фердинанда Брауна ( FBH) запустил проект, финансируемый Европейским космическим агентством, по разработке нескольких экспериментов на борту телекоммуникационного спутника Alphasat. Эксперименты были частью полезной нагрузки для демонстрации технологий (TDP-8). Он включал многообещающий новый тип радиочастотного транзистора для космического и военного применения на основе нитрида галлия (GaN). Цель состояла в том, чтобы проверить и изучить возможность использования технологии GaN, произведенной в Европе, в геостационарных спутниках. Если GaN будет успешно работать в космических условиях, европейские производители спутников могут извлечь выгоду из инновационных и высокоэффективных мощных ВЧ-транзисторов и MMIC, работающих на более высоких частотах. В долгосрочной перспективе они могут даже заменить нынешние TWTA (усилители на лампах бегущей волны) и другие технологии на борту спутников.

Эксперимент непрерывно проводился на орбите с 2013 по 2019 год, и это первый эксперимент с GaN на борту геостационарных спутников в Европе. Приведены доказательства способности этой технологии работать в космосе и стать жизнеспособным решением для замены TWTA в будущих спутниковых и космических миссиях (несмотря на более высокое собственное потребление, они потребляют энергию с необходимостью нагревательных резисторов). Надежность работы в космосе была продемонстрирована при работе GaN-устройств в условиях реального космического излучения. Радиация в космосе представляет опасность для всех систем, поскольку может снизить производительность или даже навсегда нарушить работу. Он состоит из трех частей: галактических космических лучей (ГКЛ), частиц солнечной энергии (SEP) и захваченных частиц. Геостационарная орбита сильно подвержена влиянию всех трех компонентов. В то время как GCR включают в себя постоянный низкий поток высокоэнергетических протонов и тяжелых ионов, которые могут вызывать эффекты одиночного события (SEE), SEP состоят из очень большого потока энергично заряженных частиц, испускаемых Солнцем в стохастических событиях, которые могут обеспечить высокую общую ионизирующую дозу. (TID) в течение короткого периода времени. Пояс Ван Аллана, захватывающий эти частицы, простирается до геостационарной орбиты, а именно в виде внешнего пояса электронов с энергиями до  ~ 10 МэВ, который может проникать сквозь экраны космических аппаратов и приводить к высоким уровням ПИВ ¹ .

Несмотря на то, что исследования радиационного повреждения GaN все еще находятся на ранней стадии, известно, что основной механизм радиационного ухудшения вызван повреждением смещения от протонов и электронов и однократным выгоранием (SEB) при воздействии излучения тяжелых ионов ^{2 , 3 , 4} . Присущая устройствам GaN с вентилем Шоттки устойчивость к TID связана с отсутствием контактов металл-оксид-полупроводник (МОП). Таким образом, количество ловушек, генерируемых вблизи электрода затвора, уменьшается. Такие ловушки приводят к влиянию ПТИ на работу устройства (увеличение утечки и сдвиг порогового напряжения) ² . Повреждение смещения происходит, когда падающая частица сталкивается с ядром атома решетки, передавая достаточно энергии, чтобы сместить его. Смещенные атомы могут образовывать стабильные дефекты или ловушки, что приводит к снижению подвижности, сдвигу порогового напряжения, уменьшению крутизны и уменьшению тока насыщения стока ³ . SEB возникает, когда падающая частица проходит через область сильного поля в устройстве и, таким образом, вызывает локализованное сильноточное состояние, которое может привести к катастрофическому отказу устройства. Электропроводящие нити могут возникать, например, когда тяжелые ионы проникают через чувствительные области устройства, такие как полевые пластины или конденсаторы MIM ⁵ . В то время как радиационные наземные испытания являются основой обеспечения радиационной стойкости электронных устройств, высокие ставки космических полетов делают полетные демонстрации критически важной частью разработки технологий, особенно потому, что ни одно оборудование не может полностью воспроизвести космическую радиационную среду и другие физические условия. Представленный здесь эксперимент был направлен на демонстрацию надежности космических устройств GaN в условиях геостационарной орбиты.

Эксперимент был основан на 4 генераторах, работающих на частоте 2,5 ГГц, которые постоянно контролировались во время миссии. Данные, собранные для анализа, включали напряжение сток-исток ( Vds ), напряжение затвор-исток ( Vgs ), ток сток-исток (Ids), мощность радиочастотного (RF) сигнала, генерируемого генераторами, потребление энергии, температура и TID, которым подвергались компоненты. ⁶ . TID измеряли с помощью полевых транзисторов, чувствительных к излучению (RadFET), на уровне платы (на печатной плате генератора (PCB)). Полное описание оценки TID можно найти по телефону ⁷ . Измеренный TID за все время полета составил 3,3 крад.

Полный эксперимент был разработан и реализован консорциумом, включая четыре генератора, которые позволили изучить изменчивость между частями из-за радиационных эффектов. Для выполнения взаимосвязи и управления всеми цепями также была разработана материнская плата. Эта плата питает цепи управления генераторами, измеряет характерные параметры генераторов и связывается с блоком управления сателлитом. Это позволяло независимо включать или выключать каждый из генераторов; он также питал детектор мощности, измерял мощность генератора с учетом теплового эффекта самих диодов измерительного детектора мощности, измерял внутреннюю температуру и уровень излучения, которому он будет подвергаться. Основные компоненты этой платы более подробно представлены в следующих разделах.

Образцы GaN-транзисторов

GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) представляют собой очень многообещающую технологию для мощных приложений. Их уникальные физические свойства, такие как большая ширина запрещенной зоны (3,4 эВ) и сильное поле пробоя (4 МВ/см), позволяют создавать оптимизированные устройства для микроволновых и миллиметровых волн. Поскольку пробойная способность материала высока, возможны устройства с небольшими расстояниями от истока до стока. Наряду с возможностью иметь высокую плотность тока канала это значительно снижает омические потери в устройстве. Таким образом, GaN позволяет создавать высокоэффективные мощные ВЧ-усилители. Они превосходят своих конкурентов на основе Si, GaAs и SiC по выходной мощности, эффективности и линейности. Таким образом, они представляют большой интерес для космических приложений и позволяют использовать новые высоко инновационные системы, такие как концепции управления лучом, замена ламп бегущей волны и многие другие приложения 9. 0073 ⁸ .

Активные GaN-устройства, выбранные для эксперимента с полезной нагрузкой Alphasat, были спроектированы, выращены и обработаны в Институте Фердинанда Брауна (FBH) в Берлине в рамках проекта сравнительного анализа GaN, финансируемого Европейским космическим агентством (ESA) (контракт № 20328). /06/NL/IA). Они состояли из топологии GaN транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) с двумя пальцами (2 × 50 мкм) с общей шириной затвора 100 мкм и длиной затвора 0,5 мкм. Устройства были реализованы на полуизолирующих подложках SiC с соответствующими эпитаксиальными слоями GaN и AlGaN, оптимизированными для применений в диапазоне от L до X. Транзисторы имели структуру металлизации Schottky T-Gate на основе Pt без полевых пластин и были полностью пассивированы с использованием покрытия SiNx. На рисунке показан дискретный GaN-транзистор, установленный в печатной плате генератора. Периферия устройства была специально разработана для прочного и надежного монтажа, необходимого для космических приложений (пайка чипов и соединение клиньев из алюминиевой проволоки, см. рис. ). Зондирование S-параметров пластины показало частоту перехода ft=36ГГц и максимальную частоту усиления мощности fmax = 78ГГц при смещении стока 28В. На рабочей частоте 2 ГГц транзисторы достигли плотности мощности 6 Вт/мм.

Открыть в отдельном окне

Фотография GaN-транзистора, установленного на плате генератора. Размеры чипа 660 × 210 мкм ² .

Плата управления GaN

Плата управления (рис.  и ) была разработана с функцией размещения генераторов и датчиков для соединения этих датчиков с протоколом связи для доставки данных на внутреннюю шину спутниковой связи и, наконец, передачи их на наземная наземная станция.

Открыть в отдельном окне

( a ) CTTB, ( b ) Плата управления на CTTB.

В состав платы входят датчики электрического тока, датчики уровня мощности ВЧ, датчики измерения, температуры и уровня радиации; кроме того, генераторы можно отключать по отдельности. Все сигналы должным образом изолированы с помощью буферов, а данные каждого генератора объединяются в единый пакет информации перед передачей в часть испытательного стенда технологии компонентов (CTTB), которая управляет экспериментальными данными.

Эксперимент состоял из трех четко определенных этапов: первый этап состоял в создании функционального прототипа; второй этап — реализация платы, включая финальные осцилляторы; и, наконец, сборка всего оборудования.

Решение о выборе схемы

Первым решением было выбрать тип электрической схемы, которую следует использовать для проверки устройств GaN FET в космосе. Были приняты во внимание несколько типов схем, таких как усилители, смесители или генераторы. Например, оптимальным выбором для бортовых спутников, использующих технологию GaN, могли бы стать усилители, поскольку в будущем такие устройства потенциально могут заменить усилители на лампах бегущей волны (ЛБВВ). Однако высокие значения потребляемой мощности, потребность во внешних источниках сигналов и схемах драйверов для тестирования и, что не менее важно, увеличение массы для эксперимента сделали этот вариант нежизнеспособным для данного эксперимента. ВЧ-генераторы, однако, не нуждаются в дополнительных источниках возбуждения сигнала, что позволяет разместить всю схему и системы ее измерения в одном корпусе, а также уменьшить энергопотребление и массу. По этой причине выбранной схемой был генератор, поскольку он позволяет интегрировать все датчики на одной плате, оптимизируя мощность, массу и пространство на плате.

Конструкция и реализация генератора

Принятая топология ВЧ-генератора соответствует конфигурации Колпитца и предполагает, что петля обратной связи образована емкостной/резистивной цепью. Индуктор для устройства Колпитца и, следовательно, для резонансной петли выполнен в виде коаксиального резонатора. Схему генератора можно увидеть на рис. , а прототип на рис. .

Поскольку эта схема предназначена для использования в космосе, следует избегать движущихся частей, что ограничивает использование регулируемых компонентов, таких как переменные конденсаторы. Таким образом, был использован коаксиальный резонатор, с точной частотой работы, которая впоследствии определяет частоту колебаний ⁸ .

Частота, выбранная для работы генератора, составляла 2,5 ГГц, а номинальное напряжение Вds для устройств могло достигать 28 В, но из-за наличия встроенного источника питания постоянного тока напряжение Вds пришлось ограничить до 15 В, а напряжение на затворе поддерживалось на уровне Вгс  = 0 В. Работа GaN-устройств в генераторной среде позволяла возбуждать транзистор с трудом и даже сильнее, чем в традиционном усилителе мощности ⁴ .

Помимо самого ВЧ-генератора, системная тестовая плата также включала детектор мощности с температурной компенсацией для контроля мощности цепи GaN в космосе. Таким образом, силовой пробник также был разработан и включен перед генератором. Таким образом, вся конфигурация представляла собой полноценную радиочастотную лабораторию в космосе. Выход схемы измерения состоит из двух напряжений постоянного тока, одно из которых соответствует мощности генератора, а другое — калибровочному напряжению для калибровки температуры.

Генератор был изготовлен с использованием подложки Duroid RT6010 и прикреплен к внешнему корпусу с помощью электро- и теплопроводящего клея (ATI-ESP8350). Это было сделано в отсутствие воды, чтобы предотвратить кристаллизацию, которая могла вызвать разрывы и изменение объема. Во избежание трещин из-за несоответствия коэффициента теплового расширения (КТР) материал корпуса имел КТР вблизи одной из подложек, а также хорошие электрические и тепловые свойства. Кроме того, это должен быть легкий и прочный материал. По всем вышеупомянутым причинам был выбран специальный сплав CE-17, покрытый 10 мкм Ni +  и покрытый 1 мкм Au.

Расположение схемы генератора также должно гарантировать изоляцию радиочастот примерно на 40 дБ ниже уровня генерируемого сигнала, чтобы не возникало электромагнитных помех собственным радиосистемам спутников. Поэтому генератор должен был работать в полностью герметизированной клетке Фарадея. Для улучшения теплоотвода чипа и заземления его приклеили непосредственно к корпусу с помощью эпоксидного клея AIT (EG8050). Верхний регистр показан на рис. .

Открыть в отдельном окне

Корпус генератора с поглотителями.

Кроме того, мы также использовали материал, поглощающий радиочастоты, приклеенный внутрь крышки с помощью клея на силиконовой основе (ECCOSORB BSR-2-SS6 M), как показано на рис. . Были проведены циклы тепловых и вакуумных испытаний для изучения температурной зависимости, а также измерена изоляция мощности радиочастотного сигнала в безэховой камере.

В данном разделе обобщены результаты, полученные при эксплуатации разработанных плат на геостационарной орбите в течение 6 лет с июля 2013 г. по апрель 2019 г.. Эксперимент был предназначен для мониторинга влияния полной ионизирующей дозы (TID) от энергично заряженных частиц и циклов космической температуры на выходную мощность GaN-генераторов. На рисунках, представленных ниже, показаны данные, собранные за все время миссии.

На рисунке показано изменение температуры и дозы в зависимости от прошедшего времени. Обратите внимание, что изначально спутник не работал на 100%, работали только некоторые части. Таким образом, с апреля по октябрь 2015 года спутник заработал на 100%, что повысило глобальную температуру. Эту зависимость можно увидеть на рис. Из того же рисунка видно, что доза облучения со временем увеличивается, как и ожидалось.

Открыть в отдельном окне

Изменение температуры и дозы во времени.

На рисунке показано соотношение между каждым генератором относительно его выходной мощности, дозы облучения и температуры. В целом выходная мощность немного увеличивается при понижении температуры системы, что является ожидаемым поведением ⁸ . Другим важным аспектом является то, что выходная мощность уменьшается с увеличением дозы облучения, хотя и незначительно, что позволяет сделать вывод о том, что процесс старения и радиация вызывают небольшие изменения в поведении устройства. Все четыре генератора имеют одинаковую картину, генератор 4 имеет 12%, а остальные три генератора имеют изменение примерно на 10% их выходной мощности.

Открыть в отдельном окне

CCTB Входное напряжение всех генераторов в зависимости от времени и дозы для температур от 22 до 25 °C.

Выходная мощность генераторов является функцией входного напряжения (результат уровня выходной мощности генератора с внутренней тепловой коррекцией), температуры и, возможно, полной ионизирующей дозы (TID). На рисунке показано изменение температуры платы CCTB (датчик температуры расположен над датчиком RadFet) и дозы во времени. Колебания температуры вызваны движением Земли по орбите вокруг Солнца. Значительное повышение средней температуры в 2015 г. связано с работами спутников, которые до настоящего времени выполнялись лишь частично. Поскольку выходная мощность очень чувствительна к температуре, для анализа были рассмотрены только измерения, проведенные в небольшом диапазоне температур от 22 до 25 °C, который достигался в течение всей миссии в течение коротких периодов времени. Входное напряжение было довольно стабильным в течение всей миссии для этих значений температуры, как показано на рис. По этой причине можно предположить, что выходная мощность не изменилась с входным напряжением для этого анализа для каждого генератора.

С учетом измерений, проведенных в температурном интервале от 22 до 25 °C, выходная мощность всех четырех генераторов показана на рис. . Три из четырех генераторов достигают стабильного уровня работы на орбите, обратите внимание, что генератор 4 показывает снижение выходной мощности примерно на 12% в течение первого года работы из-за известной более высокой точки сжатия в производственном процессе. С другой стороны, этот конкретный осциллятор также имел более высокую начальную выходную мощность. Следует отметить, что все транзисторы были подвергнуты процедуре термического обжига после изготовления и выбраны таким образом, чтобы их характеристики по постоянному току были сопоставимы. Мы предполагаем, что различия в отдельных генераторах связаны с локальными вариациями дисперсионных эффектов на конкретных пластинах, что приводит к несколько разным начальным характеристикам мощности, хотя данные по постоянному току весьма схожи. В то время, когда устройства GaN были предоставлены для этих космических экспериментов, никаких предвзятых процедур прижигания не проводилось. Это, конечно, могло уменьшить наблюдаемую изменчивость. Тем не менее, все генераторы оставались активными до конца миссии с небольшими изменениями их выходной мощности, см. рис. Этот результат важно рассматривать в свете радиационной обстановки, в которой находились устройства. Геостационарная орбита населена в основном электронами, что приводит к высокому TID, но низкой дозе повреждения смещения. Тот факт, что технология GaN, как известно, более восприимчива к последнему, и тот факт, что измеренное значение TID было не очень высоким (~ 3,3 крад), объясняет, почему не было измерено никаких заметных повреждений компонентов.

Открыть в отдельном окне

Выходная мощность всех генераторов в зависимости от времени и дозы для температур от 22 до 25 °C. Только осциллятор 4 показывает значительное снижение выходной мощности. (В этом случае транзисторы не подвергались комбинированному процессу теплового/электрического старения, поэтому ожидается, что первая часть графика соответствует эффекту выгорания).

В этой статье мы представили результаты 6-летнего эксперимента на борту Alphasat на геостационарной орбите по изучению поведения GaN-технологии в условиях космического излучения. Четыре транзистора GaN в конфигурации генератора Колпитца были установлены на плате прибора CTTB вместе со схемой датчика температуры и RADFET для оценки TID.

Выходная мощность генератора и входное напряжение контролировались для четырех генераторов. Результаты показали незначительное изменение в трех из осцилляторов. Выходная мощность четвертого генератора снизилась примерно на 12% в течение первого года работы. Тем не менее, все генераторы работали в соответствии со спецификацией на протяжении всего эксперимента. Из этих результатов эксперимент предоставил доказательства, подтверждающие надежность технологии GaN в будущих космических миссиях, по крайней мере, на геостационарной орбите, учитывая, что это электронно-богатая орбита с разумной общей ионизирующей дозой (TID) и низкой дозой повреждения смещения, которая идеально подходит для технологии, которая показала низкую чувствительность к первому.

В этой работе участвует 6 объектов, эта работа была проектом, созданным консорциумом. Авторы FBH (P.K. и J.W.) отвечали за разработку технологии GaN, лежащей в основе этого эксперимента. IT и команда Universidade de Aveiro (HM, DMe NC) отвечали за сборку эксперимента и создание необходимых схем для размещения на борту спутника. Т.С. (EFACEC) отвечала за проведение эксперимента. А.Б., Ф.Г. и К.П. (ESTEC) отвечали за определение потребностей для этого эксперимента. Дж.С., М.П. и П.Г. (LIP) отвечали за интерпретацию и оценку окончательных результатов радиации после продолжительности космического эксперимента.

Эта работа финансировалась Европейским космическим агентством Alphasat TDP8.

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Примечание издателя

Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

1. Sicard-Piet A, et al. Новая международная геостационарная модель электронов: IGE-2006, от 1 кэВ до 5,2 МэВ. Космическое Веа. 2008;6:7. [Google Scholar]

2. Поляков А.Ю., Пиртон С.Дж., Френцер П., Рен Ф., Лю Л., Ким Дж. Радиационные эффекты в материалах и устройствах GaN. Дж. Матер. хим. С. 2013;1(5):877–887. дои: 10.1039/C2TC00039C. [CrossRef] [Google Scholar]

3. Pearton SJ, Ren F, Patrick E, Law ME. Обзор воздействия ионизирующего излучения на устройства GaN. ECS J. Науки о твердом теле. Технол. 2016;5(2):35–60. doi: 10.1149/2.0251602jss. [CrossRef] [Google Scholar]

4. Kuboyama S, et al. Единичные повреждения, вызванные тяжелыми ионами, наблюдаемые в HEMT AlGaN/GaN. IEEE транс. Нукл. науч. 2011;58(6):2734–2738. doi: 10.1109/TNS.2011.2171504. [CrossRef] [Google Scholar]

5. Kupsc P, et al. Анализ Microbeam SEE конденсаторов MIM для GaN-усилителей. IEEE транс. Нукл. науч. 2018;65(2):732–738. дои: 10.1109/ТНС.2018.2791564. [CrossRef] [Google Scholar]

6. Mostardinha, H. GaN RF testebed для космических приложений. Семинар по микроволновым технологиям и методикам 2010, ESA-ESTEC Noordwijk, Нидерланды

7. Sampaio JM, et al. Измерения дозы и моделирование отклика RADFET на борту экспериментов Alphasat CTTB. IEEE транс. 2020;67(9):2028–2033. [Google Scholar]

8. Mostardinha, H., et al. Схемы GaN для космических приложений — генераторы 2,5 ГГц и 14 ГГц.