Introducción Teórica

2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
Capítulo 2
Introducción Teórica
2.1 Linealidad y No Linealidad
Los circuitos lineales son aquellos compuestos exclusivamente por elementos
lineales. Un elemento lineal es aquel en el que la relación entre la caída de tensión entre
sus terminales y la intensidad de la corriente que fluye a través de ellas puede
describirse mediante ecuaciones integro-diferenciales lineales.
Pues bien, todos los circuitos electrónicos son no lineales [2]. Esta es una
afirmación fundamental en la ingeniería electrónica. La suposición de linealidad que se
encuentra en mucha de la teoría de circuitos moderna es sólo una aproximación en la
práctica. Algunos circuitos, tales como amplificadores de pequeña señal, son sólo
débilmente no lineales, y se usan en sistemas como si fuesen lineales. En estos circuitos,
las no linealidades son responsables de fenómenos que degradan el comportamiento del
sistema, y deben ser minimizadas. Otros circuitos, tales como mezcladores o
multiplicadores de frecuencia, son usados por sus no linealidades. En estos, suele ser
deseable maximizar las no linealidades, e incluso minimizar los efectos del molesto
fenómeno lineal. El problema de análisis y diseño de esos circuitos es
considerablemente más complicado que el de los circuitos lineales, y es objeto de
especial consideración.
La afirmación de que todos los circuitos son no lineales no está hecha a la ligera.
Las no linealidades de dispositivos de estado sólido son bien conocidas, pero no se
reconoce generalmente que incluso componentes pasivos, como resistores, capacitores e
inductores, que se espera que sean lineales bajo todas las condiciones, son no lineales en
los extremos de sus rangos de operación. Cuando grandes tensiones o intensidades se
aplican a los resistores, por ejemplo, sus resistencias cambian como resultado de la
temperatura y otros efectos. Lo mismo ocurre con capacitores, especialmente los
diseñados con materiales semiconductores para aplicaciones de circuito híbridos, y
5
2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
también con inductores. Así, el concepto de circuito lineal es una idealización, y una
completa comprensión de circuitos electrónicos, requiere la comprensión de las no
linealidades y sus efectos.
Los circuitos lineales son definidos como aquellos para los que el principio de
superposición se cumple. Específicamente, si las excitaciones x1 y x 2 se aplican
separadamente a un circuito, teniendo respuestas y1 y y 2 respectivamente, la respuesta
a la excitación ax1 + bx 2 es ay1 + by 2 , donde a y b son constantes arbitrarias. Este
criterio puede aplicarse a circuitos y sistemas. Una implicación importante de esta
definición es que la respuesta de un componente o sistema lineal incluye sólo esas
frecuencias presentes en las formas de onda de la excitación. Así, circuitos lineales
invariantes en el tiempo no generan nuevas frecuencias. En cambio, los circuitos no
lineales suelen crear un gran número de nuevos componentes frecuenciales, por lo que
este criterio provee una importante línea divisoria entre circuitos lineales y no lineales.
Por su parte, los circuitos no lineales son caracterizados a menudo como
fuertemente o débilmente no lineales. Aunque estos términos no tienen generalmente
definiciones formales aceptadas, una buen definición sería que un circuito débilmente
no lineal puede ser descrito con precisión adecuada por una expansión de series de
potencia de sus relaciones no lineales intensidad-tensión (I/V), carga-tensión (Q/V), o
flujo-intensidad ( φ / I). Esta definición implica que la característica es continua, tiene
derivadas continuas, y para la mayoría de propósitos no requiere más que unos poco
términos en las series de potencia. Adicionalmente, suele asumirse que las no
linealidades y la excitación RF son suficientemente débiles para que el punto de
funcionamiento DC no sea perturbado. Virtualmente, todos los transistores y
componentes pasivos satisfacen esta definición si las tensiones de excitación están
dentro del rango de funcionamiento normal de los componentes. Si un circuito es
débilmente no lineal, puede ser analizado a través de técnicas relativamente sencillas,
como series de potencia o series de Volterra. Los circuitos fuertemente no lineales son
todos los que no cumplen la definición de débilmente lineales, y tienen que ser
analizados mediante balance armónico o técnicas en el dominio del tiempo. Estos
circuitos no son demasiado difíciles de manejar si sólo incluyen excitación de un solo
tono, o están compuestos únicamente por componentes de parámetros concentrados. El
caso más difícil de analizar es un circuito fuertemente no lineal que incluye, mezclados,
componentes concentrados, impedancias arbitrarias, y excitaciones múltiples.
Otro concepto usado frecuentemente en análisis no lineal es el de
cuasilinealidad. Un circuito cuasilineal es aquel que puede ser usado en la mayoría de
casos como lineal, aunque puede incluir pequeñas no linealidades. Las no linealidades
son débiles como para que su efecto sobre la parte lineal de la respuesta del circuito sea
despreciable; sin embargo, el circuito puede generar productos de distorsión suficientes
como para preocuparnos.
Dos últimos conceptos que se emplean de vez en cuando, son los de no
linealidades de dos terminales y no linealidades de transferencia. Una no linealidad de
dos terminales es un simple resistor, capacitor o inductor no lineal; su valor es función
de una variable independiente, la tensión o corriente a sus terminales (llamadas tensión
o corriente de control). En una no linealidad de transferencia, la tensión o corriente de
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2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
control está en algún lado del circuito distinto a los terminales del elemento. Vemos
estos casos en la Figura 2.1:
Figura 2.1: a) No linealidad de dos terminales, b) No linealidad de transferencia.
Es posible que un elemento del circuito tenga más de un control, uno de los
cuales suele ser la tensión o corriente de control. Así, muchos elementos no lineales
deben ser tratados como combinación de no linealidades de dos terminales y de
transferencia. Un ejemplo de no linealidad de transferencia es la fuente de corriente
controlada no lineal en el circuito equivalente de un transistor de efecto de campo
(FET), donde la corriente de drenador es una función de la tensión de puerta. Circuitos y
elementos de circuito reales, suelen incluir ambos tipos de no linealidades. Un ejemplo
de esto es el circuito equivalente completo de un FET, que vemos en la Figura 2.2 y
estudiaremos más adelante, e incluye capacidades no lineales con múltiples tensiones de
control, transconductancia, y resistencia drenador-fuente.
Figura 2.2: Circuito equivalente no lineal de un GaAs MESFET.
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2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
Y, ¿cuáles son los efectos de las no linealidades sobre los sistemas de
microondas? Se definen muchos fenómenos, aunque algunos de ellos son simplemente
diferentes manifestaciones de las mismas no linealidades:
Generación de armónicos
Una de las propiedades más obvias de un sistema no lineal es su generación de
armónicos de las frecuencias de excitación.
La forma tradicional de ver cómo se crean nuevas frecuencias en circuitos no
lineales es describir las características I/V de los componentes a través de series de
potencias, y asumir excitación de tensión multitono. Si por ejemplo se asume una
excitación de dos tonos, V1 cos(ω1t ) + V2 cos(ω 2 t ) , las nuevas frecuencias generadas
serán combinación lineal de las dos frecuencias de excitación, es decir,
wm ,n = mw1 + nw2 .
Intermodulación
Todas las frecuencias de mezcla que surgen como combinación lineal de dos o
más tonos son llamadas a menudo productos de intermodulación (IM). La
intermodulación creada en un amplificador o receptor representa un serio problema, ya
que son señales espúreas que interfieren, y pueden confundirse, con las señales
deseadas. Este es un problema importante en sistemas de microondas. Los productos de
IM de mayor interés suelen ser los de tercer orden que ocurren a 2w1 − w2 y 2w2 − w1 ,
porque se encuentran cerca de las señales que las generan y muchas veces no pueden
eliminarse con los filtros.
Saturación y Desensibilización
La saturación ocurre en los circuitos debido a que la potencia de salida
disponible es finita. Si un circuito, como un amplificador, es excitado por una gran señal
y una señal pequeña, y la gran señal lleva al circuito a la saturación, la ganancia es
decrementada también por la pequeña señal. La saturación, por tanto, causa un
decremento en la sensibilidad del sistema.
Modulación cruzada
Es el efecto por el que la modulación de una señal es transferida a otra. De este
modo, se puede generar una distorsión causada por una señal de interferencia que se
encuentra separada, hablando en términos de frecuencia, de la señal deseada. Este efecto
es extremadamente molesto en casos de sistemas de comunicación.
Ganancia de compresión y expansión
Este término se usa para describir la variación de la ganancia en un receptor
cuando la señal de entrada va incrementando su amplitud, es decir, aumenta la potencia
de entrada.
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2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
Conversión AM/PM
Es un fenómeno en el que cambios en la amplitud de la señal aplicada a un
circuito no lineal causa un desplazamiento en fase. Esta forma de distorsión puede tener
serias consecuencias en sistemas en los que la fase de la señal es importante, como los
sistemas de comunicaciones modulados en fase.
Respuestas espúreas
Son casos especiales de intermodulación. Son una forma de intermodulación de
dos tonos donde uno de los tonos es el oscilador local (LO). Es decir, son respuestas
generadas por una señal de interferencia o alguno de sus armónicos, al combinarse con
la señal originada por el oscilador local o alguno de sus armónicos. En sistemas de
microondas, el concepto de respuestas espúreas se aplica sólo a mezcladores.
Tras haber visto esta serie de efectos no lineales, ya somos conscientes de la
importancia que tienen y de que no pueden ignorarse.
2.2 Sistemas De Microondas
2.2.1 Introducción
La ingeniería de microondas tiene que ver con todos aquellos dispositivos,
componentes y sistemas que trabajen en el rango frecuencial de 300 MHz 3 ⋅ 10 8 Hz a
300 GHz 3 ⋅ 1011 Hz , por lo que les corresponde una longitud de onda eléctrica
(λ = c f ) entre 1 m y 1 mm. Es por eso que a las señales con longitudes de onda de ese
orden se les llama ondas milimétricas.
(
(
)
)
La banda espectral de las microondas de divide en sub-bandas tal como se
muestra en la siguiente tabla:
Banda
L
S
C
X
Ku
K
Ka
U
Frecuencia (GHz)
1-2
2-4
4-8
8-12
12-18
18-26
26-40
40-60
Tabla 2.1: Sub-bandas en las que se divide la banda espectral de las microondas.
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2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
Debido a ese amplio margen de frecuencias, tales componentes encuentran
aplicación en diversos sistemas de comunicación.
Al pensar en comunicaciones de datos, generalmente se hace la comunicación a
través de cables, debido a que la mayoría de nosotros tratamos con este tipo de
tecnología en nuestro día a día. Dejando a un lado las complicadas redes cableadas,
también tenemos la llamada comunicaciones inalámbricas, ampliamente utilizadas a
nuestro alrededor.
La comunicación inalámbrica en la forma de microondas se usa para transferir
voz y datos a larga distancia. Los canales inalámbricos son utilizados para la
comunicación digital cuando no es económicamente conveniente la conexión de dos
puntos vía cable; además son ampliamente utilizados para interconectar redes locales
(LANS) con sus homólogas redes de área amplia (WANS) sobre distancias moderadas y
obstáculos como autopistas, lagos, edificios y ríos.
Y es que podemos decir que el campo mas valioso de aplicación de las
microondas es el ya mencionado de las comunicaciones, desde las que pudiéramos
denominar privadas, pasando por las continentales e intercontinentales, etc. Ejemplo
típico puede ser, por ejemplo, un enlace de Radiocomunicaciones terrestre a 6 GHz en
el cual detrás de las antenas emisora y receptora, hay toda una circuitería capaz de
generar, distribuir, modular, amplificar, mezclar, filtrar y detectar la señal. Otros
ejemplos lo constituyen los sistemas de comunicación por satélite, los sistemas radar y
los sistemas de comunicación móviles, muy comunes en nuestros días.
La propiedad fundamental que caracteriza a este rango de frecuencia es que el
rango de ondas correspondientes es comparable con la dimensión físicas de los sistemas
de laboratorio; debido a esta peculiaridad, las microondas exigen un tratamiento
particular que no es extrapolable a los métodos de trabajo utilizados en los márgenes de
frecuencias con que limita. Estos dos límites lo constituyen la radiofrecuencia y el
infrarrojo lejano. En radiofrecuencia son útiles los conceptos de circuitos con
parámetros localizados, debido a que, en general, las longitudes de onda son mucho
mayores que las longitudes de los dispositivos, pudiendo así, hablarse de
autoinducciones, capacidades, resistencias, etc., debido que no es preciso tener en
cuenta la propagación efectiva de la onda en dicho elemento. Por el contrario, en las
frecuencias superiores a las de microondas son aplicables los métodos de tipo óptico,
debido a que las longitudes de onda comienzan a ser despreciables frente a las
dimensiones de los dispositivos.
El método de análisis más general y ampliamente utilizado en microondas
consiste en la utilización del campo electromagnético, caracterizado por los vectores E,
B, D y H, en presencia de medios materiales, y teniendo en cuenta las ecuaciones de
Maxwell, que rigen su comportamiento, y las condiciones de contorno metálicos, que
son muy frecuentes a estas frecuencias. No obstante, en las márgenes externos de las
microondas se utilizan frecuentemente los métodos de análisis correspondientes al rango
contiguo del espectro. Así, a frecuencias elevadas de microondas, son útiles los
conceptos de rayo, lente, etc., ampliamente utilizados en óptica, sobre todo cuando la
propagación es transversal electromagnética (TEM, E y B perpendiculares entre sí y a la
dirección de propagación) en el espacio libre. Por otro lado, a frecuencias bajas de
microondas, colindantes con las radiofrecuencias, es útil la teoría de circuitos con
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2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
parámetros distribuidos, en la que toma en cuenta la propagación efectiva que va a tener
la onda en un elemento cualquiera. Así, un trozo de cable metálico, que en baja
frecuencia representa simplemente un cortocircuito que sirve para efectuar una conexión
entre elementos, dejando equipotenciales los puntos que une, a alta frecuencia es un
sistema cuya frecuencia, por efecto peculiar, puede no ser despreciable y cuya
autoinducción puede causar una impedancia que sea preciso tomar en cuenta. Entonces
es preciso representar este cable a través de su impedancia (resistencia y autoinducción)
por unidad de longitud.
2.2.2 Dispositivos de microondas
La tecnología de semiconductores, que proporciona dispositivos activos que
operan en el rango de las microondas, junto con la invención de líneas de transmisión
planares, ha permitido la realización de tales funciones por circuitos híbridos de
microondas. En estos circuitos, sobre un determinado sustrato se definen las líneas de
transmisión necesarias. Elementos pasivos (condensadores, resistencias) y activos
(transistores, diodos) son posteriormente incorporados al circuito mediante el uso de
pastas adhesivas y técnicas de soldadura. De ahí el nombre de tecnología híbrida de
circuitos integrados (HMIC: "Hybrid Microwave Integrated Circuit"). Recientemente, la
tecnología monolítica de circuitos de microondas (MMIC), permite el diseño de
circuitos/subsistemas capaces de realizar, muchas de las funciones mencionadas
anteriormente, en un sólo "chip". Por las ventajas que ofrece ésta tecnología, su
aplicación en el diseño de amplificadores para receptores ópticos, constituye un campo
activo de investigación y desarrollo.
El diseño de circuitos de microondas en ambas tecnologías, ha exigido un
modelado preciso de los diferentes elementos que forman el circuito. De especial
importancia son los dispositivos activos (MESFET, HEMT, HBT), pues conocer su
comportamiento tanto en pequeña señal como en gran señal (régimen no lineal), es
imprescindible para poder predecir la respuesta de un determinado circuito que haga uso
de él. El análisis, modelado y simulación de estos dispositivos, constituye otra de las
áreas de trabajo.
2.2.3 Generación de microondas. Historia de los amplificadores
La amplificación es una de las funciones más básicas y relevantes en los
circuitos de microondas. A continuación veremos un resumen de la historia de los
amplificadores de microondas, desde los primeros, que utilizaban tubos y válvulas,
hasta los más modernos transistores [3]:
- Quizás fue el Magnetrón, como generador de microondas de alta potencia, el
dispositivo que dio pie al desarrollo a gran escala de las microondas, al abrir paso a la
utilización de sistemas de radar durante la II Guerra Mundial.
- Sin embargo, fueron los Klystrons los que dieron una mayor versatilidad de utilización
de las microondas, sobre todo en el campo de las comunicaciones. El principio básico
de funcionamiento de estos generadores es la modulación de la velocidad de un haz
electrónico, que al atravesar una cavidad resonante, excita en ella oscilaciones
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2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
electromagnéticas de la frecuencia de microondas deseada.
- Fue el desarrollo de otro tipo de válvulas, las de onda progresiva (TWT, TravellingWave Tube, son las siglas de ésta clase de tubos), las que dieron lugar a una mejor
compresión de los fenómenos que tienen lugar en los haces electrónicos, sobre todo en
lo que respecta a las ondas electromecánicas, que daban lugar a amplificación o
generación de microondas. Para que este acoplamiento sea efectivo es preciso reducir la
velocidad de fase de la onda electromagnética, lo cual se hace mediante estructuras
periódicas, de entre las cuales, la más utilizada es la hélice. De esta forma es posible
mantener una iteración continuada entre la onda electromagnética y el haz electrónico,
modulado en velocidad, y consecuentemente en densidad, que va cediendo su energía,
digamos cinética, a la onda electromagnética.
- Posteriormente también se desarrollo el tubo de onda regresiva (BWO, Backwardwave oscillator), en el cual la velocidad de fase de la onda va en dirección opuesta al
flujo de energía en el circuito, que ofrecí a, además, una mayor amplitud de sintonía en
frecuencia mediante control electrónico.
- El desarrollo de la física del estado sólido con materiales semiconductores, permitió la
aplicación de dispositivos de dos terminales como amplificadores. Es el caso de los
diodos túnel y de avalancha (como los Gun e IMPATT).
- Fue a partir de los años 70, cuando la mayoría de los amplificadores utilizan
dispositivos de tres terminales. Primero los transistores de unión bipolar, con substrato
de silicio (BJT), y posteriormente los de efecto de campo (FET), con substrato de GaAs
(MESFET).
- Durante las últimas décadas, el desarrollo ha sido espectacular, sobre todo en la
obtención de compuestos pseudomórficos y de heterouniones, cuyos logros más
destacados han sido el transistor bipolar de heterounión (HBT) y el transistor de alta
movilidad electrónica (HEMT).
2.2.4 Características de transistores de microondas
Los transistores de microondas se usan como amplificadores, osciladores,
interruptores, desplazadores de fase, mezcladores y filtros activos. La mayoría de estas
aplicaciones usan bien transistores bipolares de Silicio (Si), o bien transistores de efecto
de campo de arseniuro de galio (AsGa). Los circuitos bipolares con tecnología de Si
están muy desarrollados y son muy económicos en comparación con los de AsGa.
Además, los transistores bipolares tienen alta ganancia y capacidad a frecuencias bajas.
Sin embargo, los transistores de AsGa suelen tener mejores figuras de ruido (más bajas)
y pueden operar a frecuencias mucho más altas. Los transistores bipolares de Si actuales
están limitados a aplicaciones por debajo de unos 10GHz, pero recientes desarrollos
como son los transistores bipolares de heterounión HBT, permiten operar correctamente
hasta la banda de ondas milimétricas. Los FETs de AsGa se han usado a frecuencias
hasta por encima de los 100GHz.
12
2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
En la tabla siguiente se comparan la ganancia y figura de ruido de los principales
transistores de microondas [3]:
Frecuencia
(GHz)
S
4
C
8
X
12
Ku
18
Ka
36
U
60
BJT
GaAs FET
GaAS HBT
GaAs HEMT
G (dB) F (dB) G (dB) F (dB) G (dB) F (dB) G (dB) F (dB)
15
2.5
20
0.5
9
4.5
16
0.7
6
8.0
12
1.0
20
4.0
22
0.5
8
1.2
16
16
0.9
10
12
1.7
7
8
2.6
Tabla 2.2: Ganancia y ruido de algunos tipos de transistores.
2.3 Tecnología MMIC
2.3.1 Introducción
Los circuitos integrados MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit), que
han aparecido en las últimas décadas, constituyen una tecnología que está ejerciendo
una profunda influencia en el diseño de sistemas de microondas. Un MMIC es un
circuito de microondas en el que los componentes activos y pasivos se fabrican sobre el
mismo substrato conductor, esto es, no hace falta conectarlos al circuito, sino que van
integrados en el mismo. Ésta es la diferencia principal respecto a los circuitos HMIC’s
(Hybrid-MIC), donde los componentes activos de estos circuitos no se integraban en el
mismo substrato, sino que aparecían como elementos discretos sobre éste. En MMIC, el
sustrato debe ser activo y capaz de acomodar las líneas de transmisión y los
componentes pasivos necesarios, además de cumplir una serie de requisitos exigibles
tales como buen comportamiento en RF, facilidad de proceso, tamaño y peso reducidos,
bajo coste, posibilidad de implementar los dispositivos sobre él de manera adecuada, etc
[4].
Así, los circuitos MMIC constarán tanto de componentes activos
(amplificadores, mezcladores, PLLs,...) como de componentes pasivos (resistencias,
condensadores, bobinas).
Los dispositivos activos en tecnología MMIC son, básicamente, transistores que
permitan realizar amplificadores o mezcladores con una ganancia y un ancho de banda
adecuado.
Desde los primeros transistores metal-semiconductor field effect transistor
(MESFET) ha habido un creciente interés por los transistores basados en el GaAs, sobre
todo por la alta movilidad de los electrones y baja capacidad parásita que permite
mayores velocidades y anchos de banda que otras tecnologías (BJT). Hoy día, esta
tecnología es la principalmente usada en los MMICs.
13
2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
La aparición de nuevas técnicas de dopado y fabricación de los substratos, ha
hecho que se puedan construir nuevos dispositivos con nuevas estructuras de bandas y
heterouniones tales como los transistores de alta movilidad electrónica (HEMT o
MODFET) o los transistores bipolares de heterounión (HBT).
Los HEMTs han recibido más atención debido a la facilidad de preparación y su
uso potencial en amplificadores de bajo ruido y dispositivos digitales de baja potencia,
mientras que los HBTs han sido más investigados como dispositivos amplificadores
para aplicaciones de alta velocidad.
En cuanto a los componentes pasivos, son usados para la adaptación de
impedancias, alimentación de continua, filtrado, cambios de fase, etc... Los
componentes pasivos considerados son no sólo las clásicas resistencias, condensadores
e inductancias sino también, una amplia gama de componentes basados en líneas de
transmisión (componentes distribuidos): acopladores, mezcladores, uniones T,
combinadores de potencia, etc...
El diseño de esta tecnología se basa en CAD de microondas que permite simular
el comportamiento de las estructuras MIC.
Figura 2.3: Amplificador MMIC de bajo ruido en tres etapas.
El Si y, posteriormente, el GaAs son los materiales que se han usado
habitualmente en la fabricación de circuitos monolíticos. Los MMICs han usado
predominantemente substratos de GaAs en vez de Si por las siguientes razones
principales:
- Los dispositivos resultan rápidos debido a la alta movilidad de los electrones en
su interior. El GaAs posee mayor movilidad electrónica (hasta 5 veces más que el
Si), por lo que permite trabajar a frecuencias mayores con menor campo.
14
2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
- Se pueden conseguir substratos altamente resistivos, ya que el GaAs presenta
mayor resistividad que el Si (107 Ω/cm), lo cual es muy adecuado para componentes
pasivos, permitiendo un mayor aislamiento entre estos elementos.
-
El GaAs permite también trabajar a una temperatura más alta que con el Si.
-
El consumo de potencia en el GaAs es bastante menor que en el Si.
El Si, por el contrario, también tiene ventajas, como tener un coste menor, mayor
integración y una tecnología más experimentada.
Pueden encontrarse substratos realizados en sílice sobre todo para amplificadores
con tecnología bipolar (BJTs), hasta 5 GHz.
2.3.2 Tecnologías y tipos de MMIC
Diferentes tecnologías usadas actualmente para los MMICs son:
-
GaAs MESFET (hasta 20 GHz): con buena figura de ruido y potencia de salida.
A esta pertenecen muchas familias lógicas.
-
AlGaAs/GaAs HEMT (High Electron Mobility Transistor, hasta 100 GHz): con
crecimiento epitaxial. Los MESFETs son remplazados por HEMTs, más rápidos
y con un consumo menor.
-
Bipolar en sílice: se está convirtiendo en la amenaza de la tecnología GaAs
-
Sílice-Germanio (Trans. heterounión bipolar o HBT): estructura vertical con
problemas de calentamiento (aplicaciones pulsadas, teléfonos móviles).
-
AlGaAs/GaAs y sustrato AlGaAs/Ingaes/GaAs HBT.
-
Sustratos InAlAs/InGaAs HEMT, HBT o InP.
Existen tres tipos de técnicas de diseño de circuitos usados en MMIC. El uso de una
u otra técnica depende básicamente de la frecuencia de operación y la aplicación del
propio circuito.
- Todo Transistores (hasta 5 GHz): utilizan dispositivos activos en su totalidad,
de manera que las capacidades de entrada y salida no oscilan con la frecuencia
en exceso. Las impedancias de entrada y salida son debidas a los propios
transistores más que al uso de las técnicas de diseño de microondas clásicas.
-Elementos Discretos (hasta 20 GHz): para mayores frecuencias, las
impedancias de los transistores deben ser tenidas en cuenta, y se deben usar
redes de acoplamiento con elementos tales como condensadores y bobinas,
aunque estos elementos se realizan sobre el substrato.
15
2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
-Líneas De Transmisión (hasta 60 GHz y más): para altas frecuencias, más de 20
GHz, las inductancias de espiral no podrán usarse, puesto que se superará su
propio rango de frecuencias útil. En este caso, se usarán transformadores y stubs
(líneas de transmisión en serie o paralelo) para realizar las redes de adaptación
de impedancias y las redes selectivas en frecuencia.
Comparación de las diferentes tecnologías
En la tabla se muestra una comparativa de diferentes tecnologías con sus
ventajas e inconvenientes:
Tabla 2.3: Comparativas de distintas tecnologías MMIC.
2.3.3 Aplicaciones MMIC
Las industrias que más han demandado la tecnología MMIC para la realización
de amplificadores, son la militar y la aeroespacial, aunque hoy en día otras aplicaciones
civiles están usando esta tecnología:
- Militar: Radares Phased-array, guerra electrónica, detección remota, radares de
apertura sintética, instrumentación y medidores de altitud, etc.
- Aerospacial: Satélites de comunicaciones, teledetección, astronomía, antenas
Phased-array, etc.
- Civiles: LANs wireless, terminales VSAT, telefonía móvil, GPS, sistemas médicos,
radares anticolisión, sistemas de fibra óptica, transpondedores de búsqueda y
rescate, etc.
16
2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
2.3.4 Ventajas e Inconvenientes De Los Circuitos MMIC
Las principales ventajas de los MMIC’s son un menor coste de producción una
vez realizado el diseño, menores tamaños y pesos, así como número de conexiones, o
excelentes prestaciones en circuitos con tolerancias estrictas. No obstante, algunos
inconvenientes son los relativos a riesgo, costes asociados al diseño, falta de
versatilidad debido a un único material como sustrato y una manipulación delicada que
se añade al coste de producción.
La evolución y desarrollo de la tecnología MMIC ha sido considerable. Algunos
de los factores que han contribuido a este auge son:
-
La mejora de los procesos tecnológicos de fabricación de los circuitos MMIC,
fundamentalmente para la implantación de la idea de diseño en un chip.
-
El desarrollo de paquetes CAD/CAM (Computer-Aided Design / ComputerAided Manufacturing), de diseño y fabricación asistidas por computador, que
han hecho al diseñador que su tarea le resulte mucho más fácil, trabajando con
entornos de diseño que permiten realizar todo tipo de simulaciones.
Los más directos competidores de MMIC son los híbridos HMIC, ya que ésta es una
tecnología consolidada y detrás de ella hay muchas inversiones e intereses creados. Para
muchas aplicaciones existen circuitos capaces de proporcionar la función requerida sin
tener que recurrir a MMIC. Por todo esto, la tecnología híbrida se resiste a dejar de
ocupar una plaza relevante en el mercado actual, por lo que se avanza en la
investigación para dar lugar a nuevas generaciones de híbridos con mejores
características.
Principales ventajas (MMIC frente a HMIC):
-
Menor tamaño. El circuito diseñado ocupa un área muy pequeña en comparación
con el encapsulado.
-
Buena reproducibilidad. Una vez obtenido el circuito prototipo con un
funcionamiento adecuado, podremos obtener a partir de él todos los circuitos
que precisemos con idénticas características. En cambio, en los HMIC, la
reproducibilidad es más pobre, debido al soldado y a los cables de enganche.
-
Manejo más sencillo. Permite la posibilidad de montar módulos independientes
susceptibles de ser unidos posteriormente para formar el chip definitivo.
-
Mayor ancho de banda y mayores frecuencias de trabajo (efectos parásitos
menores)
-
Buena fiabilidad. En los HMIC no es tan buena debido a los elementos parásitos.
-
Menor coste potencial en grandes producciones, en las que el precio por oblea
procesada disminuye muy por debajo del coste por procesar una sola, pudiendo
en estos casos ser competitiva la tecnología MMIC frente a HMIC.
17
2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
Pero también tiene algunos inconvenientes:
-
Mayor coste en producciones pequeñas o en chips que contengan pocos
elementos. En estos casos suele ser más barato montar el circuito a base de
componentes discretos en tecnología híbrida.
-
Obtener una buena figura de ruido es más difícil de conseguir en MMIC debido
a que las pérdidas en los componentes pasivos y en las interconexiones son
mayores.
-
Mayor diafonía.
-
Sin posibilidad de ajuste tras la fabricación.
-
Rangos de valores limitados para componentes tales como capacidades e
inductores.
-
Peores valores en cuanto a la disipación de calor.
2.4 Dispositivos HEMT
El HEMT (High Electron Mobility Transistor) es un transistor de efecto de
campo basado en heteroestructuras.
Antes de entrar en mayor detalle a estudiar el HEMT, vamos a ver una síntesis
de los transistores FET (transistores de efecto de campo).
2.4.1 Teoría general de transistores de efecto de campo
El transistor de efecto de campo (FET) es un dispositivo de estado sólido en el
que un campo eléctrico controla el flujo de portadores en un canal de conducción. Como
los bipolares, los transistores de efecto de campo pueden funcionar, bien como fuentes
dependientes de corriente, bien como interruptores controlados. Los FET tienen menos
ruido que los bipolares y suelen dar lugar a circuitos más sencillos, ya que tienen
resistencia de entrada infinita. Además, ocupan menos espacio en un circuito integrado,
y a diferencia de los bipolares, los FET son unipolares, ya que utilizan sólo un tipo de
carga para transportar la corriente.
El hecho de que funcionen bien a altas frecuencias, consiguiendo alta ganancia y
bajo ruido, les hace ser el dispositivo elegido para circuitos integrados monolíticos e
híbridos por encima de 5-10GHz.
Según su estructura física, los transistores FET se dividen en dos clases:
dispositivos de puerta aislada y dispositivos de puerta de unión. Los primeros,
denominados habitualmente FETs de metal-óxido semiconductor (MOSFET) se
18
2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
subdividen en los tipos enriquecimiento y deplexión. A la categoría de puerta de unión
pertenecen los FET metal-semiconductor (MESFET) y de unión (JFET). Además, la
mayoría de los FET están disponibles tanto en canal n como en canal p [5].
En la Figura 2.4 se muestra la estructura y otras características de un AsGa FET
típico.
Figura 2.4: a) Estructura física, b) Esquema y polaridades, c) Características de salida,
d) Función de transferencia.
La ganancia y figura de ruido tan deseable que presentan los AsGa FETs son
resultado de la mayor movilidad electrónica del AsGa comparado con el Si, y la
ausencia de ruido de disparo (shot).
En estos transistores, se obliga a los portadores mayoritarios, electrones, a fluir a
lo largo del canal n, al aplicar una diferencia de potencial entre los terminales de
drenador y fuente. Una tensión de entrada en la puerta, modula a estos portadores,
produciendo una amplificación de tensión.
La frecuencia máxima de operación está limitada por la longitud de la puerta.
Así, para alcanzar frecuencias muy elevadas (de 50 a 100GHz) se utilizan longitudes de
puerta del orden de 0.2 a 0.6 µm.
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2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
2.4.2 HEMT
Como dijimos, el HEMT es un transistor basado en heteroestructuras. La
creación de heteroestructuras se lleva a cabo con capas delgadas epitaxiales de
diferentes materiales con distintos saltos de banda prohibida (gap-band), con el fin de
explotar al máximo la movilidad que presenta el GaAs. Los materiales usados son
compuestos como el GaAs, AlGaAs, InGaAs o InP obtenidos a partir de la combinación
de elementos de los grupos III y IV del sistema periódico.
Gracias al desarrollo de las técnicas que han hecho posible la fabricación de las
heteroestructuras, han surgido multitud de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos
basados en el diseño de la estructura de bandas electrónicas de los semiconductores. Los
transistores bipolares de heterounión HBT, los diodos de emisión de luz LED’s, los
diodos láser, los fotodiodos de interbanda, los fotodiodos de infrarrojo basados en pozos
cuánticos QWIP, los láseres de cascada cuántica, etc. Todos estos ejemplos, junto al
transistor de alta movilidad electrónica HEMT (objeto de nuestro estudio), son distintos
dispositivos basados en el control de la estructura de bandas mediante la fabricación de
sistemas heteroepitaxiales.
Como en otros FETs, en los HEMTs hay tres contactos metálicos (drenador,
fuente y puerta) sobre la superficie de una estructura semiconductora. Los contactos de
drenador y fuente son óhmicos, mientras que la puerta es un contacto de barrera
Schottky. En la Figura 2.5 se muestra una estructura de capas típica de un HEMT.
Figura 2.5: Estructura de capas de un transistor HEMT.
Estos transistores HEMT’s y los HEMT pseudomórficos (p-HEMT’s) están
sustituyendo rápidamente a la tecnología MESFET convencional, en muchas
aplicaciones que requieren bajo nivel de ruido y alta ganancia. Tanto los HEMT como
p-HEMT son transistores de efecto de campo, por lo que sus principios de
funcionamiento son muy parecidos a los del MESFET. La principal diferencia está,
como hemos visto, en la estructura de capas.
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2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
En la tabla siguiente vemos las estructuras epitaxiales típicas de los transistores
MESFET, HEMT y p-HEMT:
Tabla 2.4: Tabla comparativa de estructuras epitaxiales.
Como hemos dicho, el empleo de estas heteroestructuras permite dotar a los
transistores de una alta movilidad electrónica. Debido al mayor salto de banda prohibida
del AlAsGa comparado con las regiones adyacentes de AsGa, los electrones libres se
difunden desde el AlAsGa en el AsGa y se forma un gas electrónico bidimensional en la
heterointerfaz (2-DEG; Two Dimensional Electron Gas). Una barrera de potencial
confina los electrones en una lámina muy estrecha. Vemos en la siguiente figura el
diagrama de bandas de energía de un HEMT de AlGaAs-GaAs genérico. Esta es la
heterounión de mayor interés.
Figura 2.6: Diagrama de bandas de energía de AlGaAs-GaAs genérico, mostrando el
canal de pozo cuántico 2-DEG.
Las propiedades de transporte de esta capa 2-DEG son superiores a las de un
MESFET, puesto que la ausencia de donadores ionizados en el canal reduce la
dispersión, aumentando así la movilidad. Así conseguimos lo que no podíamos con la
tecnología MESFET [6].
En realidad, no estamos trabajando con un HEMT convencional, sino con un pHEMT (pseudomórfico), debido a la presencia de InGaAs en la zona central de la
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2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA
heterounión, que mejora el comportamiento en cuanto al transporte de electrones y al
confinamiento de los portadores en el canal. En la Figura 2.7 vemos la estructura de un
dispositivo p-HEMT correspondiente a la tecnología ED02AH, que es la tecnología que
nos interesa, y de la que ya hablaremos más adelante.
Figura 2.7: Estructura de capas de p-HEMT ED02AH.
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