（电磁场与微波技术专业论文）gaas+mesfet分布式放大器设计.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e eo fs c i e n c eu i l i v i d ：10 2 6 9 s t u d e n tl d ：5l0 712 0 2 0 5 7 ea s tch i n an o r m a l u n i v e r s i t y d e s i g n o ft h eg a a sm e s f e t d e p a r t m e n t ： m a j o r ： d i s t r i bu t e d a m p l i f i e r r e s e a r c hd i r e c t i o n ：r fd e v i c em o d e l i n ga n dt e s t i n go f m i c r o w a v e a d v i s o r ： 煦鱼墨墨q !q q 且坌塾i 坠堕 m a s t e rcandidate：lix u e a p r i l 2 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文岛加心s 阳丁撕弋放大拳跫计 ， 是在华东师范大学攻读顽生博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名：尘 日期：砷，口年r 月叩日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 酞腕s f 玎分布弋枞火汁 系本人在华东师范大学攻读 学位期问在导师指导下完成的丽啦博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东 师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管 部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论文的印刷版和电子版；允 许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入 全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版， 采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密”学位论文木， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 f ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名本人签名瓜分 伽f 口年f 月叩日 宰“涉密”学位论文应是已经华尔师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生中请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部i 、j 审定的学何论文均为公开学何论文。此声明栏不填写的，默认为公开学何论文，均适用 上述授权) 。 盟硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 朱守正教授华东师范大学主席 尹秋艳副教授华东师范大学委员 廖斌副教授华东师范大学委员 1 j 一 摘要 随着微电子与微波通信技术的发展，国内外对射频集成电路性能的要求越来 越高，人们对器件速度也提出了更高的要求。目前集成电路设计的大部分工作都 是基于a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 软件工具，而半导体器件的等效电路模 型是影响电路设计精度的最主要因素，其中精确的模型参数又是电路仿真及优化 的前提。g a a s 场效应晶体管( m e s f e t ) 具有电子迁移率高、载流子漂移速度快， 禁带宽度大、抗辐射能力强、工作温度范围宽等优点，并被广泛应用于光纤通信、 移动通信、超高速计算机、高速测量仪器、航空航天等领域。因此，g a a s 场效应 晶体管的建模以及模型参数的精确提取已成为近几年国内外研究的热点。 本论文对日本n e c 公司生产的g a a s 场效应晶体管刊e 7 2 0 8 4 的小信号模型进 行了研究。首先对器件进行小信号s 参数测量，给出了偏置为吃= 3 v ，l = l o m a 条件下器件的测量参数。然后建立器件的小信号模型，对模型中的本征元件和非 本征元件进行参数提取。最后将参数的提取结果导入a d s 软件中进行仿真优化， 在2 1 8 g h z 频段上的仿真结果与测量数据吻合良好，误差精度都在1 0 以下。 利用器件n e 7 2 0 8 4 实现了o - 4 g h z 的低噪声分布式放大器。采用级联共源增益 单元，并改进了电路结构，降低了低频增益，提高了放大器的功率增益。通过a d s 仿真软件对分布式放大器进行了系统仿真和参数优化，电路仿真结果表明，该分 布式放大器具有平稳的增益、较好的增益带宽积，良好的输入、输出匹配。最后， 将器件模型带入分布式放大器中，讨论了本征元件值对电路增益的影响，从而验 证了所提取的小信号模型参数的正确性。 关键词：场效应晶体管、砷化镓一金属氧化物场效应晶体管、a d s 、场效应晶体 管、测量、小信号模型、参数提取、分布式放大器 a b s t r a c t a st h er a p i d d e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c sa n dm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，c o m b i n e dw i t hi n c r e a s i n gd e m a n d i n gf o rb e t t e rp e r f o r m a n c eo fr a d i o f r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i ta th o m ea n da b r o a d ，f a s t e rs p e e do fd e v i c eh a v eb e e n d e m a n d e d g a a sf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r ( m e s f e t ) i sw i d e l yu s e di n o p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o n ,m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，h i g h s p e e d c o m p u t e r s a n d m e a s u r i n g i n s t r u m e n t s ，a sw e l la ss p a c ef l i g h ta r e ad u et oi t si n c r e a s i n ge l e c t r o nm o b i l i t y , h i g h c a r r i e rd r i f tv e l o c i t y ，l a r g eb a n dg a p ，s t r o n gr a d i a t i o nr e s i s t a n c ea n dw i d eo p e r a t i n g t e m p e r a t u r er a n g e c u r r e n t l y , m o s to ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g ni sb a s e do na d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) s o f t w a r e t h ec r u c i a lf a c t o rf o ra c c u r a c yo fc i r c u i td e s i g n i st h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fs e m i c o n d u c t o rd e v i c e se x p l o i t a t i o n , w h i c hi so nt h e b a s i so fa c c u r a t em o d e lp a r a m e t e r s i nr e c e n ty e a r s ，g a a sf e t m o d e l i n ga n da c c u r a t e e x t r a c t i o no fm o d e lp a r a m e t e r sh a v ea t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no fs c h o l a r sa r o u n dt h e w o r l d t h es m a l l s i g n a lm o d e lo fn e 7 2 0 8 4g a a sf e tw h i c hw a sp r o d u c e db yj a p a n e s e n e cc o r p o r a t i o nw a si n v e s t i g a t e d f i r s to fa l l ，t h es m a l ls i g n a lsp a r a m e t e ro ft h e d e v i c ew a sm e a s u r e dw i t ht h eb i a so f = 3 v ，l a , = 10 m a t h e ns m a l ls i g n a lm o d e l o ft h ed e v i c ew a sc r e a t e df o r p a r a m e t e re x t r a c t i o n o fi n t r i n s i ca n de x t r i n s i c c o m p o n e n t s f i n a l l y ，t h ep a r a m e t e r s e x t r a c t i o nr e s u l t sw a si m p o r t e dt oa d s s o f t w a r e f o rs i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h em e a s u r e dd a t a w i t ht h ee r r o rp r e c i s i o nb e l o w10 i n2 - 18 g h z r a n g e a0 - 4 g h zl o w - n o i s ed i s t r i b u t e da m p l i f i e rw a sd e s i g n e du s i n gn e 7 2 0 8 4d e v i c e s a na n a l y t i c a lo p t i m i z a t i o np r o c e d u r ei n c l u d i n gt h ec a s c a d e dc o m m o n - s o u r c eg a i n c e l lw a sd o n et od e b a s et h el o wf r e q u e n c yg a i no ft h ea m p l i f i e ra sw e l la si m p r o v et h e p o w e rg a i n w i t ht h ea i do fa d ss o f t w a r e ，ic a r r i e do u tc i r c u i ts i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o n a ss h o w ni nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ed i s t r i b u t e da m p l i f i e rh a ss t a b l e g a i n ，s u p e r i o rg a i n - b a n d w i d t hw i t hg o o di n p u ta n do u t p u tm a t c h i n g f i n a l l y , t h e d e v i c em o d e le m b e d d e di nt h ed i s t r i b u t e da m p l i f i e r t h r o u g ht h ed i s c u s s i o no ft h e i n t r i n s i cv a l u e si m p a c to nc i r c u i t g a i n , t h ev a l i d i t yo fs m a l l s i g n a l m o d e l s i i 1 1 。_ _ _ - - _ _ _ _ _ 一_ _ - - _ 一 p a r a m e t e r se x t r a c t i o ni sd e m o n s t r a t e d k e y w o r d s ： f e t ，g a a sm e s f e t ，a d s ，m e a s u r e ，s m a l l s i g n a lm o d e l ，p a r a m e t e re x t r a c t i o n ， d i s t r i b u t e da m p l i f i e r i i i 一 目录 摘要i a b s t m i i 目录i 第一章绪论一1 1 1 弓i 言一1 1 2 场效应晶体管模型概述一2 1 3 分布式放大器研究进展一4 1 4 论文的主要研究- l 作一5 一 1 5 论文的组织结构一6 一 第二章微波g a a s 场效应晶体管特性一7 2 1 场效应晶体管的历史一7 2 2 基本工作原理一9 2 3 本章小结一1 4 一 第三章m e s f e ts 参数测试一1 5 3 1 器件s 参数测量系统的组成一1 5 3 2 网络分析仪的校准一1 6 3 2 1 测量系统的误差一1 6 3 2 2 网络分析仪校准方法一1 7 3 3 被测器件的连接一1 8 3 4n e 7 2 0 8 4 的小信号s 参数测量结果一1 8 3 5 本章小结一2 0 一 第四章m e s f e t 小信号等效电路模型及参数提取一2 1 4 1n e 7 2 0 8 4 小信号等效电路模型的选取一2 1 4 2m e s f e t 小信号模型参数的提取一2 2 4 2 1 寄生电容的提取一2 2 4 2 2 寄生电阻的提取一2 4 4 2 3 寄生电感的提取一2 5 4 2 4 本征元件的参数提取一2 6 4 3 后续优化一2 8 4 4 本章卅、结一3 2 一 第五章分布式放大器的优化设计一3 3 5 1 高速光接收机及其前端模块一3 3 5 2 分布式放大器的基本电路原理一3 4 5 3 分布式放火器的设计一3 7 5 3 1 分布式放大器的性能指标一3 8 5 3 2 增益单元的设计一3 8 5 3 3 匹配网络的设计一4 l 一 5 3 4 噪声特性的改进一4 2 5 4 原理图仿真及其结果一4 3 5 5 本征元件对电路的影响一4 8 5 6 本章小节一5 1 一 第六章总结一5 3 。1 。1 参考文献一5 5 一 作者研究生期间发表的论文一5 9 一 致谢一6 0 1 。1 。1 华东师范人学硕上研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着科学技术的迅猛发展，电子信息产业已经成为影响全球经济的最大产 业，其年产值超过万亿美元，而微波通信是电子信息产业中发展最为迅猛的一支。 早在上世纪3 0 年代，微波技术最初应用于电视、广播、通讯技术中。1 9 4 5 年，美 国人首先发现了微波的热效应，并首次将微波作为一种非通讯的能源应用于工 业、农业的科学研究中。我国基本上是在上世纪的5 0 年代末开始了这方面的基础 性研究，经过5 0 多年的努力，取得了一系列重大的研究性进展。目前微波技术的 发展趋势朝着电路小型化、高度集成化、高可靠性、低功耗、低成本方向发展， 广泛应用于通讯、军事、工业、农业等人类生活的领域嘲。 在第二次世界大战中出现的雷达，是对微波信号放大提出要求的第一个应 用。近代，无线通信提供了大量微波放大应用。早期的微波放大器是真空管，例 如速调管口1 ，行波管放大器，以及磁控管。目前构成微波固态放大器一般分为两 类：基于两端负载的二极管器件和基于三端口的晶体管器件，早期的放大器都是 采用两端口的器件，这是因为二极管比三极管更容易制造。现在的微波固态放大 器大多使用三端口的晶体管，包括m e s f e t 、拟晶态高电子迁移率晶体管( p h e m t ) 和异质结晶体管( h b t ) 。射频微波半导体器件作为现代微波集成电路的基础， 主要包括以砷化镓( 6 a h s ) 、硅( s i ) 、碳化硅( s i c ) 等为衬底基片的双极性 晶体管( h b t ) 和场效应晶体管( f e t 、h e m t ) ，这是由于他们具有高增益、低损 耗以及相对较低的噪声系数。 图1 1g a a s 器件所占市场份额 图1 1 给出t g a a s 器件所占的市场份额h 悯，外延g a a s 器件在总的生产规模中 华东师范人学顾l ：研究生学位论文第一章绪论 占据了主要地位，其中离子注入m e s f e t 为6 5 ，广泛应用在数字和模拟集成电路 中；h b t 占据了1 7 的份额，专门在蜂窝电话功率放大器中应用；而p h e m t 占据8 的份额，主要在移动通信低噪声放大器中应用。 随着微电子与微波通信技术的发展，国内外对射频集成电路性能的要求越来 越高，人们对器件速度提出了更高的要求。砷化稼电路作为硅电路的补充，在超 高速微电子学和通讯领域占有越来越重要的地位。g a a s 材料的电子迁移率比s i 高约7 倍，载流子漂移速度快，并且g a a s 是直接带隙材料，禁带宽度大、抗辐射 能力强、工作温度范围宽，因此在光纤通信、移动通信、超高速计算机、高速测 量仪器、航空航天等领域得到了广泛应用 6 - 8 。g a a s 材料的特征频率决定了g a a s 场效应晶体管( f e t ) 可以实现高速电路的性能。目前集成电路设计的大部分工 作都是基于a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 软件工具，而半导体器件的等效电 路模型是影响电路设计精度的最主要因素，其中精确的模型参数又是电路仿真及 优化的前提。g a a s 金属氧化物场效应晶体管( m e s f e t ) 的建模以及模型参数的精 确提取已成为近几年国内外研究的热点。 1 2 场效应晶体管模型概述 近些年来，人们在电子元器件建模领域展开了广泛的研究，并取得了飞速的 发展。对电子器件进行建模的目的，是为了更准确地预测出电路设计工程师所感 兴趣的、所有工作区域中半导体元器件的电特性。为了确保计算的效率，建立的 模型应该尽量精确，同时又不能过于复杂。计算机电路辅助设计软件作为电路设 计的一种手段，其精确性不仅取决于它的算法，还与它所采用的元器件的模型息 息相关。 表1 1 不同的模型要求 用户基本模型要求 器件工程师精确的物理模型 集成电路设计工程师高计算效率，高拟合精度、简单模型 代加工工厂拟合的精度和统计模型 计算机辅助设计软件供应商适合不同工艺、开发时间短和兼容性 模型开发者简单模型、开发时间短 华东师范人学硕j ：研究生学位论文第一章绪论 由于制造商采用的工艺技术各不相同，有源器件所表现出的电特性也不同， 必然造成模型之间的巨大差异，进而使得电路的设计结果大相径庭。因此，这给 微波电路的设计带来很大困难。如表1 1 所示嘲，不同用户对器件性能的要求不 同，人们对模型的评价标准就存在很大的差异。 微波电路朝着高集成度和高传输速率的方向发展，建模工程师必须开发出精 确的m e s f e t 直流和交流模型n 们。在模型开发过程中，影响模型好坏的重要因素就 是参数提取技术和测量仪器的精密度1 。一个精确的模型不是取决于模型的形式 和特点，而是取决于建模过程中所使用参数的正确性n 幻。这些参数的可靠性是由 器件特性决定的。目前模型设计工程师们通常采用两种类型的建模技术：数值模 拟技术和物理技术n 引。在数值模拟技术中，不断变化的条件下，沟道内的场分布 是不同的，在不同外加偏置条件下的载流子运动方程也是不同的。因为，模型中 受场分布影响的参数很多，因此，这种方法很难有效地预测沟道内场的变化。此 外，它涉及严格的数学方法理论，通常设计工程师很难操作。另一方面，在物理 建模技术中，需要有关于器件尺寸和材料参数的数据。它们的数学模型表达式比 较简单，涉及了较少的变量。因此，设计工程师们青睐这种方法。 在物理建模过程中，运用现代c a d 的设计手段缩短了对器件建模以及微波电 路的设计周期。f e t 、h f e t 、h e m t 和h b t 的准确模型是这些工具的基本部分。建立。 有源器件模型的最常用方法是测量它们的d c 特性和s 参数。该建模方法仅适合经 过测量的器件，能够给出快速且准确的结果，由计算机根据测量得到的d c 和s 参 数数据来提取等效电路模型的参数值。经过测量得到的模型的准确度取决于测量 系统的准确度、校准技术以及校准标准。经测量得到的模型分为两类：线性模型 ( 亦称小信号模型，线性工作的有源器件) 和非线性模型( 亦称大信号模型，非 线性工作的有源器件) 。线性模型是在即时测量的线性模型中，通过测量工作在 偏置条件下的d c 和r f 参数来得到器件的电特性。通过选择跟频率有关的电特性的 集总元件所构成的等效电路模型，并且基于平均和标准偏差的统计数据来提取型 参数值，这有利于提高成品率。有关非线性模型的确定方法已在文献n 4 。舯1 中介绍。 所有这些模型有相同的基本结构和漏极电流源，并且得到了与实验数据相吻合的 等效电路模型参数和共源极d c 或脉冲i - v 曲线。然而量化模型的方法，包括相互 之间的比较和实验数据的比较都是不相同的。目前有各种不同的模型来描述漏极 华东师范人学颂i ：研究生学位论文第一章绪论 电流源和栅一源以及栅一漏电容的特性。 近几年来，人们对深亚微米m e s 场效应晶体管的模型研究，主要集中在小信号 等效电路模型的参数提取技术和非线性等效电路模型及其参数提取技术。小信号 等效电路模型的参数提取主要包括寄生电容( p a d ) 、寄生电感、寄生电阻以及本 征元件值。其中提取寄生电感的方法通常有测试结构法乜、c o l d - f e t 方法瞳2 1 和截 止条件法啪1 ，提取寄生电容的主要方法为测试结构法嘲1 和截止条件方法吻1 胁1 。提 取寄生电阻的通常有：直流测试法、c o l d - f e t 方法和有源偏置法乜蚴1 。提取本征 元件的方法包括直接法和间接法啷1 。常用的非线性等效电路模型主要包括 s t a t z 、t r i q u i n t 、c u r t i c e 、m a t e r k a 、t a j i m a 、a n g e l o v 模型。基 于精确模型的参数提取工作也是电路仿真以及优化的前提，因此精确的器件模型 无疑已成为微波集成电路设计者首要解决的问题，也是目前国内外研究的热点。 1 3 分布式放大器研究进展 微波技术的发展趋势是朝着电路小型化、高度集成化、高可靠性、低功耗、 大批量生产等方向发展。元件尺寸和性能是卫星通信、相控阵雷达系统以及军事 应用的电子系统设计，需要考虑的主要因素，而小体积和低成本推动着消费市场 的发展。基于砷化镓的微波单片集成电路( 删i c ) 技术，在目前的电子市场领域 中得到了飞速发展。现在的删i c 大都工作在0 5 - 3 0 g h z 的微波频段，随着技术的 不断发展，更高频率的晶体管将层出不穷，在毫米波段的应用将更加广泛。国外 现有的宽带微波放大器主要以单片微波集成电路为主，在国内由于受器件和工艺 水平等因素的限制，与国外的电路相比还存在很大差距。分布式放大器 ( d i s t r i b u t e da m p l i f i e r ) 是一种宽带微波放大器，它以其在极宽的频带范围 内具有较平坦的增益的特点，主要用于设计超宽带无线收发机、高速率装置和光 通信系统。因而在军事、通信、雷达电子等领域中得到广泛应用。 分布式放大器的概念最早由g i n z t i o n ，e ta 1 在1 9 4 8 年提出例，根据其电路 的拓扑结构，分布式放大器与普通放大器相比具有带宽大、驻波起伏小、增益平 坦、设计简单等优点。早期的分布式放大器是采用真空电子管制作的啪1 ，后来随 着一v 族宽带隙半导体技术的发展，在上世纪8 0 年代出现了采用g a a s 、i n p 、g a n 等高速率优良的半导体材料制作的分布式放大器，这类放大器具有较高的截止频 率和较低的功率损耗口，一度成为当代微波单片集成电路的主流。金属一氧化物一 一4 一 一 华东师范人学硕+ f ：研究生学位论文第一章绪论 半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 早在上世纪3 0 年代就已出现，但是由于当时工艺 技术的限制导致了m o s f e t 器件的速度慢、噪声大、寄生电容大、跨导小，因而在 过去的高速电路设计中很少采用m o s f e t 器件。近几年，随着集成电路的特征尺寸 不断地按比例缩小，人们不断改进m o s f e t 器件的生产工艺，c m o s 工艺已由0 8 岬 向着亚微米和深亚微米方向发展，其工作速率上限已逐渐接近g a a s f e t 和双极型 硅电路的常规工作速率，而且电源电压的按比例下降从3 v 降n o 7 v ，大大降 低了系统的功耗。c m o s i 艺以其较高的集成度和较低的制造成本，在单片射频集 成电路系统中得到广泛应用。刳。目前基于深亚微米的场效应工艺的器件越来越多 地应用于超宽带、高增益、低功耗的分布式放大器的设计之中。目前分布式放大 器已经成功地应用在超宽带、低功耗高速光接收机前置放大器的。设计之中，这 大大推进了宽带集成电路的发展。 表1 2 7 u 出了国外关于场效应晶体管的分布式放大器的研究进展。从该表中 可以看到，这些宽带分布式放大器的功耗通常比其他传统设计要大，而且从d c 开始的增益都比较困难，需要改进设计，尽可能改善低端频率的增益，才有可能 应用于基带信号的传输，而应用光通信系统。 。 ” 表1 2 分布式放大器的研究进展 工艺 芯片面积带宽增益噪声系数 s l ls 2 2 功耗文 ( p m ) ( r a m 2 ) ( d b ) ( d b )( d b ) ( d b )( d b ) ( r o w )献 o 80 7 2 0 3 20 3 - 35 1 25 1一6一95 4 3 3 o 61 4 o 80 5 5 56 5 1 25 4 8 2一7- 1 08 3 4 3 4 0 59 3 6 42 - 1 8 58 0 o 44 4 7 5- 1 2- 1 4 5 3 5 0 3 5 0 9 5 1 80 5 - 3 52 0 1 51 5 - 3- 1 5- 1 58 6 7 3 6 0 23 5 4 00 - 3 0 1 5 5 o 55 - 9 5- 1 5- 1 7 66 4 0 0 3 7 0 21 5 2 20 3 6 8 8 0 73 8 - 6- 1 5- 1 01 0 0 0 3 8 0 21 5 30 - 1 61 6 0 7- 1 0- 1 2 3 9 o 1 81 8 0 91 - 2 76 16- 1 0- 1 06 8 1 4 0 o 1 80 9 1 50 6 2 27 3 0 84 3 - 6 1一8一95 2 4 1 o 1 1 5 3 0 - 5 01 1 7 o 54 1 - 6一1 1一9 61 0 0 0 4 2 1 4 论文的主要研究工作 本论文的主要任务是，基于日本n e e 公司生产的g a a sm e s f e tn e 7 2 0 8 4 i 艺技 华东师范人学硕i ：研究生学位论文第一章绪论 术，在详细讲述了g a a s 场效应晶体管的基本结构、基本原理和小信号模型的基础 上，总结了国外文献中相关以及模型参数的提取方法。根据器件n e 7 2 0 8 4 的小信 号s 参数测试结果，进行了器件小信号模型的参数优化提取工作，并在此基础上 利用n e 7 2 0 8 4 进行频带范围在o - 4 g h z 的分布式放大器优化设计。研究结果表明， 所设计的分布式放大器采用三级增益单元，电路的频带宽度为o - 4 g h z ，正向传输 功率增益为1 6 6 d b ，且带内波纹为0 4 d b ；输入端口的反射系数在一1 2 d b 以下， 输出端口的反射系数在- 9 d b 以下，噪声系数在低频时达到4 8 d b ；在o 一4 g h z 频带 范围内，系统的k 值大于1 且d e l t a 的值小于1 ，则系统绝对稳定。在理论上验证了 分布式放大器具有工作频带宽、增益电平高、带内驻波小、工作稳定可靠等特点。 最后从理论上分析了器件n e 7 2 0 8 4 的小信号模型参数对所设计的放大器s 参数的 影响。 1 5 论文的组织结构 本论文按照如下组织结构： 第一章，叙述了课题研究的背景及其意义，场效应晶体管模型和分布式放大 器的研究概况，并介绍了本论文的主要研究工作。 第二章，阐述了微波砷化镓场效应晶体管的历史及基本工作原理。 第三章，对器件n e 7 2 0 8 4 的小信号s 参数测试进行研究。包括测试系统的组成、 网络分析仪的校准、被测器件的连接等。最后得到了封装器件的s 参数测量结果。 第四章，对n e 7 2 0 8 4 的小信号等效电路模型和参数提取进行了研究。首先建 立n e 7 2 0 8 4 的小信号等效电路模型，然后给出模型参数中的本征元件和非本征元 件的提取方法和提取结果，最后以器件的测试结果为目标，在a d s 中将参数提取 结果进行后续优化拟合。 第五章，对分布式放大器的设计进行了研究。首先介绍分布式放大器的基本 原理，总结增益单元、匹配网络和噪声系数改进的设计方法；然后用a d s 中的 n e 7 2 0 8 4 元件，进行三级分布式放大器的优化设计；最后讨论器件模型中的本征 元件对电路功率增益的影响。 华东师范人学硕f ：研究生学位论文第二章微波g a a s 场效应晶体管特性 第二章微波g a a s 场效应晶体管特性 随着科学技术的进步，集成电路技术的应用也越来越广泛，如何进一步提高 电路性能，缩短电路开发周期，降低成本，已成为单片微波集成电路( 删i c ) 研 究的重点。对于微波电路的应用而言，微波砷化镓一半导体场效应晶体管、双极 晶体管和砷化镓高电子迁移率晶体管( h e m t ) 是最重要和最常用的有源晶体管。 半导体器件作为微波集成电路研制的基本元件，受到广大研发者的关注。根 据半导体材料系统，可将其分为硅基和i i i - v 族化合物基半导体器件。硅基器件 以其低成本和大规模生产，在过去的几年里频率特性得到了很大的改善。与此同 时i u - v 族化合物基半导体器件凭借其本征材料的优势，在高频高速电路的设计 中得到了广泛的应用。根据器件工作原理，高速微波射频半导体器件又可分为双 极晶体管( b j t h b t ) 和场效应晶体管( f e t h e m t ) 。本章着重介绍微波g a a s 场效 应晶体管特性，这为我们将要进行的小信号模型的建立与参数提取，分布式放大 器的设计奠定了理论基础。 2 1 场效应晶体管的历史 场效应晶体管的基本概念至少可以追溯到1 9 3 3 年，l i l i e n f e d 阳1 的专利。场 效应晶体管的提出比1 9 4 8 年提出的双极晶体管发明更早。早期关于场效应晶体 管的研究工作进度很慢。由于当时半导体质量差、光刻技术的不发达以及双极晶 体管的发明，阻断了场效应晶体管的大部分研究工作。针对场效应晶体管的深入 研究源自1 9 5 0 年s t u e t z e r m l 和1 9 5 2 年s h o c k l y h 5 1 的研究工作。在此之前工程师 利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是限于当时的技术水平，没有制造 出晶体管。直到1 9 4 7 年1 2 月，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿组成的 研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世是2 0 世纪的一项重 大发明，是微电子技术发展中的里程碑。1 9 5 0 年，威廉邵克雷开发出双极晶 体管，这是现在通行的标准的晶体管。1 9 5 0 年，r o h l 和肖特莱发明了离子注入 工艺，并于1 9 5 1 年，发明了场效应晶体管。在s h o c k l e y 等人发明双极型晶体管 以前，人们就发现了电场控制电流的原理。由于受技术水平的限制，场效应原理 场效应晶体管在上世纪6 0 年代中期才商业化。 场效应晶体管( f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 是利用场效应原理工作的晶体 管。场效应就是通过改变外加垂直于半导体表面上电场的方向或大小来控制半导 一7 一 华东师范人学硕i ：研究生学位论文第- 二章微波g a a s 场效应品体管特性 体导电层( 沟道) 中多数载流子的密度或类型。它是由电压调制沟道中的电流， 其工作电流是由半导体中的多数载流子输运。这类只有一种极性载流子( 电子) 参加导电的晶体管又称为单极型晶体管。而对于双极晶体管，电子和空穴都参与 载流子运动。场效应晶体管与双极型晶体管相比，它具有输入阻抗高、噪声小、 极限频率高、功耗小，制造工艺简单、温度特性好等特点，广泛应用于各种放大 电路、开关元件和微波电路等。同时，场效应管作为基本的存储元件或逻辑元件 而广泛应用于高速数字电路中。 表2 1 场效应晶体管和双极晶体管比较 参数场效应晶体管双极性晶体管 物理尺寸限制栅长基极和集电极厚度 阀值特性栅阀值电压 基极一发射极电压 输出电流密度中等 高 热噪声、1 f 噪声、沟道噪声 噪声类型散弹噪声、1 f 噪声和热噪声 和栅极感应噪声 工艺复杂性中等高 输入阻抗控制栅电压基极电流 表2 1 给出了场效应晶体管器件和双极晶体管之间的特性比较h 1 。首先，器 件物理尺寸决定了器件的速度特性，对一个短栅长的场效应晶体管而言，可以降 低载流子的渡越时间，对于双极晶体管而言，减小基极和集电极的厚度同样可以 降低载流子的渡越时间。器件的工艺条件决定了场效应晶体管的栅长，目前栅长 为0 1 5 岬的i u - v 族化合物场效应晶体管的特性，相当于在1p m 工艺条件下制 作的异质结双极晶体管h b t 的特性，他们的特性频率在1 0 0 - 3 0 0 h z 之间。场效应晶 体管的开关特性主要由源沟道层掺杂和厚度决定。而双极性器件则由基极一发射 极电压决定。场效应晶体管的噪声源主要包括沟道噪声、栅极感应噪声、热噪声 和1 f 噪声，其中，1 f 噪声的拐角频率可以高达5 0 0 m h z 。而双极性器件的噪声源 主要包括散弹噪声、1 f 噪声和热噪声，其中1 f 噪声的拐角频率大大低于场效应 晶体管的。从工艺复杂性来看，场效应晶体管比双极性器件简单得多，一般需要 三到四层版图就足够了。 目前，市场上出现的场效应管的类型多种多样，它们的名称反映了它们的制 造过程或几何形状方面的不同。其中以s i 材料为基础的金属一氧化物半导体场效 华东师范人学硕i ：研究生学位论文第- 二章微波g a l l s 场效应晶体管特t 牛 应管( m o s f e t ) 和以g a a s 材料为基础的肖特基势垒栅场效应管( m e s f e t ) 是两种 最常见的场效应晶体管。它们分别是m o s 大规模集成电路和m e s 超高速集成电路的 基础有源器件。对于一v 族化合物基半导体而言，g a a s 单晶材料的电子迁移率 要比s i 材料的高7 倍，而且漂移速度快，因此g a a s 材料比s i 材料具有更高的高频 特性。因而，由g a a s 材料构成的集成电路具有损耗小、噪声低、频带宽等特点。 而且g a a s 是直接带隙，带隙宽度大，器件的抗电磁辐射能力强，工作温度范围宽， 更适合在恶劣的环境下工作。目前，g a a s 材料已是微电子和光电子技术领域中极 为重要的电子功能材料。按其电阻率划分，可分为半导体砷化镓材料( 对低电阻 率而言) 和半绝缘砷化镓材料( 对高电阻率而言) 。目前构成g a a si c 的主要器件 为m e s f e t 、h f e m t 、h e k t t 和h b t 。m e s f e t 以其噪声低、频带宽等特点在微波领域中 得到了广泛的应用。 2 2 基本工作原理 g a a s 金属半导体场效应晶体管( m e s f e t ) 是微波高速集成电路中最常用的和 最重要的有源器件之一。这种晶体管由外延生长在一块半绝缘( 即高电阻率) 衬 底上的优质半导体高导电层组成口1 。 蟛= 痧 f 巧 欧姆接触 典型值 o - 1 - 0 3 u r n 可为几徽米犀 图2 1 微波m e s f e t 器件的典型剖面结构 图2 1 给出了场效应晶体管的剖面示意图。导电沟道设置在半导体上，且有 一定距离的两个欧姆接触( 源极和漏极) 与外电路相连接。栅极由源极和漏极之 间的一个肖特基接触构成。器件的导电沟道很薄，一般约为0 1 - 0 3 9 m 。因此， 栅极下面形成的耗尽区可以有效的控制该薄层内电流的大小。这种器件的作用像 一个压控开关一样，具有极高的调制速率。 一9 一 华东师范人学硕i ：研究生学位论文第一二章微波g a a s 场效心品体管特性 一个无栅极器件的工作原理，如图2 2 ( a ) 一( c ) 中所示。当漏极一源极电位增 大时，就有电流流通，如图( b ) 中a 区所示，该电流一电压特性是线性的。当漏 极一源极电压增大到内部电场达到饱和时，就出现性能偏离线性范围，如图( b ) 中 b 区所示。图( c ) 中的参数k 表示，这种结构工作在线性区所能达到的最大电流 值。这种器件表现出了电阻的特性，且电流一电压特性曲线的斜率表示了沟道和 接触电阻之和。 、“。 源 导电沟道 半绝缘衬底 e 极 a 土 下 ( a ) 无栅极场效应晶体管制剖面图 0 l x ( b ) 当该结构偏置于线性和饱和区的器件内部电场 ( c ) 该器件的电压一电流特性 图2 2 无栅极器件的工作原理 一1 0 一 华东师范人学硕i j 研究生学位论文 第二章微波g a a s 场效心晶体管特性 图2 3 给出了栅极置于源极和漏极接触之间的器件特性示意图。从图( a ) 中可以看出，在栅极金属下面形成了一个耗尽区，通过减小电流流过的截面积， 来使耗尽区影响器件的电流一电压特性。该栅极耗尽区不仅使沟道电阻增大，还 使栅极下面的电场随着到漏极距离的增大而增大。因为电位沿沟道下降，使得饱 和电场在栅极右面一侧率先形成。现设定沟道内最大电场达到e 。时的漏极电压 为删，当栅极电压反方向增大时，耗尽区向导电沟道的更深处偏移，因而减小 了电流可以流过的截面积，沟道电阻不断增大，导致了端电压降低。 v d 。 源 e ( a ) 偏置场效应晶体管的剖视图 极 0 x lx 2 l x ( b ) 偏置在线性区和饱和区的器件内部电场 珞 ( 0 ) 器件的电压一电流特性 图2 3 栅极置于源极和漏极接触之间的器件特性 一1