射频电路设计技术第三章资料.ppt

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1、第第3 3章章 有源晶体管有源晶体管从本质上讲，移动通信市场的成功，是以半导体制造技术的发展与飞跃为基础的，近年来电信业、移动电话业务的大规模发展就是很好的例证。本章首先介绍了用于当代射频电路的各种各样有源晶体管，然后对其带宽、增益、噪声、功率容量和线性度等关键射频性能进行了对比与分析。3.1 不同材料的比较 随着硅（Si）基和砷化镓（GaAs）基化合物半导体的发展，以及大量双极型、场效应晶体管的出现，射频电路设计师可选择的有源晶体管比以往任何时期都多。设计师根据所设计电路的应用领域及有源晶体管的规格要求，最终决定了选择什么工艺技术。3.1.1 硅基材料简介 先进的、复杂的后期处理工艺及流程突

2、破了大多数硅技术存在的局限性。硅基双极型晶体管技术及电路技术主要的突破是：（1）最小化电容量的设计方法（2）多金属层技术的发展与进步多层金属化技术是：在物理意义上表示各金属层彼此分开，而且各金属层的屏蔽电路的关键元件不受导电性衬底的影响，并且在金属层之间，引进低介电常数的绝缘层，从而降低了互连电容量。3.1.2 砷化镓基材料简介 与硅衬底相反，砷化镓衬底是半绝缘材料，因此，不存在上述寄生电容、高损耗或低Q因子的局限性。砷化镓半导体技术的优势在于：它们固有的射频性能比硅基双极型晶体管技术优越得多，并且它们适用于制造光电子集成晶体管。3.2 双极型晶体管 大部分双极型晶体管是由硅制成的。不过，砷化

3、镓双极型晶体管由于工作频率、高温工作特性和抗辐射性能等方面的改善，而获得了很好的应用前景。3.2.1 双极型晶体管的历史简介 双极型晶体管是Shockley、Bardeen和Brittain等人在1948年发明的。就射频应用而言，在超高频（UHF）至S波段的频率范围内双极型晶体管占统治地位。先进的双极型晶体管可在高至22 GHz频率处产生有效功率，并可工作在Ka波段。3.2.2 双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管是一种PN结晶体管，由背靠背的结构所构成。双极型晶体管可看成是一个具有基极、发射极和集电极的三端晶体管，如下图所示：在正常工作条件下，发射极-基极间的PN结处于正向偏置，而集电极-基

4、极之间PN结处于反向偏置。在这种配置情况下，电子将穿越发射极进入基极，并在集电极扩散。由于设计的基区厚度与少数载流子扩散长度相比较薄，几乎所有的电子都到达集电极-基极之间的PN结。这些电子在处于反向偏置的PN结中的强电场作用下迅速到达集电极。因此，发射极和集电极电流实际上是相等的。3.2.3 双极型晶体管的频率性能 双极型晶体管的工作特性由发射极、基极和集电极中流过的电流控制电压来实现，响应也受到加载于晶体管PN结间的电压控制。对最大频率响应而言，晶体管应工作在大集电极电流和低集电极-基极电压的条件下。直流工作特性 双极型晶体管作为一个放大器，共有两种情形：（1）共基极放大器（2）共发射极放大

5、器共基极的输出特性 共发射极的输出特性射频工作特性 晶体管的集总式元件等效电路如下图 所示：截止频率欲要截止频率值大，晶体管应具有高的直流增益、小的基极电阻、小的PN结间电容，并应当工作在大电流状态。反过来，这意味着晶体管应当具有小的横截面面积，以便最小化电容、高掺杂浓度的基区和大的电流增益。一个晶体管的最大资用增益定义为：输入和输出两端口都满足最佳匹配条件时，前向功率增益。最高工作频率定义为：最大资用增益降低到单位1时的频率。实际上，寄生效应和二阶效应把工作频率限制在比最高工作频率低的值。3.3 场效应晶体管 GaAs MES FET是微波模拟和高速数字集成电路中最常用的、最重要的有源晶体管

6、之一。金属半导体场效应晶体管有源极、漏极和栅极三个端口。当晶体管工作时，即漏极-源极电压增大时，电流通过晶体管栅极下的导电沟道从源极流向漏极。该电流-电压（I-V）特性是线性的，且直接遵循制造该晶体管所用半导体的速度-电场特性。在正常工作条件下，金属半导体场效应晶体管的源极接地，若为N型沟道工作（电流的载体是电子），相对于源极，漏极处于正偏置，肖特基栅极可以处于正偏置（前向）或者负偏置（反向）。当栅极上加载了负偏置电压，对于给定的漏极偏置电压，可在晶体管中产生一个较高的电场。因此，栅极上偏置电压越负，发生电流饱和所对应的漏极电压将越低。反向偏置的导通，决定了场效应晶体管的工作特性，因此，有两种

7、可能的工作模式：（1）当这种晶体管可以设计成：栅偏置为零时，沟道内仍然有电流流过。这一工作状态出现在较厚的沟道内，并称为“正常导通”。（2）这种晶体管也可设计成具有较窄的沟道，使零偏置耗尽区足以夹断该沟道，导致沟道电流中断。这种状态被称做“正常断开”。半导体场效应晶体管的直流工作特性 金属半导体场效应晶体管的射频工作特性 金属半导体场效应晶体管的集总元件式等效电路如下图所示：最大资用增益（MAG）定义为：输入与输出端口同时共轭匹配时，可达到的最大功率增益。最大振荡频率定义为：MAG下降到单位1时的频率。为了最优化MAG和最大振荡频率，必须满足实现高截止频率的许多要求，但是除这些要求之外，也必须

8、最小化栅极电阻。使用栅极指数技术能达到最优化MAG和最大振荡频率这一目的。然而，栅极指数增多将导致电极间电容量显著增加，其限制了晶体管的截止频率和最大振荡频率。3.4 异质结双极型晶体管 异质结双极型晶体管有效地克服了双极型晶体管截止频率低与场效应晶体管1/f噪声高的缺点，在很高的频率时，仍具有较高的增益、较低的噪声。目前，异质结双极型晶体管的已超过100 GHz，由它构成的振荡器相位噪声比场效应晶体管构成的振荡器低2030 dB。3.4.1 双极型晶体管与场效应晶体管的比较 前面小节已经介绍了当今射频电路中，广泛应用的双极型和场效应晶体管技术的种类及工作特性，下面将描述与它们相关的射频性能特

9、性。接下来比较以上所介绍的每种技术的噪声、增益、功率处理能力和线性度。噪声性能 （1）所有晶体管在低频段时，噪声主要起源于材料中的、结间的交界面上的、衬底表面上的捕获效应。这些效应叠加在一起，给出了噪声功率谱密度，具有1/f的关系。（2）在1/f拐角处频率以上，噪声由电流散粒噪声和电流通路中电阻产生的约翰逊噪声决定。（3）随着频率增高，晶体管中电容将晶体管内产生的散粒噪声和约翰逊噪声一起耦合到晶体管的输入和输出端。实现高截止频率、最大工作频率和MAG的双极型和场效应晶体管，要求同时优化两种晶体管的垂直结构的许多参量和处理技术。满足当代射频电路应用的成品率、体积、可靠性和成本要求时，将是硅和砷化镓技术研究者面临的挑战。双极型和场效应晶体管的功率和线性度性能 （1）对于功率放大器设计而言，功率处理能力和线性度性能是重要的标志性指标参量。（2）一个晶体管的功率处理能力，可通过晶体管能承载的最大和最小的电压和电流值来定义。（3）从晶体管技术观点来看，最小化晶体管的接入电阻，同时最大化击穿电压，并且在确定的晶体管几何结构条件下最大化驱动电流容量是很重要的。