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1、第三章,微波晶体管放大器,主要内容,微波双极结型晶体管 微波场效应晶体管 微波晶体管放大器的特性 小信号微波晶体管放大器的设计 微波晶体管功率放大器特性 用小信号S参数设计微波晶体管功率放大器,3.1 引 言,晶体管器件可分为结型晶体管和场效应晶体管。结型晶体管包括双极结型晶体管和异质结双极型晶体管，它既可以是NPN结构，也可以是PNP结构。 现代的结型晶体管是使用硅、硅-锗、砷化镓和铟磷材料制成。 世界上第一只点接触三极管出现在1948年，随着半导体材料的不断改进和更新，晶体管的品种和性能取得了飞速发展。,3.1 引 言,20世纪50年代，三极管基本选用的是锗材料，其性能和可靠性都受到很大限
2、制，基本没有实用器件进入微波领域。 20世纪60年代初，随着硅材料的改进和平面工艺的出现，硅三极管性能的改进不仅使其工作频率进入微波领域，而且还在不断提高。 硅器件和硅工艺尽管在不断发展，并一直延续至今，但作为微波三极管来说，其频率性能已接近硅材料的极限，硅结型晶体管用作放大器，频率范围可达210GHz，而用在振荡器中时频率高达20GHz。 使用SiGe的结型晶体管可用于20GHz或更高工作频率。 异质结双极型晶体管（HBT）使用GaAs或InP材料，能在超过100GHz的频率工作。,3.1 引 言,场效应晶体管（FET）可有多种类型： 包括金属半导体场效应晶体管（MESFET） 高电子迁移率
3、晶体管（HEMT） 赝晶型高电子迁移率晶体管（PHEMT） 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） 金属绝缘物半导体场效应晶体管（MISFET）,3.2 微波双极结型晶体管,双极晶体管（BJT）由两个相距很近的PN结组成，它包含电子和空穴两种极性的载流子参与导电，所以称为双极晶体管（以区别单极管与FET），它是目前应用最广泛的半导体器件之一。 就微波应用而言，硅双极晶体管在X频段以下的频率范围内占有优势，而AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管（HBT）在超过200GHz上占优势。,微波硅双极性晶体管,微波双极晶体管结构图,微波硅双极性晶体管,晶体管的增益带宽积fT（即特征频率）为： 式
4、中， 是发射极到集电极的总延迟时间； 为发射极结电容； 为基极-集电极结电容； 为连接到基极的任何其他电容； 是基区宽度； 是一个包括基极区缓变掺杂分布影响在内的因子，对于均匀掺杂， ； 是耗尽区的渡越时间； 是载流子速度；DpB是基区内少子扩散系数。,（这里假定,）,微波硅双极性晶体管,为了提高微波双极晶体管的增益带宽积，在设计和工艺上可采取一些措施： 在功率容量和可靠性允许的条件下，应尽量减小发射极面积。 可减小基区宽度WB，电极尺寸受工艺水平限制，同时也影响器件的承受功率。另一种方法是恰当地选择基区掺杂浓度与梯度来实现漂移场，加速载流子的运动速度。,微波硅双极性晶体管,微波双极晶体管交指
5、型结构示意图,低噪声双极晶体管,功率增益 GP ：功率增益定义为在某一特定测试条件下，晶体管的输出功率与输入功率之比。,低噪声双极晶体管,双极晶体管共射极简化等效电路,低噪声双极晶体管,对于微波双极晶体管，为了全面描述晶体管性能，有时还用到另外几种功率增益： 插入增益GT：即共射极接法的微波管，插入到特性阻抗为Z0的传输系统中所提供的功率增益。 由定义可知： 最大可用功率增益Gmax（或MAG）:它是指在晶体管输入和输出完全共轭匹配条件下，晶体管所能提供的最大实用功率增益，即 最大单向功率增益Gu，它与Gmax的不同在于它忽略内部反馈，即假定S12=0时的最大功率增益为,低噪声双极晶体管,微波
6、双极晶体管GT、Gmax、 Gu与频率的关系,低噪声双极晶体管,噪声系数F ：晶体管噪声系数的基本定义是晶体管的输入端信号/噪声功率比与输出端信号/噪声功率比的比值。 双极晶体管的噪声来源有三部分： 热噪声：主要由载流子的不规则热运动引起的，它的大小与晶体管本身欧姆电阻有关。 散粒噪声：由于电流流动时载流子运动的起伏产生的，其大小与电流成正比。 闪烁噪声：一般认为与半导体制造工艺及表面处理情况有关。,低噪声双极晶体管,双极晶体管的噪声系数随频率的变化,功率双极晶体管,耗散功率大于1W的晶体管被定义为功率晶体管，它和低噪声管的不同之处在于功率晶体管要求更大的电流容量以提高输出功率，为提高电流容量
7、就要增大发射极周长以及发射区和基区面积，微波功率管的设计就是要在尽可能小的基区面积内（满足功率要求）获得最小的发射结面积和最大的发射极周长，这就比低噪声管有更多的结构形式。 目前常用的有三种电极结构，即梳状结构、覆盖结构和网状结构。,功率双极晶体管,主要指标有： 输出功率 功率增益 工作类别,功率双极晶体管输出功率,晶体管的输出功率本质上取决于自身的电流和电压的承受能力，微波功率管由于应用场合不同，有几种输出功率定义，不同定义的输出功率值差别很大。几种常用的输出功率定义为： 饱和输出功率 P0：指微波功率管在特定测试条件下所能获得的最大输出功率。 线性输出功率 P1dB：也称为1dB增益压缩时
8、的输出功率，晶体管在小信号工作时，其功率增益保持不变，但随着输入信号的增大，晶体管开始进入非线性区，这时功率增益将随着输入增加而逐渐下降，当增益下降到比线性增益低1dB时，所对应的输出功率即定义为1dB压缩输出功率，有时也简称为线性输出功率。 脉冲输出功率Pp ：当晶体管在脉冲工作状态下（脉冲调制微波），所能获得的最大输出功率。,功率双极晶体管,晶体管输入-输出功率曲线,功率双极晶体管功率增益,功率晶体管的功率增益本质上取决于晶体管的fT及其动态阻抗。其定义与低噪声管完全相同，不过功率管的测试往往是照顾获得最大输出功率，而对应的增益就不是最大（两者不可能同时最大），一般给出的值都与输出功率状态
9、相对应。 由于功率放大器是非线性工作，小信号线性分析已不适用，目前实际电路设计中常采用以下三种方法，即动态阻抗法、大信号S参数法和负载牵引法，因而对功率晶体管要求给出各种相应的附加参数。,工作类别,功率晶管体管放大器常采用的工作类别有三类，即甲、乙、丙三类（也称为A、B、C三类）。 甲类放大的工作特征：发射结处于正向偏压，晶体管在静态时维持较高的静态直流电流。 优点：增益高、噪声低、线性好； 缺点：输出功率小且效率低，其理论效率为50%，实际只有25%40%。 只在高线性要求时，才采用甲类放大。,工作类别,乙类放大的特征：发射结处于零偏压，晶体管在静态时也无直流电流，也是在外信号到来时，开启发
10、射极结才能进行放大，只是开启功率要比丙类小。 优点：与甲类相比是输出功率大，效率高，其理论最高效率可达78%；而与丙类相比是线性好，增益高。 为了克服乙类放大零偏压处的失真，也可稍加一点正向偏压，以维持较小的静态直流电流，这称甲乙类（或AB类）放大。,工作类别,丙类放大的特征：发射结处于反向偏压，晶体管在静态时没有直流电流（只有很小的集电极反向漏电流），当外信号到来时，将发射结打开，才起放大作用。 优点：输出功率大，集电极效率高，最高理论效率可接近100%，实际可达50%70%； 缺点：增益低、线性差、噪声大。,异质结双极晶体管（HBT）,硅双极晶体管是采用同一半导体材料，通过不同类型的掺杂形
11、成PN结，称同质结双极晶体管。 同质结双极晶体管：受材料和工艺因素影响限制频率提高； 结构上不能克服的缺点：基极电阻与发射极注入效率间的矛盾。 要提高发射极注入效率，保证足够的电流放大系数 降低基区表面的杂质浓度 基极电阻增加 器件工作频率降低，噪声增加； 提高基区表面的杂质浓度 减小基极电阻 降低注入效率 电流放大系数减小； 基区表面掺杂浓度的提高 增加发射结电容 频率降低。 由不同半导体材料接触形成的异质结双极晶体管HBT可从根本上克服同质结双极管存在的矛盾。,异质结双极晶体管（HBT）,HBT的制造采用发射极比基极有更宽禁带的半导体。 为了实现双极晶体管良好的性能 将发射极载流子注入基极
12、，构成必要的少数载流子（在基极和发射极区域的载流子包括少数和多数载流子） 基极的另外一些多数载流子返回发射极 晶体管性能的降低。 反向注入的载流子降低了载流子注入效率和晶体管增益。 在标准双极晶体管中，降低反向注入的唯一方法 制造发射极杂质浓度比基极高很多的器件，通常是12倍。,异质结双极晶体管（HBT）,通过在发射极引入宽禁带半导体，反向注入载流子因为能带的不连续而被阻塞。这样，发射极区域的掺杂可为晶体管的性能优化而不需要考虑反向注入。 可以通过选择异质结能带，使HBT的电流增益与基极和发射极掺杂无关 允许制造高掺杂的基极和低掺杂的发射极的微波晶体管。 与标准双极晶体管比较，HBT降低了基极
13、电阻、输出电导以及发射极耗尽电容，从而大大改善了高频性能。,3.3 微波场效应晶体管,GaAs MESFET GaAs HEMT,GaAs MESFET,GaAs MESFET的结构示意图,GaAs MESFET,GaAs FET常用的直流和低频电参数包括：零栅漏极电流Idss、共源正向跨导gm、栅漏击穿电压BVgds、夹断电压Vp以及栅-源截止电流Igss等。 表征GaAs FET的频率参数fT的定义与双极晶体管的不同，它由下式表示： 式中，Cgs是FET的栅-源电容， gm是共源正向跨导，其定义为：在共源电路中，固定漏压下，单位栅压改变引起的漏极电流改变，即 ，Vds=常数。,GaAs M
14、ESFET,MESFET中Ids、与Vgs、Vds的关系曲线,GaAs MESFET,GaAs MESFET内沟道中电场、电子漂移速度及空间电荷分布,低噪声GaAs FET,功率增益 Gp：与低噪声双极晶体管相同。 两点说明：1.GaAs FET的等效电路与双极晶体管不同，其等效电路如图3.10所示；2.小功率GaAs FET的插入增益一般不符合6dB/倍频程的下降规律。但其最大单向化功率增益和最大可用功率增益（或MAG）仍符合6dB/倍频程的下降规律。 噪声系数 F：GaAs FET的噪声系数定义与双极管完全相同，但噪声系数随频率的变化却与双极管不同。GaAs FET的噪声系数随频率是单调上
15、升的，在低频段上升缓慢。,低噪声GaAs FET,（a）管芯等效电路 （b）等效电路元件在结构中的位置,MESFET管芯等效电路,功率GaAs FET,输出功率P0和最佳负载,GaAs FET的输出特性曲线,功率GaAs FET,功率GaAs FET也有饱和输出功率P0 、线性输出功率P1dB和脉冲输出功率PP等不同表征，其定义与双极晶体管相同。 功率增益Gp ：功率GaAs FET的功率增益本质上取决于GaAs FET的fT和动态阻抗，一般给出的功率增益值大多是对应输出功率下的增益值。,高电子迁移率晶体管（HEMT）,P-HEMT的结构图,高电子迁移率晶体管（HEMT）,HEMT基本上是由异
16、质结构组成，这些异质结构具有协调的晶格常数以避免层之间的机械张力。对有不协调晶格的研究也在不断地进展着，一较大的InGaAs晶格被压缩在较小的GaAs晶格上，在该新结构HEMT中，InGaAs层起了非掺杂GaAs层的作用，称为“赝”层，该晶体管叫做P-HEMT。 高电子迁移率晶体管有优秀的噪声特性和极低噪声系数。优秀的噪声系数主要来自由高2DEG沟道电荷密度，以及极高电子迁移率所造成的低沟道电阻和源电阻。,3.4 微波晶体管放大器的特性,微波晶体管放大器的主要指标: 功率增益 噪声系数 稳定性 输入和输出驻波比（VSWR） 输出功率 工作频带 线性度 动态范围,微波晶体管的S参数,（3.13）,晶体管四个S参数的物理意义及特点,S11是晶体管输出端接匹配负载时的输
