中华传播论文范本 - HMLT低温高磁实验室.DOC

大學部畢業論文(初稿) 題目：利用pHEMT製作低溫低雜訊寬頻放大器 研究單位：中興物理 學生姓名：林玉敏 指導老師：孫允武副教授 摘要 我們使用Pseudomorphic High Electron Mobility Transistors(pHEMT)元件來設計與製作一低溫低雜訊寬頻小訊號放大器，所使用的pHEMT元件為全訊科技股份有限公司Low Noise Ceramic Packaged PHEMT GaAs FETs)。 藉由分析在室溫與在77K下所測量的元件之IV特性曲線，選擇出一個良好的直流工作點(DC operating point)，並分別測量小訊號放大器電路在室溫與在77k下的放大率。 由較佳的測量結果得到單級放大器電路在室溫下的放大率為6~9dB，頻寬為7kHz~15MHz。在77k下，頻率在13~14MHz之間有最大約6dB之的放大率。 序言 本論文為”利用pHEMT製作低溫低雜訊寬頻放大器”。利用假形高移動度電晶體(pseudomorphic high electron mobility transistor，pHEMT)可以在低溫下操作，低雜音的元件特性，製作低溫低雜訊寬頻放大器。 Chapter 1放大器之工作原理 主要為介紹pHEMT的基本構造和動作原理，並大致說明為何可以在低溫下操作。 Chapter 2電路製作 為介紹pHEMT元件的取得來源和小訊號放大器電路板的製作過程，以及製作電路前的一些測試。 Chapter 3測量電路 測量製作的電路在室溫與在77K下的IV特性曲線，與pHEMT元件本身的偏壓VDS對電流ID做圖，並且測量此小訊號放大器在室溫與在77K下的放大率。 Chapter 1 放大器之工作原理 pHEMT元件是屬於FET結構，主要應用在微波和毫米波之間的頻率範圍。pHEMT元件可在300K到4.2K中的致冷溫度內操作[Ref]，所以pHEMT可廣泛的使用在低溫與高功率應用上，如應用在無線電波望遠鏡。 因為pHEMT元件在低溫下仍可以操作，所以我們選擇pHEMT元件來製作可在77K下操作的低溫小訊號放大器。我們所使用的pHEMT元件之放大特性和接面場效電晶體(Junction Field Effect Transistor，JFET)很類似，本章將簡單介紹小訊號放大器的工作原理。 1.1 高電子移動度電晶體(HEMT) (引用自[Ref]) 高電子移動度電晶體為砷化鎵場效電晶體的一種。當電晶體動作時，一定需要載子，所以必須要有雜質摻雜。但是若利用半導體異質接面，產生載子層，就能夠不要雜質摻雜，且有載子導電，則雜質散射即可去除。高電子移動度電晶體的基本構造如圖1.1所示。 把電子親和力小(χ1)的n型半導體(如n-AlXGa1-XAs)和電子親和力大(χ2)的高純度半導體(如高純度GaAs)接和在一起，由於費米能階必須一樣，且能隙與親和力(χ)必須到處都保持定值，在接和面處就會造成導電帶的不連續性。此一不連續處的一部份在費米能階以下，所以會造成電子的累積，如圖1.2所示。 高電子移動度電晶體的載子是由半導體異質接面產生的載子，而非摻雜的載子，在低溫下就不會有電子被凍結的情形，所以高電子移動度電晶體可在低溫下操作。 圖1.1 高電子移動度電晶體(HEMT)的構造。 圖1.2 使用半導體異質接面所造成的二維電子氣。 1.1小訊號放大器的工作原理 引用自[Ref]，考慮共源極的FET，電路如圖1.3，控制不同的VGS值，可造成電流ID有很大的變化。給予不同的VGS值，測量VDS和iD之間的關係，此VDS-ID圖稱為FET的IV特性曲線，理想的IV特性曲線如圖1.4所示，而作為線性放大器的FET通常都是偏壓在飽和區工作，所以必需要決定一個良好的直流工作點(DC operating point，Q點)，當偏壓在理想的直流工作點，輸入的小訊號在放大後不會失真，如圖1.5所示。 圖1.3共源極的FET電路 圖1.4 FET的理想IV特性曲線 由[Ref]，定義參數為： 輸出訊號的放大率為： 所以輸出的訊號為Vout=Vin= Vin 圖1.5 Chapter 2 電路製作 本章將介紹利用pHEMT元件製作在室溫與在液態氮(77K)中可以工作的小訊號放大器。並介紹pHEMT元件的取得來源與小訊號放大器電路板的製作過程。 2.1 元件來源 我們使用的pHEMT元件是從全訊科技股份有限公司Low Noise Ceramic Packaged PHEMT GaAs FETs)，圖2.1為TC2182元件的外觀照片，圖2.2則是TC2182元件的內部chip照片 (圖2.1與圖2.2之圖片均由元件之datasheet上取的)。而圖2.4則是由TC2182元件的尺寸大小，