1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ---------------------- 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 2 Luận văn được hoàn thành tại: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Ngọc San Phản biện 1: …………………………………………………… …………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………… …………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ............... Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 18 3 CÁC BỘ TRỘN VÀ BỘ NHÂN SỬ DỤNG ĐI-ỐT ĐƯỜNG HẦM CỘNG HƯỞNG RTD Các hệ thống truyền thông đang ngày càng phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu ngày một tăng của người dùng cả về dung lượng và chất lượng. Để có được một hệ thống thích ứng với các ứng dụng cao, các mạch điện tử cũng không ngừng được cải tiến, trong đó phải kể đến bộ trộn và bộ nhân tần số. Không những tín hiệu tại đầu ra của bộ trộn và bộ nhân phải chính xác mà hiệu suất làm việc của các bộ này cũng phải tăng, khi đó cả hệ thống truyền thông mới đảm bảo được yêu cầu. Một giải pháp được đưa ra cho các bộ trộn và bộ nhân đó là sử dụng Đi-ốt đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode-RTD) thay cho các đi-ốt thông thường. Nhờ có các đặc tính dẫn điện đặc biệt của RTD mà các bộ trộn và bộ nhân vừa đảm bảo được độ tin cậy, vừa giảm tính phức tạp của mạch và ít hiêu hao năng lượng. Mặt khác, Đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD chưa từng được nghiên cứu trong chương trình đào tạo bậc Đại học. Các bộ trộn và bộ nhân sử dụng RTD cũng chưa được tìm hiểu nhiều ở Việt Nam. Vì vậy, luận văn xin trình bày về Các bộ trộn và bộ nhân sử dụng đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD. I. GIỚI THIỆU CHUNG Luận văn được chia thành bốn chương với các nội dung như sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về các bộ trộn và bộ nhân truyền thống. Đặc điểm và nguyên lý hoạt động của bộ trộn và bộ nhân sẽ được trình bày trong chương này. Ngoài ra, chương 1 còn 4 17 đưa ra các yêu cầu hiện nay của các thiết bị điện tử đối với các  4. Taeho KIM, Bangkeun LEE, Sunkyu CHOI and Kyounghoon bộ trộn và bộ nhân cũng như các giải pháp khả quan cho các yêu YANG, 2005, Resonant Tunneling Diode/HBT D-Flip Flop ICs cầu này. Trong ba giải pháp đưa ra là đi-ốt điện kháng biến Using Current Mode Logic-Type Monostable-Bistable thiên, đi-ốt Schottky và đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD thì Transition Logic Element with Complementary Outputs, The RTD là giải pháp thích hợp nhất cho các bộ trộn và bộ nhân ở tần Japan Society of Applied Physics số vi ba.  5. Tetsuya Uemura and Pinaki Mazumder, 1999, Design and Chương 2 trình bày về đi-ốt đường hầm cộng hưởng Analysis of Resonant Tunneling Diode Based High RTD. Chương này đi sâu nghiên cứu về hiện tượng vật lý trong Performance Momory System, IEICE TRANS. ELECTRON., RTD, cấu trúc vật lý của một RTD điển hình. Bên cạnh đó, VOL.E82-C-No.9, September 1999. chương sẽ đưa ra mạch tương đương của một RTD, các đặc tính  6. Wenlei Lian, 1994, Resonant Tunneling Diode Mixer and (hay các đồ thị đặc trưng) của RTD và mô hình toán học và các Muliplier, Simon Fraser University, Luận Văn Thạc Sỹ tham số ảnh hưởng đến đặc tính của một RTD. Nước Ngoài. Trên cơ sở nghiên cứu về RTD ở chương 2, chương 3 sẽ trình bày về các bộ trộn và bộ nhân sử dụng RTD. Cụ thể, chương sẽ đưa ra sơ đồ của bộ trộn và bộ nhân RTD; tính toán hiệu suất công suất, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ trộn và bộ nhân RTD; cách lựa chọn các phần tử lọc cho các bộ trộn và bộ nhân RTD. Trên cơ sở đó, chương sẽ đưa ra một số kết quả mô phỏng hiệu suất công suất của bộ trộn và bộ nhân RTD và so sánh kết quả mô phỏng này với lý thuyết. Những đánh giá về giải pháp sử dụng RTD vào các bộ trộn và bộ nhân sẽ được trình bày trong chương 4 của luận văn. Ngoài ra, chương này còn tổng kết các vấn đề đạt được cũng như hướng phát triển của luận văn trong tương lai. 16 5 NDR, hiệu suất của mạch nhân khi tăng và giảm thiên áp là khác II. NỘI DUNG nhau khá nhiều. Hiện tượng này được gọi là trễ. 1. Tổng quátvề các bộ trộn và bộ nhân Thứ ba, mạch RTD tồn tại nhiễu nền. Khi RTD hoạt động ở Bộ trộn tần là một mạch điện tử phi tuyến có nhiệm vụ tạo ra một tần số mới từ hai tần số đầu vào như biểu diễn trong hình 1.1 các mức tín hiệu thấp, để có được hiệu suất cao thì nhiễu nền của dưới đây. Tần số mới này có thể bằng tổng hoặc hiệu của hai tần số mạch RTD trở thành một nhân tố quan trọng không thể bỏ qua. đầu vào. Hiện nay, đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD đang được Thông thường, một trong hai tín hiệu đầu vào là tín hiệu một nghiên cứu một cách rộng rãi. Các mạch sử dụng RTD cũng ngày vạch phổ gọi là tín hiệu ngoại sai, ký hiệu là fns. Tín hiệu còn lại là tín càng phát triển. Một số hướng phát triển trong tương lai về mạch hiệu hữu ích có tần số cố định hoặc biến thiên trong phạm vi nào đó, RTD như: ký hiệu là fth.  Nghiên cứu hệ thống nhớ tốc độ cao sử dụng RTD Tại đầu ra bộ trộn tần thường có nhiều thành phần tín hiệu  Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất làm khác nhau, nhưng chỉ lấy ra thành phần mong muốn, ký hiệu là ftg. việc của RTD  Ảnh hưởng của nhiễu nền đến hiệu suất của 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, Yêu cầu:: Tần số trung tần ftg không đổi khi tần số tín hiệu vào Luận Án Tiến Sỹ Nước Ngoài. thay đổi bằng cách thay đổi tần số tín hiệu ngoại sai fns.  2. E.F.Schubert, 2003, Resonant Tunneling Diode RTD Structure, Bộ nhân tần số là một mạch điện tử trong đó tần số đầu ra Rensselaer Polytechnic Institute của nó là một hài của tần số đầu vào.  3. S.M.Sze, Physic of Semiconductor Device, Bell Laboratories Bộ nhân gồm một mạch phi tuyến có tác dụng làm méo tín Incorporated, Murray Hill, New Jersey. hiệu đầu vào và vì vậy nó tạo ra các hài của tín hiệu đầu vào. Theo sau mạch phi tuyến này là một bộ lọc băng thông có nhiệm vụ chọn ra tần số hài mong muốn và loại bỏ các hài cơ bản và các hài không 6 15 mong muốn tại đầu ra. Một bộ nhân cơ bản được mô tả như hình 1.2 Đồ thị trên chỉ ra hai điểm mà tại đó hiệu suất công suất đạt dưới đây. giá trị đỉnh là điện áp đỉnh Vp và điện áp rãnh Vv, trong đó tại điểm có điện áp Vp, hiệu suất công suất đạt giá trị cao hơn nhiều. Tuy nhiên, phần đồ thị âm và đồ thị dương không đối xứng nhau do tính phi đối xứng của đồ thị I-V trong quá trình mô phỏng. III. Kết luận Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát một bộ nhân tần số So với đi-ốt hàng rào Schottky và đi-ốt điện kháng biến thiên, RTD có tính phi tuyến mạnh hơn. Điều này cho phép thiết 2. Đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD bị sử dụng RTD có hiệu suất tạo hài hiệu quả hơn khi các tín hiệu a. Bản chất của đi-ốt đường hầm TD đầu vào là rất nhỏ. Đối với các bộ nhân thông thường, hiệu suất Đi-ốt đường hầm (Tunnel Diode) gồm một lớp tiếp giáp đơn tạo hài cực đại của nó bằng 1/n2 (n là số hài). Tuy nhiên, với bộ p-n trong đó cả hai bán dẫn p và n đều bị pha tạp nặng. Một bán dẫn nhân sử dụng RTD thì hiệu suất tạo hài sẽ cao hơn đáng kể, đó là thông thường, lượng pha tạp chỉ có khoảng một phần triệu (10-6), nghĩa là trong một mol chất bán dẫn thuần có khoảng 1016 ÷ 1017 vì sự xuất hiện của miền điện trở âm trong RTD. nguyên tử tạp chất.Khi bán dẫn được pha tạp nặng, tỷ lệ tạp chất có Do đó, khi tín hiệu vào có công suất cực thấp thì nó sẽ được thể lên tới phần nghìn(10-3). đưa đến đầu vào bộ nhân RTD, và khi công suất cổng IF và LO rất Hình 2.2 chỉ ra giản đồ năng lượng của một đi-ốt đường hầm thấp thì nó được đưa tới bộ trộn RTD. Điều này có nghĩa là các bộ ở trạng thái cân bằng nhiệt. khuếch đại công suất cao, đắt tiền sẽ không cần thiết nữa để có thể thực hiện việc khuếch đại tín hiệu vào tới các mức mong muốn. Tuy nhiên, khi sử dụng RTD vào các bộ trộn và bộ nhân cũng gặp những vấn đề khó khăn sau: Thứ nhất, bộ trộn và bộ nhân RTD rất nhạy cảm với thiên áp DC. Các kết quả đo đã cho thấy chỉ khác nhau 0,002V thiên áp DC nhưng cũng đã khiến hiệu suất công suất khác nhau đáng kể. Thứ hai, các mạch RTD không ổn định về điện thế. Trong Hình 2.2: Giản đồ năng lượng của một đi-ốt đường hầm ở trạng thái cân bằng nhiệt một số trường hợp, khi thiên áp DC nằm gần hoặc rơi vào miền điện trở vi sai âm NDR thì mạch RTD sẽ dao động. Hơn nữa, trong miền 14 7 b. Bộ nhân sử dụng RTD Do các bán dẫn có độ pha tạp cao nên mức Fermi nằm trong Hình 3.20 chỉ ra cấu hình của một bộ nhân. Vb là thiên áp dải cho phép của chúng. Mức năng lượng bị dịch chuyển Vp và Vn một chiều, RIF và RRF là tương ứng là trở kháng nguồn và trở kháng thường cỡ khoảng vài kT, và độ rộng vùng nghèo có kích thước cỡ tải. Vg là điện áp nguồn. Hai bộ lọc băng thông BPF_IF và BPF_RF 100 A0 hoặc nhỏ hơn, kích thước này nhỏ hơn so với tiếp giáp p-n là các mạng chọn lọc tần số, trong đó trở kháng của chúng bằng thông thường. không tại các tần số tương ứng là fIF và fRF, bằng vô cùng tại tất cả Đặc tính dòng điện – điện áp tĩnh của một đi-ốt đường hầm các tần số khác. Điện áp xoay chiều cấp cho RTD là Va. như trong hình 2.3 dưới đây. Hình 3.20: Cấu hình bộ nhân RTD với các cổng IF và RF Hiệu suất của bộ nhân được xác định theo công thức: (3.35) Hình 2.3: Đặc tính I-V tĩnh của một đi-ốt đường hầm TD Hình 3.36 dưới đây là kết quả mô phỏng hiệu suất của bộ nhân RTD theo thiên áp DC. Ở hướng ngược, dòng điện tăng một cách đơn điệu (tăng đều). Ở hướng tiến, ban đầu dòng điện tăng đến giá trị cực đại gọi là dòng điện đỉnh Ip tại mức điện áp Vp, sau đó giảm đến giá trị cực tiểu Iv tại mức điện áp Vv. Khi điện áp tiếp tục tăng quá giá trị Vv, thì dòng điện tăng theo hàm số mũ của điện áp. Đặc tính tĩnh này là kết quả của ba thành phần dòng điện: dòng xuyên hầm vùng-vùng (band- to-band), dòng khuếch tán và dòng nhiệt. Có hai hình thức xuyên hầm: xuyên hầm trực tiếp và xuyên Hình 3.36: Kết quả mô phỏng hiệu suất của bộ nhân RTD theo hầm gián tiếp như chỉ ra trong hình 2.5a và 2.5b. thiên áp DC. 8 13 Hiệu suất của bộ nhân RTD được xác định theo công thức: (3.23) Trong đó, GIF, GRF tương ứng là điện dẫn cổng IF và RF, ZRF,g là trở kháng truyền tải giữa cổng vào và cổng ra khi đầu ra hở mạch. Hình 3.33 là kết quả mô phỏng hiệu suất của bộ trộn RTD theo thiên áp ngoài Vb. Hình 2.5a: Điện tử xuyên hầm trực tiếp Hình 2.5b: Điện tử xuyên hầm gián tiếp Hình 3.33: Kết quả mô phỏng hiệu suất của bộ trộn RTD theo b. Cấu trúc vật lý của RTD thiên áp Cấu trúc RTD gồm hai hàng rào bán dẫn dày 1nm đến 5nm. Hai hàng rào này phân cách nhau từ 2nm đến 6nm và được tích hợp Ở đồ thị trên chúng ta thấy có hai đỉnh mà tại đó hiệu suất trong một khối bán dẫn có năng lượng vùng cấm nhỏ hơn nhiều so công suất của bộ trộn RTD đạt giá trị đỉnh và giá trị rãnh xảy ra tại với năng lượng vùng cấm của vật liệu tạo nên hàng rào. Nhờ đó, mặc các tần số tương ứng là VP và VV, trong đó tại tần số VP hiệu suất của dù các hạt tải bị giam giữ trong vật liệu có vùng năng lượng cấm thấp bộ trộn cao hơn nhiều. Ngoài ra còn có một đỉnh phụ nữa xảy ra hơn nhưng vẫn có thể xuyên qua các hàng rào mỏng khi được cấp trước miền NDR do có sự uốn cong rất nhỏ trên đồ thị I-V. Tuy một thiên áp. nhiên, phần âm này không đối xứng với phần dương do tính phi đối xứng của đồ thị I-V trong quá trình mô phỏng.