1. Introducción
La amplificación es una de las funciones más básicas y relevantes en los
circuitos de microondas.
Los primeros amplificadores de microondas utilizaban tubos y
válvulas, como el klystron o los tubos de onda progresiva (TWT).
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 (Gunn e IMPATT son los ejemplos más destacados).
Sin embargo, a partir de los años 70, la mayoría de los
amplificadores utilizan dispositivos de tres terminales. Primero
fueron los transistores de unión bipolar, con substrato de silicio
(BJT). Posteriormente, los de efecto de campo (FET), con sustrato
de GaAs (MESFET).
Durante estas 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).
En la sigiuente tabla se resumen las características más destacadas de los
principales transistores de microondas:
En este capítulo nos centraremos en los amplificadores de estado sólido.
2. Dispositivos de estado sólido en microondas
Sin que se pretenda hacer un estudio riguroso de la física del estado sólido
de los semiconductores, para abordar el estudio de los amplificadores de
microondas es preciso recordar ciertas nociones básicas.
Los tres semiconductores más empleados son el silicio, el germanio y el
galio. Tomando como ejemplo el silicio, su estructura cristalina consiste
en una repetición tridimensional de una célula unitaria en forma de
tetraedro, con un átomo en cada vértice. Cada átomo tiene 14 electrones,
cuatro de los cuales son de valencia.
Para formar compuestos estables, los átomos se asocian compartiendo,
cediendo o aceptando electrones de otros átomos para completar 8
electrones en el nivel más externo.
Cuando dos átomos comparten varios electrones, al no alterarse las cargas
eléctricas respectivas, no se producen iones ni se mantienen dichas
uniones atómicas por atracción electrostática. A esto se le llama enlace
covalente. Los electrones de valencia sirven de unión de un átomo con el
siguiente, quedando fuertemente unidos al núcleo. A pesar de la
disponibilidad de cuatro electrones de valencia, pocos de ellos están libres
para contribuir a la conducción.
A temperatura muy baja (digamos 0 ºK), el cristal semiconductor se
convierte en un buen dieléctrico, al no haber disponible ningún portador
de carga libre. Sin embargo, a temperatura ambiente algunos de los
enlaces covalentes se rompen, debido a la energía térmica, que puede
provocar que algún electrón quede libre para circular al azar por el
cristal. En enlace covalente incompleto se denomina hueco.
Desde el punto de vista cuántico, la energía térmica confiere a cada
electrón una cierta cantidad de movimiento. Para cada cantidad de
movimiento sólo existe un conjunto discreto de energías accesibles,
llamadas bandas de energía, que se pueden representar ante la cantidad
de movimiento (cuasi impulso).
Si en la situación descrita se aplica al cristal un campo eléctrico
constante, como resultado de las fuerzas electrostáticas, los electrones se
aceleran y la velocidad crecería indefinidamente con el tiempo, si no
fuera porque se producen colisiones con los iones de la red cristalina. En
cada colisión inelástica con un ion, cambia la cantidad de movimiento del
electrón (tanto en dirección como en velocidad), lo que puede provocar
cambios en el estado de la energía del electrón. Los cambios más
frecuentes tienen lugar entre las bandas de valencia y de conducción. En
este caso, el cambio en la cantidad de movimiento hace que un electrón
libre pase a ocupar un enlace covalente que estaba incompleto. Se trata
del proceso recombinación electrón-hueco.
En cada colisión la velocidad del electrón se reduce a cero, en promedio.
Si el mínimo de la banda de conducción y el máximo de la banda de
valencia están alineados, las transiciones son verticales, y la cantidad de
movimiento del portador no cambia. Se trata de semiconductores de
transición directa, como el GaAs. Si ambos extremos no están alineados, la
red cristalina absorbe o cede la cantidad de movimiento correspondiente a
la diferencia de energía entre el mínimo de la banda de conducción y el
máximo de la banda de valencia. Se trata de semiconductores de
transición indirecta, como el Si.
Tras múltiples colisiones no recombinantes, se alcanza una situación de
equilibrio y el electrón se mueve a una velocidad de desplazamiento (o de
arrastre) cuya dirección es opuesta a la del campo: v = μ E d , siendo μ la
movilidad electrónica del portador.
Para aumentar el número de portadores de corriente se introducen
impurezas sobre el conductor intrínseco. En el caso del Si se emplean
impurezas pentavalentes (como el Sb, P y As). Estas impurezas producen
electrones en exceso, denominándose donadoras, y dan lugar a
semiconductores tipo n. En el caso del GaAs se utilizan como sustancias
donadoras impurezas de Si en sustitución de átomos de Ga.
También se pueden dopar los semiconductores con sustancias aceptoras
para aumentar el número de huecos. En el caso del Si se emplean
impurezas de B, In y Ga. En el caso del GaAs, se sustituyen átomos de Ga
con elementos del grupo II (Be, Mg). Se trata de semiconductores de tipo
p. No obstante, en las tecnologías derivadas del GaAs, estos no tienen
aceptación, pues la movilidad electrónica de los huecos es muy baja.
2.1. Diodos semiconductores
Cuando un semiconductor presenta simetría de traslación en torno a cierto
eje, se acostumbra a representar el diagrama de bandas de energía, no
ante la cantidad de movimiento, sino ante la dimensión longitudinal. En la
figura se representa el mínimo de la banda de valencia y el máximo de la
banda de conducción de un semiconductor tipo n y otro de tipo p.
El carácter tipo p ó n de un semiconductor intrínseco depende de la
posición relativa del nivel de Fermi entre las bandas de valencia y
conducción. En un semiconductor tipo p el nivel de Fermi está más
próximo a la banda de valencia que a la de conducción. En uno tipo n,
ocurre lo contrario.
Cuando se ponen en contacto un semiconductor de tipo p con uno de tipo
n, el exceso de huecos en la zona p provoca una corriente de difusión de
huecos que se desplaza hacia la zona n, al tiempo que otra corriente de
difusión de electrones viaja desde la zona n, en la que son mayoritarios, a
la zona p. Cada hueco que pasa a la zona n deja en la zona p una carga
ligada o ion fijo de impureza aceptora, mientras que los electrones que se
dirigen a la zona p dejan en la región n iones fijos de impurezas
donadoras.
En esta situación tiene lugar el proceso de formación de una región de
carga espacial, formada por iones no compensados a ambos lados de la
unión, que provoca la aparición de un campo eléctrico que tiende a
desplazar a los huecos en el sentido del campo, y a los electrones en
sentido contrario. Aparece entonces una corriente de arrastre que se
opone a la de difusión.
Cuando se alcanza la situación de equilibrio, los flujos de difusión y
arrastre se compensan y se crea una región de deplexión, vacía de
portadores de carga libres.
Desde el punto de vista cuántico, el diagrama de bandas de energía de la
unión p-n adopta la forma que se indica en la figura. Resulta útil
considerar a los electrones como partículas pesadas, por lo que tienden a
ocupar los niveles inferiores de la banda de conducción, mientras que los
huecos pueden asimilarse a burbujas dentro de un líquido, por lo que
tienden a ocupar los estados superiores de la banda de valencia. De esta
manera, la curvatura del diagrama de bandas se opone a la difusión de los
portadores mayoritarios. Este fenómeno se conoce como barrera de
potencial.
Si se aplica una diferencia de potencial positiva entre el cristal p y
el n, la barrera energética disminuye por debajo del valor de
equilibrio térmico. En este caso, el campo eléctrico no es lo
suficientemente intenso para impedir el flujo de portadores
mayoritarios hacia la zona donde son minoritarios, estableciéndose
una corriente que crece rápidamente con el potencial aplicado.
Si la diferencia de potencial es negativa, la región de carga espacial
se hace más ancha. Los flujos de arrastre se hacen mayores que los
de difusión, estableciéndose una corriente inversa muy débil,
provocada por el paso de los portadores minoritarios a la zona
donde son mayoritarios.
Ambos tipos de polarización se utilizan para conseguir amplificación en
circuitos de microondas.
2.1.1. Diodos de efecto Gunn. Dispositivos de transferencia
de electrones.
Determinados semiconductores, como el GaAs o el InP presentan un
diagrama de bandas de energía con la presencia de varios valles en la
banda de conducción próximos entre sí. Cuando la intensidad de campo es
fuerte, se produce la transferencia de electrones al mínimo más alto de la
banda de conducción.
La masa efectiva de los electrones es mayor en los niveles energéticos
superiores. Por tanto, la movilidad electrónica es menor que en los niveles
más bajos de energía.
Como la conductividad depende de la movilidad electrónica, existe una
rango de intensidades de campo eléctrico en el cual se produce
transferencia de electrones desde un nivel bajo de energía a uno más alto,
de tal manera que la movilidad promedio, y con ella la conductividad,
decrecen cuando se aumenta la intensidad de campo.
Este fenómeno se conoce como efecto Gunn, en honor a su descubridor, y
los dispositivos que lo exhiben se denominan diodos Gunn o dispositivos de
transferencia de electrones (TED). No obstante, debe quedar claro que no
se trata de diodos de unión p-n, sino que constan de un solo bloque
semiconductor (bulk).
Si se representa la característica tensión-corriente de estos dispositivos,
se aprecia que la región en la que aparece dicho efecto, exhibe una
resistencia dinámica negativa. Dado que los dispositivos con resistencia
negativa se pueden modelar como fuentes de tensión controladas por
corriente, estos dispositivos se pueden utilizar para construir
amplificadores de microondas.
El efecto Gunn puede provocar, a su vez, oscilaciones autosostenidas,
debido a que los electrones son acelerados y frenados a su paso por el
diodo, lo que también los habilita para el diseño de osciladores de
microondas:
Para conseguir este modo de funcionamiento, se polariza el diodo
ligeramente por debajo de la tensión de umbral V1. Si en estas
condiciones, en cualquier punto del dispositivo el campo eléctrico
supera el umbral, entonces se produce la transferencia de
electrones al valle superior, donde la movilidad acusa un descenso.
Se forma en este caso un pequeño dominio dipolar (dipole domain),
al tener una región en la que se acumula la carga, y otra de
deplexión. Este pequeño dipolo crea un campo que se suma con el
de polarización, haciendo que el campo total en el dominio dipolar
se eleve. Como la tensión aplicada es constante, el campo fuera
del dominio dipolar baja y se estabiliza por debajo del umbral.
Cuando el dipolo alcanza el extremo del ánodo, se produce un pico
de corriente en los terminales del diodo, lo que eleva
momentáneamente el campo por encima del umbral, haciendo que
se forme un nuevo dipolo en el cátodo y que el proceso se repita
una vez más. La frecuencia de oscilación es: 1/ f = L vd , donde vd
representa la velocidad de arrastre del dipolo y L la longitud del
diodo. A temperatura ambiente, esta velocidad de arrastre
saturada es del orden de 107 cm/s para el caso de GaAs. Por tanto,
la longitud de la región activa, para una frecuencia de operación
típica de 10 GHz (banda X) es:
Como el diodo Gunn se comporta como un dispositivo de corriente
constante, el circuito de polarización requiere una tensión
constante, para lo que se utiliza con frecuencia la disposición
mostrada en la figura.
2.1.2. Diodos de efecto avalancha.
Cuando en una unión p-n la tensión de polarización inversa es importante,
un portador generado térmicamente se desplazará debido a la corriente
de arrastre. En su movimiento, los portadores pueden adquirir tal energía
que al colisionar con un ion de la red impriman suficiente energía para
romper un enlace covalente. De esta forma, cada nuevo portador produce
portadores adicionales (multiplicación de avalancha). El resultado es una
corriente de saturación inversa elevada.
Los diodos de microondas basados en este principio se conocen con los
siguientes nombres:
IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit Time): unión p+nin+
BARRITT (BARRier Injection Transit Time): unión p+np+
TRAPATT (TRApped Plasma Triggered Transit): unión p+nn+
El diodo IMPATT (también conocido como diodo Read) se suele operar en
régimen pulsante, polarizándose negativamente, con una tensión de DC
próxima a la de ruptura, y una señal de RF superpuesta, de tal manera que
durante los semiciclos positivos de RF se produce la avalancha.
En los semiciclos positivos de RF, el campo eléctrico en la zona de
avalancha aumenta, así como la tasa de generación de nuevos
portadores por efecto de la multiplicación, así que se produce un
pico en la corriente de avalancha. Incluso después de haber
alcanzado la tensión de RF su valor máximo, la corriente de
avalancha sigue creciendo, ya que el número de portadores de
carga sigue creciendo.
Tan sólo una vez iniciado el semiciclo negativo de RF, el proceso de
multiplicación de avalancha se detiene. Pero los portadores de
carga que se han creado durante el semiciclo anterior deben
atravesar todavía la región de arrastre, lo que induce en el circuito
una corriente externa que tiene un desfase superior a 90º con la
señal de RF. Como tensión y corriente se encuentran
prácticamente en contrafase, el diodo exhibe una resistencia
negativa, comportándose como un dispositivo activo.
Como el diodo IMPATT se comporta como un dispositivo de tensión
constante, el circuito de polarización requiere una corriente
constante, para lo que se utiliza con frecuencia un transistor
regulador de corriente, como el mostrado en la figura.
2.2. Transistores bipolares
El transistor bipolar consiste en dos uniones p-n encapsuladas en el mismo
sustrato. Se llaman bipolares por existir dos tipos de portadores:
electrones y huecos. Aunque existen dos dispositivos duales, denominados
npn y pnp, en microondas se prefieren los primeros, al tener mayor
movilidad electrónica los electrones que los huecos.
Los tres terminales se denominan emisor (E), base (B) y colector (C). En el
emisor, la densidad de dopado suele ser alta, de manera que cuando la
unión BE se polariza directamente, un importante flujo de difusión alcanza
la base del transistor.
Para que no se pierdan electrones por recombinación en la base, el
espesor de ésta se hace muy pequeño (~ 0.1 μm), y la unión CB se polariza
inversamente.
Bajo polarización inversa de la unión CB, los electrones son barridos al
interior del colector, contribuyendo a la corriente. Por otra parte, los
electrones que se generan térmicamente en la base, por efecto de la
corriente de arrastre, son barridos hacia el colector, sumándose a la
corriente de inyección de la unión BE.
En microondas, su realización suele ser interdigital multidedo, con el
objeto de tener unos tiempos de tránsito razonables a través de la base y
suficiente área de emisor.
A la hora de integrar un transistor de microondas en un amplificador, se
suele partir de la medida de sus parámetros S a distintas frecuencias, con
lo cual se puede sintetizar un modelo circuital equivalente. En el caso de
los transistores bipolares, el más frecuente es el indicado en la figura.
Como figura de mérito, se suele caracterizar un transistor de microondas
por su frecuencia de transición fT, que se define como la frecuencia a la
que la ganancia de corriente con salida en cortocircuito se hace la unidad.
Para el caso unilateral, puede suponerse Ccb' = 0, en cuyo caso:
Se suele expresar también T ec f = 1τ , siendo ec e b c τ =τ +τ +τ el
tiempo de tránsito emisor-colector. De los tres tiempos, el más
crítico es el tiempo de tránsito a través de la base, pues el emisor
está altamente dopado.
El ruido en un transistor bipolar es de naturaleza térmica, y se genera en
las resistencias de los electrodos. También presenta ruido de disparo
(shot), debido a la fluctuación de los portadores al atravesar las uniones
semiconductoras. El flujo de portadores de carga a través de una unión p-n
dista mucho de ser continua, sino que se asemeja a las gotas de lluvia
cuando caen sobre un techo de aluminio. El ruido shot, al igual que el
ruido térmico, se asemeja al ruido blanco, pero es proporcional a las
corrientes de polarización en DC. Por este motivo, los transistores
bipolares de microondas se polarizan en una región con pequeña
polarización en DC. El mínimo factor de ruido en un BJT puede
aproximarse por la expresión:
Este factor de ruido sólo se puede alcanzar bajo apropiadas
condiciones de polarización.
Como redes de polarización se utilizan circuitos que permitan, por un
lado, independencia a los cambios de temperatura y a las variaciones de
los parámetros del transistor, y por otro, que el circuito de polarización
quede aislado de los circuitos de alta frecuencia, de tal manera que las
señales de microondas no fluyan por el circuito de polarización.
El primer objetivo se puede alcanzar incorporando realimentación
DC en el circuito de polarización.
El segundo objetivo se puede satisfacer introduciendo elementos
inductivos (choke) en serie con los componentes DC, que no dejan
pasar las altas frecuencias, y elementos capacitivos en paralelo
(by-pass) con los componentes DC, para que las corrientes de alta
frecuencia se deriven por los elementos capacitivos y no afecten a
las redes de polarización.
2.3. Transistores de efecto de campo
Formados por un canal tipo n, se puede obligar a que los portadores
mayoritarios, electrones, fluyan a lo largo del canal aplicando una
diferencia de potencial entre los terminales de drenador (D) y fuente (S).
El tercer terminal, llamado puerta (G), se forma conectando
eléctricamente dos zonas con dopado p+.
Las regiones de puerta y canal forman una unión p-n que en su
funcionamiento se mantiene con polarización inversa mediante una
tensión VGS < 0 y VDS > 0. Debido a la región de carga espacial que se forma
a ambos lados del canal cuando la unión p-n se polariza inversamente, el
ancho efectivo del canal disminuye al aumentar la polarización inversa,
pudiendo incluso llegar a obstruirse completamente.
En consecuencia, para una determinada tensión VDS, la corriente que
alcanza al drenador depende de la tensión que modula la anchura del
canal.
Si para cierta tensión VGS el canal está abierto, para valores bajos de VDS,
la corriente ID dependerá linealmente de VDS, pero conforme aumenta VDS
la unión p-n se polariza inversamente, provocando que la región de carga
espacial reduzca la anchura del canal. A medida que aumenta VDS la
corriente deja de crecer con VDS y se hace independiente de esta tensión.
Los transistores de efecto de campo en microondas suelen hacerse con
sustratos de GaAs, al tener mejor movilidad electrónica. La configuración
típica es una unión metal-semiconductor (MESFET), que reemplaza la
unión puerta-canal. Para alcanzar frecuencias muy altas (100 GHz) se
utilizan longitudes de puerta del orden de 0.2 μm.
Los electrones tienen mayor energía, en promedio, en el semiconductor
que en el metal. Por tanto, el contacto metal-semiconductor produce una
transferencia de electrones del semiconductor al metal, el cual queda
cargado negativamente. Esta presencia de carga produce un campo
eléctrico que atrae los electrones en sentido contrario, alcanzándose una
situación de equilibrio.
El circuito equivalente de un transistor de efecto de campo de microondas
es el que se indica en la figura, junto con los valores típicos de sus
parámetros, que se ajustan a partir de las medidas de los parámetros S.
La frecuencia de transición, en el caso unilateral, se puede expresar
como:
Se suele expresar también T s g f = v L , donde vs es la velocidad de
saturación de los electrones y Lg la longitud de la puerta.
En un MESFET, al no haber uniones p-n, no existe ruido shot, aunque sí
ruido térmico y ruido flicker, Este último tiene una respuesta en
frecuencia del tipo 1/f, por lo que en microondas no suele afectar. El
minimo factor de ruido que puede alcanzarse con un transistor MESFET
puede aproximarse por la siguiente expresión:
En cuanto a las redes de polarización, en aplicaciones de pequeña señal,
la mejor respuesta frente al ruido se obtiene cuando la corriente DC es un
20 % de la de saturación para VGS = 0. No obstante, para pequeños valores
de la corriente, la transconductancia se reduce, y con ella la ganancia,
por lo que siempre existe un compromiso. En la figura se indican dos
posibles redes de polarización.
HBT y HEMT son la siglas de Heterojunction Bipolar Transistor y High
Electron Mobility Transistor, respectivamente. Se trata de dispositivos de
tres terminales formados por la combinación de diferentes materiales con
distinto salto de banda prohibida (gap band). Las heteroestructuras que se
utilizan suelen ser compuestos de GaAs – AlGaAs.
En el caso del HBT, el empleo de materiales en el emisor con un salto de
banda prohibida mayor que los de la base proporciona un desplazamiento
de las bandas en la heterointerfaz que favorece la inyección de electrones
en la base, mientras que se retarda la inyección de huecos en el emisor.
El empleo de heteroestructuras permite dotar a los transistores de efecto
de campo de canales con alta movilidad electrónica. Los dispositivos
resultantes reciben el nombre de HEMT. Debido al mayor salto de banda
prohibida del AlGaAs comparado con las regiosnes adyacentes de AsGa, los
electrones libres se difunden desde el AlGaAs en el GaAs y forma un gas
electrónico bidimensional en la heterointerfaz. Una barrera de potencial
confina los electrones libres en una lámina muy estrecha.
