3.4. Draw (qualitatively) the input and output vac of three ptBs with the same size, doping level, but made of Si, GaN, GaAs. Justify the dependencies.

Fig. 22. Input characteristics

Fig. 22. Output characteristics.

The VAC PTSH (output) in the region before saturation (linear section) is described by the expression:

Since the sizes of the transistors are the same, the drain current will be determined by the parameters of the n / a, in this case, the mobility of the electrons. Gallium arsenide has much higher electron mobility than silicon and gallium nitride (Si - 1300 cm2/s; GaN – 2000 cm²/s; GaAs - 8500 cm²/s). Therefore, the slope of the linear section of the characteristic (the rise of the drain current) is greater. The breakdown voltage is determined by the width of the band gap. In this case, gallium nitride has the largest band width (Si – 1.12 eV; GaN – 3.4 eV; GaAs – 1.42 eV). The larger the band gap width, the higher the breakdown voltage value.

(Поскольку размеры транзисторов одинаковы, ток стока будет определяться параметрами n/a, в данном случае подвижностью электронов. Арсенид галлия обладает гораздо более высокой подвижностью электронов, чем кремний и нитрид галлия (Si - 1300 см2/с; GaN – 2000 см2/с; GaAs - 8500 см2/с). Следовательно, наклон линейного участка характеристики (нарастание тока стока) больше. Напряжение пробоя определяется шириной запрещенной зоны. В этом случае нитрид галлия имеет наибольшую ширину полосы (Si – 1,12 эВ; GaN – 3,4 эВ; GaAs – 1,42 эВ). Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше значение пробивного напряжения.)

3.5. Draw and justify the family of input and output VAC and noise coefficient on one graph. Explain why PTBS, despite the high electronic temperature of the media at the output, are classified as low-noise devices? When analyzing, use the solution of problem #7 from the first task.

Let us consider the dependence of the noise coefficient upon device mode of operation. To do this, we shall use the van der Ziel formula. We write it for some section x and carry out the transformations: (Рассмотрим зависимость коэффициента шума от режима работы устройства. Для этого мы будем использовать формулу ван дер Зеля. Мы записываем его для некоторого сечения x и выполняем преобразования:)

In this formula, the parameters that depend on the mode are drain current I_d and the ratio of diffusion coefficient to carrier velocity D(T_e)/v. (В этой формуле параметрами, зависящими от модели, являются ток стока Id и отношение коэффициента диффузии к скорости носителя D(Te)/v.)

Fig. 23. Input and output current-voltage characteristics and noise figure in one graph.

First of all, we estimate the change in these quantities for the input part of the transistor. In the operating mode, when the drain current reaches saturation, the velocity in the gate part of the transistor depends little on the gate voltage and drain voltage. It tends to saturation velocity. Diffusion coefficient varies, depending on the electron temperature, but not significantly. Then ratio D(T_e)/v will change insignificantly. Turning to formula (14.1.31), we see that the smaller the current I_d, the less the noise current. This thesis received experimental confirmation. In Fig. 24, against the background of the input characteristic and the family of output, the dotted line shows the experimental dependences of the noise coefficient N_f. A specific feature of the experimental dependence N_F=f(I_d) is the presence of a minimum noise coefficient at current min , where I_d0 is the current at zero voltage on the gate. This fact contradicts the stated provision on noise reduction with decreasing current, according to (14.1.31). The contradiction is eliminated by taking into account the influence of the buffer layer. At low currents (narrowed channel), the electrons are warmed up already in the initial part of the transistor and get the opportunity to overcome the barrier and to drift in the buffer layer. This leads to a decrease of transconductance, decrease in gain, and to increase in the noise coefficient accordingly. From this point of view, the minimal noise should have a symmetric transistor, in which there is no current flow into the buffer layer. Today we have the noise factor N_F 1.5 ... 2 dB in 10 ... 12 GHz band in classical MESFETs. (Прежде всего, мы оцениваем изменение этих величин для входной части транзистора. В рабочем режиме, когда ток стока достигает насыщения, скорость в затворной части транзистора мало зависит от напряжения затвора и напряжения стока. Он стремится к скорости насыщения. Коэффициент диффузии изменяется в зависимости от температуры электронов, но незначительно. Тогда соотношение D(Te)/v изменится незначительно. Обращаясь к формуле (14.1.31), мы видим, что чем меньше идентификатор тока, тем меньше ток шума. Этот тезис получил экспериментальное подтверждение. На рис. 24, на фоне входной характеристики и семейства выходных данных пунктирной линией показаны экспериментальные зависимости коэффициента шума Nf. Специфической особенностью экспериментальной зависимости NF=f(Id) является наличие минимального коэффициента шума при токе min, где Id0 - ток при нулевом напряжении на затворе. Этот факт противоречит заявленному положению о снижении шума при уменьшении тока, согласно (14.1.31). Противоречие устраняется за счет учета влияния буферного слоя. При малых токах (суженный канал) электроны разогреваются уже в начальной части транзистора и получают возможность преодолеть барьер и дрейфовать в буферном слое. Это приводит к уменьшению транскондуктивности, уменьшению коэффициента усиления и, соответственно, к увеличению коэффициента шума. С этой точки зрения минимальный шум должен иметь симметричный транзистор, в котором отсутствует протекание тока в буферный слой. Сегодня мы имеем коэффициент шума NF 1,5 ...2 дБ из 10... Диапазон 12 ГГц в классических транзисторах.)

Source: Microwave electronics pdf.pdf