1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ĐÀO THỊ MINH NGỌC CÁC BỘ TRỘN VÀ BỘ NHÂN SỬ DỤNG ĐI-ỐT ĐƯỜNG HẦM CỘNG HƯỞNG RTD CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hà Nội -Năm 2011 Luận văn hoàn thành tại: Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Tập đồn Bưu Viễn thơng Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Ngọc San biện Phản 1: …………………………………………………… …………………………………………………… biện Phản 2: …………………………………………………… …………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 18 CÁC BỘ TRỘN VÀ BỘ NHÂN SỬ DỤNG ĐI-ỐT ĐƯỜNG HẦM CỘNG HƯỞNG RTD Các hệ thống truyền thông ngày phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu ngày tăng người dùng dung lượng chất lượng Để có hệ thống thích ứng với ứng dụng cao, mạch điện tử khơng ngừng cải tiến, phải kể đến trộn nhân tần số Không tín hiệu đầu trộn nhân phải xác mà hiệu suất làm việc phải tăng, hệ thống truyền thông đảm bảo yêu cầu Một giải pháp đưa cho trộn nhân sử dụng Đi-ốt đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode-RTD) thay cho đi-ốt thông thường Nhờ có đặc tính dẫn điện đặc biệt RTD mà trộn nhân vừa đảm bảo độ tin cậy, vừa giảm tính phức tạp mạch hiêu hao lượng Mặt khác, Đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD chưa nghiên cứu chương trình đào tạo bậc Đại học Các trộn nhân sử dụng RTD chưa tìm hiểu nhiều Việt Nam Vì vậy, luận văn xin trình bày Các trộn nhân sử dụng đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD I GIỚI THIỆU CHUNG Luận văn chia thành bốn chương với nội dung sau: Chương giới thiệu tổng quan trộn nhân truyền thống Đặc điểm nguyên lý hoạt động trộn nhân trình bày chương Ngồi ra, chương cịn 17 đưa yêu cầu thiết bị điện tử  4 Taeho KIM, Bangkeun LEE, Sunkyu CHOI and Kyounghoon trộn nhân giải pháp khả quan cho yêu YANG, 2005, Resonant Tunneling Diode/HBT D-Flip Flop ICs cầu Trong ba giải pháp đưa đi-ốt điện kháng biến Using thiên, đi-ốt Schottky đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD Transition Logic Element with Complementary Outputs, The RTD giải pháp thích hợp cho trộn nhân tần Japan Society of Applied Physics số vi ba Chương trình bày đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD Chương sâu nghiên cứu tượng vật lý RTD, cấu trúc vật lý RTD điển hình Bên cạnh đó, chương đưa mạch tương đương RTD, đặc tính (hay đồ thị đặc trưng) RTD mơ hình tốn học tham số ảnh hưởng đến đặc tính RTD Trên sở nghiên cứu RTD chương 2, chương trình bày trộn nhân sử dụng RTD Cụ thể, chương đưa sơ đồ trộn nhân RTD; tính tốn hiệu suất công suất, yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất trộn nhân RTD; cách lựa chọn phần tử lọc cho trộn nhân RTD Trên sở đó, chương đưa số kết mô hiệu suất công suất trộn nhân RTD so sánh kết mô với lý thuyết Những đánh giá giải pháp sử dụng RTD vào trộn nhân trình bày chương luận văn Ngoài ra, chương tổng kết vấn đề đạt hướng phát triển luận văn tương lai Current Mode Logic-Type Monostable-Bistable  5 Tetsuya Uemura and Pinaki Mazumder, 1999, Design and Analysis of Resonant Tunneling Diode Based High Performance Momory System, IEICE TRANS ELECTRON., VOL.E82-C-No.9, September 1999  6 Wenlei Lian, 1994, Resonant Tunneling Diode Mixer and Muliplier, Simon Fraser University, Luận Văn Thạc Sỹ Nước Ngoài 16 NDR, hiệu suất mạch nhân tăng giảm thiên áp khác II NỘI DUNG nhiều Hiện tượng gọi trễ Tổng quátvề trộn nhân Thứ ba, mạch RTD tồn nhiễu Khi RTD hoạt động mức tín hiệu thấp, để có hiệu suất cao nhiễu mạch RTD trở thành nhân tố quan trọng bỏ qua Hiện nay, đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD nghiên cứu cách rộng rãi Các mạch sử dụng RTD ngày Bộ trộn tần mạch điện tử phi tuyến có nhiệm vụ tạo tần số từ hai tần số đầu vào biểu diễn hình 1.1 Tần số tổng hiệu hai tần số đầu vào Thơng thường, hai tín hiệu đầu vào tín hiệu vạch phổ gọi tín hiệu ngoại sai, ký hiệu fns Tín hiệu cịn lại tín phát triển Một số hướng phát triển tương lai mạch hiệu hữu ích có tần số cố định biến thiên phạm vi đó, RTD như: ký hiệu fth  Nghiên cứu hệ thống nhớ tốc độ cao sử dụng RTD  Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất làm Tại đầu trộn tần thường có nhiều thành phần tín hiệu khác nhau, lấy thành phần mong muốn, ký hiệu ftg việc RTD  Ảnh hưởng nhiễu đến hiệu suất mạch sử dụng RTD  … IV Tài liệu tham khảo  1 Dibakar Roy Chowdhury, 2008, Experimental study and Hình 1.1: Sơ đồ Tổng Quát Bộ Trộn Tần modelling of AC characteristics of Resonant Tunneling Diodes, Luận Án Tiến Sỹ Nước Ngoài  2 E.F.Schubert, 2003, Resonant Tunneling Diode RTD Structure, Rensselaer Polytechnic Institute  3 S.M.Sze, Physic of Semiconductor Device, Bell Laboratories Incorporated, Murray Hill, New Jersey Yêu cầu:: Tần số trung tần ftg không đổi tần số tín hiệu vào thay đổi cách thay đổi tần số tín hiệu ngoại sai fns Bộ nhân tần số mạch điện tử tần số đầu hài tần số đầu vào Bộ nhân gồm mạch phi tuyến có tác dụng làm méo tín hiệu đầu vào tạo hài tín hiệu đầu vào Theo sau mạch phi tuyến lọc băng thơng có nhiệm vụ chọn tần số hài mong muốn loại bỏ hài hài không mong muốn đầu Một nhân mơ tả hình 1.2 15 Đồ thị hai điểm mà hiệu suất cơng suất đạt giá trị đỉnh điện áp đỉnh Vp điện áp rãnh Vv, điểm có điện áp Vp, hiệu suất công suất đạt giá trị cao nhiều Tuy nhiên, phần đồ thị âm đồ thị dương khơng đối xứng tính phi đối xứng đồ thị I-V q trình mơ III Kết luận Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát nhân tần số So với đi-ốt hàng rào Schottky đi-ốt điện kháng biến thiên, RTD có tính phi tuyến mạnh Điều cho phép thiết Đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD a Bản chất đi-ốt đường hầm TD Đi-ốt đường hầm (Tunnel Diode) gồm lớp tiếp giáp đơn p-n hai bán dẫn p n bị pha tạp nặng Một bán dẫn bị sử dụng RTD có hiệu suất tạo hài hiệu tín hiệu đầu vào nhỏ Đối với nhân thông thường, hiệu suất tạo hài cực đại 1/n2 (n số hài) Tuy nhiên, với thông thường, lượng pha tạp có khoảng phần triệu (10-6), nhân sử dụng RTD hiệu suất tạo hài cao đáng kể, nghĩa mol chất bán dẫn có khoảng 1016 ÷ 1017 xuất miền điện trở âm RTD nguyên tử tạp chất.Khi bán dẫn pha tạp nặng, tỷ lệ tạp chất lên tới phần nghìn(10-3) Hình 2.2 giản đồ lượng đi-ốt đường hầm trạng thái cân nhiệt Do đó, tín hiệu vào có cơng suất cực thấp đưa đến đầu vào nhân RTD, công suất cổng IF LO thấp đưa tới trộn RTD Điều có nghĩa khuếch đại cơng suất cao, đắt tiền khơng cần thiết để thực việc khuếch đại tín hiệu vào tới mức mong muốn Tuy nhiên, sử dụng RTD vào trộn nhân gặp vấn đề khó khăn sau: Thứ nhất, trộn nhân RTD nhạy cảm với thiên áp DC Các kết đo cho thấy khác 0,002V thiên áp DC khiến hiệu suất công suất khác đáng kể Hình 2.2: Giản đồ lượng đi-ốt đường hầm trạng thái cân nhiệt Thứ hai, mạch RTD không ổn định điện Trong số trường hợp, thiên áp DC nằm gần rơi vào miền điện trở vi sai âm NDR mạch RTD dao động Hơn nữa, miền 14 Do bán dẫn có độ pha tạp cao nên mức Fermi nằm b Bộ nhân sử dụng RTD Hình 3.20 cấu hình nhân Vb thiên áp dải cho phép chúng Mức lượng bị dịch chuyển Vp Vn chiều, RIF RRF tương ứng trở kháng nguồn trở kháng thường cỡ khoảng vài kT, độ rộng vùng nghèo có kích thước cỡ tải Vg điện áp nguồn Hai lọc băng thông BPF_IF BPF_RF 100 A0 nhỏ hơn, kích thước nhỏ so với tiếp giáp p-n mạng chọn lọc tần số, trở kháng chúng thơng thường khơng tần số tương ứng fIF fRF, vô tất tần số khác Điện áp xoay chiều cấp cho RTD Va Đặc tính dòng điện – điện áp tĩnh đi-ốt đường hầm hình 2.3 Hình 3.20: Cấu hình nhân RTD với cổng IF RF Hiệu suất nhân xác định theo công thức: (3.35) Hình 2.3: Đặc tính I-V tĩnh đi-ốt đường hầm TD Hình 3.36 kết mô hiệu suất nhân RTD theo thiên áp DC Ở hướng ngược, dòng điện tăng cách đơn điệu (tăng đều) Ở hướng tiến, ban đầu dòng điện tăng đến giá trị cực đại gọi dòng điện đỉnh Ip mức điện áp Vp, sau giảm đến giá trị cực tiểu Iv mức điện áp Vv Khi điện áp tiếp tục tăng giá trị Vv, dịng điện tăng theo hàm số mũ điện áp Đặc tính tĩnh kết ba thành phần dòng điện: dòng xuyên hầm vùng-vùng (bandto-band), dịng khuếch tán dịng nhiệt Có hai hình thức xuyên hầm: xuyên hầm trực tiếp xuyên Hình 3.36: Kết mơ hiệu suất nhân RTD theo thiên áp DC hầm gián tiếp hình 2.5a 2.5b 8 13 Hiệu suất nhân RTD xác định theo công thức: (3.23) Trong đó, GIF, GRF tương ứng điện dẫn cổng IF RF, ZRF,g trở kháng truyền tải cổng vào cổng đầu hở mạch Hình 3.33 kết mơ hiệu suất trộn RTD theo thiên áp Vb Hình 2.5a: Điện tử xuyên hầm trực tiếp Hình 2.5b: Điện tử xuyên hầm gián tiếp Hình 3.33: Kết mô hiệu suất trộn RTD theo b Cấu trúc vật lý RTD thiên áp Cấu trúc RTD gồm hai hàng rào bán dẫn dày 1nm đến 5nm Hai hàng rào phân cách từ 2nm đến 6nm tích hợp Ở đồ thị thấy có hai đỉnh mà hiệu suất khối bán dẫn có lượng vùng cấm nhỏ nhiều so công suất trộn RTD đạt giá trị đỉnh giá trị rãnh xảy với lượng vùng cấm vật liệu tạo nên hàng rào Nhờ đó, mặc tần số tương ứng VP VV, tần số VP hiệu suất dù hạt tải bị giam giữ vật liệu có vùng lượng cấm thấp trộn cao nhiều Ngồi cịn có đỉnh phụ xảy xuyên qua hàng rào mỏng cấp trước miền NDR có uốn cong nhỏ đồ thị I-V Tuy thiên áp nhiên, phần âm khơng đối xứng với phần dương tính phi đối xứng đồ thị I-V trình mô 12 số, trở kháng chúng tần số tương ứng fIF, fRF, fLO Như hình 2.7, hình thành chất bán vô tất tần số khác Do đó, điện áp tồn dẫn cách điện GaAs, cấu trúc giếng lượng tử hàng rào kép gồm hai hai bên cực Đi-ốt thiên áp chiều Vb, điện áp VLO hàng rào AlGaAs không pha tạp phân cách giếng tần số bơm LO fLO, điện áp VIF tần số IF fIF điện áp VRF tần lượng tử GaAs không pha tạp Cạnh hai hàng rào hai lớp GaAs số RF fRF khơng pha tạp, mặt ngồi hai lớp cực Ca-tốt A-nốt Đỉnh RTD vùng trở lớp mạ kim, đáy lớp GaAs khơng pha tạp Hình 3.2: Cấu hình Z trộn RTD với cổng IF, RF LO Ngoài cấu hình dạng Z, trộn RTD cịn có cấu hình dạng Y hình 3.3 GIF GRF điện dẫn nguồn điện dẫn tải, Ig nguồn dòng Ba lọc băng dừng (Stop Band Filter) SBF_IF, SBF_RF, SBF_LO hệ thống chọn lọc tần số, độ dẫn nạp chúng tần số tương ứng fIF, fRF, fLO, vô tất tần số khác Do đó, điện áp tồn quanh đi-ốt VLO, VIF VRF Hình 2.7: Cấu trúc cắt lớp RTD GaAs/Al0,4Ga0,6As Lược đồ vùng cấu trúc hàng rào kép hình 2.8 đây: Hình 3.3: Cấu hình Y trộn RTD với cổng IF, RF LO 10 11 Hình 2.8: Lược đồ vùng cấu trúc hàng rào kép Hình 2.10: Đồ thị I-V RTD c Mạch tương đương đồ thị đặc trưng I-V Mạch tương đương Đi-ốt đường hầm cộng hưởng hàng rào kép hình 2.9 Đồ thị đặc tính DC I-V RTD hình 2.10 Ban đầu, dịng điện tăng so với thiên áp chiều Dòng điện đỉnh Ip đạt lượng điện tử tới cộng hưởng với mức lượng bên giếng Sau trạng thái cộng hưởng qua đi, dòng điện bị giảm đến giá trị dòng điện rãnh Iv Chính đặc điểm thể tính chất điện trở vi sai âm NDR RTD Sau giảm đến giá trị dịng điện Hình 2.9: Mạch tương đương RTD rãnh, dòng điện lại tăng lên Điện áp tương ứng với dòng điện đỉnh dòng điện rãnh đồ thị I-V Vp Vv Phần đồ thị âm Bản chất RTD gồm điện trở dẫn biến thiên g(v) mắc gần đối xứng lẻ với phần đồ thị dương song song với điện dung biến thiên c(v), mắc nối tiếp với Bộ trộn nhân sử dụng RTD điện trở Rs a Bộ trộn sử dụng RTD Cấu hình trộn RTD sử dụng rộng rãi trộn Z hình 3.2 Vb thiên áp chiều, RIF RRF tương ứng trở kháng nguồn trở kháng tải Vg điện áp nguồn Ba lọc băng thông BPF_IF, BPF_RF, BPF_LO hệ thống chọn lọc tần ... quát nhân tần số So với đi- ốt hàng rào Schottky đi- ốt đi? ??n kháng biến thiên, RTD có tính phi tuyến mạnh Đi? ??u cho phép thiết Đi -ốt đường hầm cộng hưởng RTD a Bản chất đi- ốt đường hầm TD Đi -ốt đường. .. khác, Đi -ốt đường hầm cộng hưởng RTD chưa nghiên cứu chương trình đào tạo bậc Đại học Các trộn nhân sử dụng RTD chưa tìm hiểu nhiều Việt Nam Vì vậy, luận văn xin trình bày Các trộn nhân sử dụng đi- ốt. .. Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 18 CÁC BỘ TRỘN VÀ BỘ NHÂN SỬ DỤNG ĐI- ỐT ĐƯỜNG HẦM CỘNG HƯỞNG RTD Các hệ thống