Data manipulation procedure

El estudio de los dispositivos de dos terminales es relativamente simple debido a que es posible la caracterización tanto del comportamiento de pequeña señal como del ruido a partir de un solo parámetro. La técnica de medida utilizada ha sido inicialmente concebida y automatizada por G. Dambrine (Dambrine et al. 1993) para el caso general de transistores de efecto de campo con puerta, pero en nuestro caso el proceso se simplifica en gran medida ya que es necesario determinar un único parámetro. A continuación expondremos brevemente la técnica utilizada para medir la temperatura del ruido, para después comparar sus resultados con los obtenidos a partir del método de Monte Carlo.

La única medida experimental del ruido que se puede obtener en un dispositivo de dos terminales es la potencia disponible del ruido, PDUT, es decir, la potencia disipada en el dipolo

por las fluctuaciones de su corriente, que se relaciona linealmente con la temperatura del ruido de esta forma:

(III.1)

P_DUT =K T_{B n}∆f

donde KB es la constante de Boltzmann, Tn la temperatura del ruido y ∆ la banda de

frecuencia en la que se mide dicha potencia.

f

En la Fig. III.8 se muestra el diagrama del sistema utilizado para las medidas del ruido en los dispositivos de dos terminales. El cuadripolo de salida incluye las puntas de medida, la T de polarización, el conmutador y las interconexiones entre todos los elementos. Los dos aisladores se han incluido con el fin de mejorar la precisión de las medidas. El primero

consigue mejorar el valor del coeficiente de reflexión que se ve a la entrada del sistema de medida ΓT, y el segundo corrige en parte la desadaptación de impedancias entre el receptor y

el dispositivo a analizar. El dispositivo experimental incluye, además del sistema de medidas con puntas, un receptor de ruido (HP 8970B) y un analizador vectorial de redes (HP 8510B). El conjunto funciona de forma automática controlado por una estación de trabajo (HP 9000).

Dipolo Cuadripolo de salida Receptor de Ruido Aislador 1 Aislador 2 T de Polari- zación SDUT _S OUT SISO ΓS Γ2 Γ3 Plano de Calibración del Receptor de Ruido

ΓT

Conmutador Puntas

Analizador de redes

Figura III.8: Diagrama del banco de medidas de ruido en alta frecuencia

El primer paso en la realización de las medidas de ruido es la calibración del sistema. Utilizando el analizador de redes, se determinan (en función de la frecuencia) los parámetros S del cuadripolo de salida, SOUT, y del aislador 1, SISO, y el coeficiente de reflexión en el plano

de calibración del receptor de ruido, ΓT. Estas medidas sólo se realizarán una vez, ya que

estos parámetros son independientes de la polarización del dipolo. A continuación se lleva a cabo el calibrado del receptor de ruido con la ayuda de una fuente de ruido que proporciona dos temperaturas conocidas (fría y caliente).

Una vez calibrado el sistema, pasamos a la fase de medidas propiamente dicha, en la que los parámetros S del dipolo, SDUT, y la potencia de ruido a la salida, PM, son determinados

para cada punto de polarización y para cada frecuencia. La potencia disponible de ruido del dipolo, PDUT, se puede obtener de la forma siguiente (Mateos et al. 1996):

P_DUTG_OUTG_ISO K T_{B a} G_OUTG_ISO PM T (III.2)

T + − = − − − ( ) ( )( 1 1 1 1 3 2 2 3 2 Γ Γ Γ Γ ) )

donde Ta es la temperatura ambiente. es la potencia de ruido

introducida por el cuadripolo de salida y el aislador 1, cuyas ganancias son G y G respectivamente. Γ y Γ son los coeficientes de reflexión en ambas direcciones en el plano

K T_{B a}(1−G_OUTG_ISO

OUT ISO T 3

de calibración del receptor de ruido (situado entre los dos aisladores). Estos cuatro parámetros (GOUT, GISO, Γ y Γ ) se pueden expresar en función de ST 3 DUT, SOUT y SISO, cuyos valores son

conocidos. Por tanto, la temperatura del ruido del dipolo, Tn, se puede obtener fácilmente a

partir de las ecuaciones (III.1) y (III.2).

Los mecanismos que dan lugar a las componentes del ruido en baja frecuencia (1/f y de generación-recombinación) no están incluidos en el modelo, por lo que su contribución no va a aparecer en los resultados de la simulación. Las medidas de ruido se realizarán en la banda de frecuencias situada entre 2 y 4 GHz, valores suficientemente elevados para que dichas componentes hayan desaparecido. Así, la temperatura del ruido experimental vendrá dada por el ruido de difusión (constante en el rango de frecuencias indicado), que sí que está incluido en la simulación, por lo que será posible su comparación con los resultados obtenidos con el método de Monte Carlo.

En este punto es necesario aclarar el significado de los términos alta y baja frecuencia. Desde el punto de vista experimental, la frecuencia es alta cuando el ruido 1/f y el de generación-recombinación han desaparecido, quedando únicamente el ruido de difusión. Por tanto en el rango de alta frecuencia (normalmente del orden de pocos GHz) el valor del ruido es constante hasta el límite de frecuencias alcanzables experimentalmente. Sin embargo, el ruido asociado a procesos de baja frecuencia no va a aparecer en la simulación, por lo que el valor obtenido para “baja” frecuencia corresponde al ruido de difusión, y por tanto debe coincidir con el ruido medido experimentalmente a alta frecuencia. Además, el límite superior de frecuencias que es posible estudiar con la simulación es muy elevado (1/∆t=1015 _{Hz), por}

lo que el ruido no va a tener un espectro blanco. Su dependencia con la (alta) frecuencia reflejará, entre otros aspectos, efectos relacionados con las frecuencias de plasma de los materiales. Así, cuando hablemos del valor de “baja” frecuencia del ruido obtenido en la simulación, nos referiremos a frecuencias suficientemente elevadas como para que las componentes reales del ruido en baja frecuencia hayan desaparecido, pero suficientemente bajas como para que el espectro del ruido siga siendo blanco.