射频元器件及电路模型.ppt

第2章 射频元器件及电路模型,教学 重点,能力 要求,本章目录,第一节 无源集总元件 第二节 射频二极管 第三节 双极型晶体管 第四节 场效应晶体管 第五节 双极型器件和场效应器件的比较,知识结构,射 频 元 器 件 及 电 路 模 型,双极型器件和场 效应器件的比较,双极型器件和场效应器件的功率与线性度性能,无源集总元件,射频二极管,双极型晶体管,场效应晶体管,无源元件的射频特性,异质结双极型晶体管,电阻器,电感器,电容器,肖特基二极管,PIN二极管,变容二极管,IMPATT二极管,耿氏二极管,其它二极管,MESFET工作特性,高电子迁移率晶体管,PHEMT技术,金属氧化物场效应管,CMOS技术,BiCMOS技术,双极型晶体管工作特性,双极型器件和场效应器件的ft和fmax,双极型器件和场效应器件的噪声性能,2.1 无源集总元件,2.1.1 电阻器 1、MMIC中的电阻器 单片射频/微波集成电路中，电阻器主要通过在半导体基片的掺杂区域沉积一层阻性材料如NiCr、TaN金属膜或多层多晶硅等进行生产，其结构及RF等效电路如下图所示：,电阻器的结构图,电阻器的简化RF等效电路,2.1 无源集总元件,2、HMIC中的电阻器 混合集成电路中，常见的电阻器有线绕电阻、碳质电阻、 金属膜电阻和薄膜片状电阻等类型。其中，由于薄膜片状电 阻具有体积小、可以作为贴片器件等优点，使得它广泛应用 于现今的RF和MW电路中。,贴片电阻的结构示意图,表贴电阻器的等效电阻,2.1 无源集总元件,2.1.2 电容器 电容器是射频/微波电路设计必备的元器件，广泛应用于 隔直、匹配、耦合、旁路、滤波、调谐等电路。 1、MMIC中的电容器 （1） 金属-绝缘层-金属（MIM)电容器 通常在两个金属板间填充一层电介质材料夹层便可形成 金属-绝缘层-金属电容器。,金属-绝缘层-金属电容器的结构图,电容器的集总元件式等效电路,2.1 无源集总元件,（2）交指型电容器 交指型电容器由一组平行的交错排列的薄导带构成。交 指型电容器的电容量随着交指长度呈近似线性关系。其结构 如下图所示：,图2.7 结构版式布局,图2.8 电容器与交指长度的函数关系,2.1 无源集总元件,2、HMIC中的电容器 在混合集成电路中，片状电容得到了广泛的应用。陶瓷 电容是一种常见的贴片电容器，它由其间交叠着的若干金属 电极矩形陶瓷介质和金属接触片组成，其结构如下图所示：,陶瓷电容器的结构,2.1 无源集总元件,2.1.3 电感器 电感器在射频/微波电路设计中常用于偏置、反馈和匹配 等电路，是一种重要的元器件。 1、MMIC中的电感器 在单片微波集成电路中，最常见的是螺旋电感器，它具 有结构紧凑、面积相对较小、电感量较大、自谐振频率高、 品质因素高等特点。,图2.10 螺旋电感器示意图,图2.11 螺旋电感器的RF等效电路,2.1 无源集总元件,2、HMIC中的电感器 在混合集成电路设计中，电感器常用于晶体管的偏置电 路。最常用的电感器是用漆包线在圆柱体上绕制而成。考虑 线绕电感器的寄生参数效应，线圈的导线不是理想的，需要 考虑其损耗，并且相邻绕线间存在的分离移动电荷会产生寄 生电容效应。,图2.12 电感器一种简化等效电路,图2.13 空心螺旋管电感器,2.1 无源集总元件,2.1.4 无源元件的射频特性 电阻、电容和电感是最为常见的三种无源元件，广泛应 用于射频/微波电路设计中。在频率较低的情况下，这些元 件可近似为理想元件，而在射频/微波频段，必须考虑这些 元件的寄生参数效应。,500欧金属膜电阻的阻抗绝对值随频率的变化关系,2.1 无源集总元件,47pF电容的阻抗绝对值与频率的关系,RFC阻抗绝对值随频率的变化关系,2.2 射频二极管,2.2.1 肖特基二极管 肖特基二极管是以贵金属为正极，以N型半导体为负极， 利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属- 半导体器件。,Si基肖特基二极管的截面图,电流-电压特性方程为：,反向饱和电流为：,2.2 射频二极管,附加有绝缘环的肖特基二极管,典型肖特基二极管的电路模型,2.2 射频二极管,2.2.2 PIN二极管 PIN二极管的I-V特性的数学表达与电流的大小和方向有 关。对轻掺杂N型本征层在PIN二极管两端的电压为正向电压 时，流过PIN二极管的电流为：,经台面处理技术加工成的PIN二极管结构,PIN二极管的简化结构,2.2 射频二极管,PIN二极管在衰减器电路中既用于串联又用于并联的情况 PIN二极管工作时需DC回路提供偏置电压，而DC回路必须与 射频信号通路分开，因此可用一射频线圈RFC，RFC在DC电路 中短路而在高频下开路。与此相反，电容在DC电路中开路而 在高频下短路。,串联设置下偏置PIN二极管的衰减器电路,并联设置下的偏置二极管的衰减器电路,2.2 射频二极管,2.2.3 变容二极管 变容二极管是利用PN结电容与其反向偏置电压依赖关系 及原理制成的二极管。它是一种非线性元件，它通常用做可 变电抗电路元件，主要产生三种基本不同的电路功能：谐波 产生、微波信号调谐和调制、参量放大和上变频。,变容二极管的简化电路模型及其电容特性,2.2 射频二极管,2.2.4 IMPATT二极管 IMPATT是仅有的实用固态器件，其典型的工作频率为 10-300GHz，且具有比较高的功率，其效率可达15%。,IMPATT二极管的特性,IMPATT二极管的电路表示,2.2 射频二极管,2.2.5 耿氏二极管 耿氏二极管广泛用于低成本的电路中，这种二极管具有 转移电子效应。耿氏二极管能产生几百毫瓦的连续波功率， 频率从1GHz到100GHz,效率从5%到15%。 2.2.6 其他二极管 （1）TRAPATT二极管中位于能带隙内的能级具有俘获电子的 能力，利用这种势阱可获得更高的效率，直到75%。 （2）BARRITT二极管主要应用在雷达的混频器和检波电路中 。它本质上是一个渡越二极管，其二极管的效率较低，只有 5%或更小。,2.3 双极型晶体管,2.3.1 双极型晶体管工作特性 双极型晶体管是一个具有基极、发射极和集电极三端钮 的器件，其结构如下图所示。其中的基极、发射极和集电极 区域构成一个NPN（或者PNP）半导体，器件含有两个背靠背 的PN结。,双极型晶体管的结构图,双极型晶体管的横截面结构图,2.3 双极型晶体管,1、直流工作特性 在直流偏压条件下，双极型晶体管可用作放大器。根据 需要的不同，可对双极型晶体管进行不同的配置。,共基双极型晶体管放大器,双极型晶体管的共发射极配置,在绝大多数半导体材料中，电子的迁移率远高于空穴的 迁移率，而在实际应用中，通常需要获得高水平的电流增益 ，因此NPN双极型器件是首选。,2.3 双极型晶体管,要获得高的电流增益，可通过增大电子迁移率、最大化 发射极中的掺杂物浓度、最小化基极中的掺杂物浓度或减小 基极宽度。 在硅材料中，能量带隙减小量如式（1）所示，能量带 隙减小将导致注入到发射极的空穴浓度增加。因此，能量带 隙变窄按式（2）所述的指数规律降低。,（1）,（2 ）,2.3 双极型晶体管,双极型晶体管共基极配置的特性,双极型晶体管共发射极配置的特性,2. RF工作特性,双极型晶体管的简化集总元件式等效电路,2.3 双极型晶体管,上图所示的集总元件式等效电路表示的双极型器件， 其MAG（最大可用增益，即为一个器件输入和输出二端口都 满足最佳匹配条件时的前向功率增益）为：,最高工作频率fmax是MAG降低到单位1时的频率，其表 达式为：,因此，要得到较大的fmax,器件必须满足ft高、电容小和 基极电阻小的特点。反之，要求器件的垂直结构具有基极掺 杂浓度高、基极宽度小和电流增益大的特点。,2.3 双极型晶体管,3. 噪声系数分析,双极型晶体管的最小噪声系数为：,其中：,2.3 双极型晶体管,2.3.2 异质结双极型晶体管（HBT）,异质结双极型晶体管（HBT）的制造采用发射极比基极有更宽禁带的半导体，因而发射极比基极有更宽的能量带隙。绝大多数HBT结构是通过诸如CVD或者MBE等晶体外延生长技术实现的，下图是这类器件的能带图。,异质结双极型晶体管的能带结构图,这些能量带隙不连续， ， 它们在价带和导带之间分离开。,共发射极电流增益：,2.4 场效应晶体管,2.4.1 MESFET工作特性,MESFET由外延生长在一块半绝缘衬底上的优质半导体高导电层组成，其横截面结构如下图所示。这种晶体管含有两个欧姆接触极（源极和漏极），第三个电极（栅极）由放在这两个欧姆接触之间的一个整流（肖特基）基础构成。,MESFET器件的横截面结构图,2.4 场效应晶体管,1. MESFET的直流工作特性,FET的增益机构都包含在了跨导 之中，在给定漏极电压下，栅极电压 对沟道电流 的调制即为FET的跨导 ，它包含了FET的所有增益，其表达式为：,MESFET示意图,MESFET的输出特性,2.4 场效应晶体管,2. MESFET的射频工作特性,在电路设计中，设计师所关心的是从RF测量值所推演出的MESFET的等效电路。,集总元件式MESFET的横截面结构图,2.4 场效应晶体管,最大可用增益：,最大振荡频率：,MESFET的集总元件式等效电路,2.4 场效应晶体管,3. 噪声系数分析,下图是GaAs MESFET的噪声等效电路，它可用来计算GaAs MESFET的噪声系数性能。,最小噪声系数：,GaAs MESFET的噪声等效电路,其中：,2.4 场效应晶体管,2.4.2 高电子迁移率晶体管,高电子迁移率晶体管（HEMT）具有很高的频率特性和很低的噪声性能，这主要是因为其产生的二维电子气（2DEG）有很高的迁移率。这种器件能用于微波和毫米波功率应用中，且在高于X波段时其性能要优于MESFET。,AlGaAs/GaAs HEMT的横截面结构及其导带外形结构,2.4 场效应晶体管,1. HEMT的直流工作特性,HEMT的输出特性与GaAs MESFET的输出特性非常相似，如图所示其输出特性可分为线性区域和饱和区域两部分。,HEMT的输出特性,在线性区域内：,在饱和区域内：,2.4 场效应晶体管,2. HEMT模型,右图是等效电路元件值与栅极-源电压函数关系图，其中 为沟道电流，从图中可看出它及沟道2DEG密度在正向偏置的作用下从夹断点变化到最大值。,HEMT的函数关系,3. HEMT的噪声特性,HEMT具有优秀的噪声特性和晶体管中最低的噪声系数。,几种HEMT器件在特定频率下的噪声系数值,2.4 场效应晶体管,2.4.3 PHEMT模型,“赝同晶”（PHEMT）：器件的沟道由铟浓度在20-30之内的InGaAs构成，如下图所示。这样一来，沟道的晶格常数比GaAs基片、缓冲层、帽层、AlGaAs施主材料层和隔离层的晶格常数都大，从而形成了一个具有应变的沟道。,生长在GaAs 基片上的GaAs PHEMT的横截面结构图及其导带图,2.4 场效应晶体管,2.4.4 金属氧化物场效应管（MOSFET）,1. MOS晶体管基本结构,下图给出了一个典型的N沟道MOS晶体管（NMOS）具有代表性的结构示意图。图中，在轻度掺杂的P型衬底上方，形成出重度掺杂的N型源极和漏极区。在该区域上方，源极、漏极和一种导电物质三者之间生长出一层很薄的二氧化硅薄膜层，多数情况下是由多晶硅沉积而成，而导电物质则用来产生该晶体管的栅极。,典型NMOS晶体管结构的横截面示意图,2.4 场效应晶体管,2. MOS晶体管的直流工作特性,MOSFET的直流工作特性与MESFET相类似。下图给出了NMOS晶体管的输出特性曲线。需要注意，在三极管区中晶体管的功能类似于一个受电压控制的可变电阻。而在饱和区中，它的作用又相当于一个受电压控制的电流源（这时忽略了沟道长度效应的影响）。,NMOS晶体管输出特性,2.4 场效应晶体管,3. MOS晶体管的频率特性,MOS晶体管的频率特性通常由其特征频率 来规定。对于MOS晶体管， 的定义为简化放大电路中共源电流增益降到单位值时的频率。,当,时，,假设器件固有电容 ，当 时：,，在饱和区或放大区有：,从而可得：,NMOS晶体的电路图,2.4 场效应晶体管,4. MOSFET噪声分析,（1）漏极电流噪声,FET（结型和MOS）在本质上是电压控制的电阻，因此它们都会产生热噪声，特别是在三极管（线性）工作区。FET漏极电流噪声的表达式：,（2）栅噪声,感应的栅噪声,栅噪声：,参数,2.4 场效应晶体管,2.4.5 CMOS技术,CMOS技术（互补MOS技术）是采用两种极性的MOS晶体管。NMOS晶体管直接在P型衬底上实现，而PMOS晶体管制造在专门制作的称为N阱的N区内。这两种器件之间通过一层厚的氧化物区域互相隔离。,CMOS集成电路的截面,2.4 场效应晶体管,2.4.6 BiCMOS技术,三种不同的BiCMOS横截面图,BiCMOS技术在同一个称衬底上结合了CMOS晶体管和双极型（BJT）晶体管，从而兼具了两种技术的优点。CMOS晶体管的优点是功耗低，而且具有较高的数字IC密度。双极型晶体管具有传送大驱动电流的能力，并且能够迅速传递大负载。,2.5 双极型器件和场效应器件的比较,2.5.1 双极型器件和场效应器件的 和,各种晶体管技术的 和 比较,族中的InP基HBT和短栅长度的HEMT工艺提供了最高工作频率的射频有源器件，但HEMT技术的特征尺寸要求同时也影响了工艺成本和成品率。短栅极长HEMT工艺的产量低，很难实现大批量的、低成本的元器件，但使用双极型技术能很好地生产此类元器件。,2.5 双极型器件和场效应器件的比较,2.5.2 双极型和场效应器件的噪声性能,双极型晶体管和场效应晶体管技术的噪声性能比较,从表中可看出，低频段双极型器件的