微波晶体管.doc

第二章 微波晶体管2.1 微波双极晶体管 微波双极晶体管通常都是平面结构，几乎都是NPN的。微波双极晶体放大器工作原理和传统双极晶体管一样，这里只简要说明一下微波双极型晶体管的等效电路和性能参数。 微波晶体管中，为了提高发射极效率、减小结电容以适应微波频率上工作的需要，一般采用交指型结构。在低噪声放大电路中，共发射极电路用得较普通，因为它有较高的功率增益、输入和输出阻抗比较接近于通常的传输线特性阴抗、稳定性也好。 微波双极晶体管管芯共基极、共发射极小信号等效电路如图2.1所示。图中， 表示基极扩散电阻，表示集电极耗尽层电容, 表示发射极结电阻；表示发射极耗子层电容， 表示集电极结电阻。图 2-1 微波双极型晶体管管芯等效电路（1）特征频率 晶体管中载流子从发射极渡越到集电极的时间的称为延迟时间，用表示。当工作频率比较高时，延迟时间与信号周期相比已显得相当长，这时输出电流和输入电流之间出现了相位差。当工作频率进一步提高时，载流子在基区中运动而尚未到达集电极构成输出电流时，加在输入端的交流传号的大小和方向已经改变了，因而造成了载流子运动韵混乱现象，使电流放大系数下降。频率越高，电流流放大系数下降越厉害。由此可见，电流放大系数具有一定的频率特性。通常用特征频率表示微波晶体管的高频放大性能，它定义为共发极短路电流增益=l时的频率。特征频率与晶体管的结构参数密切相关。微波双极晶体管受到管予结构和工艺水平的影响，特征频率不可能很高。当要求频率更高时，一般使用微波场效应晶体管。其特征频率可表示为：(2)噪声在微波晶体管中，闪烁噪声不起主要作用，因此微波晶体管的噪声主要有两类：热噪声和散弹噪声。热噪声是晶体管中载流子的不规则热运动引起的，它的大小与晶体管本身的欧姆电阻有关。散弹噪声是有电流流动时由于载流子运动的起伏产生的，其大小与电流成正比。这样我们可把晶体管内的噪声分成三类：和晶体管内欧姆电阻有关的热噪声；与基极电流有关的散弹噪声；与集电极电流有关的散弹噪声。即可用三个噪声源来表示微波晶体管的噪声，如图2.2所示。图 2-2 共发级简化噪声模型在晶体管中，发射极和集电极的串联电阻以及任何接触电阻都产生热噪声，但它们和基区电阻相比都较小，可以忽略不记。因此可表示为=4kTB式中k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，B是噪声带宽。基极电流的散弹噪声可表示为=2e式中e是电子电荷，是基极直流电流集电极电流的散弹噪声可表示为=2eB式中e是电子电荷，是集电极直流电流 按照上述分类，我们可以借助福田公式计算微波晶体管的最小噪声系数。由上式可以看出，最小噪声系数是集电极电流的函数，集电极电流有一最佳值，使噪声系数最小，图2.3是一般微波双极晶体管最小噪声系数与集电极电路的关系曲线。 图 2-3噪声系数对频率的变化是很明显，上图给出了噪声系数与频率关系的典型曲线。当频率低于时，噪声系数随频率的降低而增大，这是由闪烁噪声引起的，这种噪声在微波晶体管中可不必考虑；在到的频率范围内，噪声系数基本上不随频率变化，称为白噪声区：当频率高于时，噪声系数随频率的升高显著增大，呈现每倍频段6dB的上升速率。是高频转角频率，其值通常用来估算。一般，而。因此，知道了管子的就可计算出。当管子的使用频率在低于的自噪声区，则其噪声系数最小。由此可见，为了获得低噪声放大器，应选用特征频率几倍于工作频率的微波晶体管。2.2 微波场效应晶体管微波场效应晶体管是用砷化稼材料制成的，简称为FET，既可以供微波低噪声放大用，也可以供微波功率输出用。场效应晶体管的截止频率很高，可达50GHz以上，比双极晶体管约高3倍，所以在更高频率上的应用，场效应晶体管它具有下述特点：(1)场效应晶体管是多数载流子器件，少数载流子不参加导电。所以有时也称为单级品体管。(2)输入阻抗高，比双极晶体管更适合电路应用。(3)噪声低。(4)抗辐射性能强，能耐高温。一、工作原理和等效电路在微波场效应晶体管的源级和漏级之间加电压，源级和栅级之间加电压，漏极的电位为正，栅极的电压为负，则在栅极处存在一层耗尽层。由于载流子被耗尽，所以耗尽层的电阻很大，载流子在其中不易流动，如下图左所示。耗尽层下形成一个N型沟道，耗尽层越宽，沟道越窄，晶体管的源漏级电流越小。控制栅压可以控制N型沟道宽度，从而可以控制源漏电流。越负，电流越小。下图右画出典型砷化镓场效应晶体管(GaAsFET)的低频电压电流特性。图2-4 场效应管的电压和电流 NE425S01场效应管的电压电流特性场效应管管芯等效电路如下图所示图 2-5二、微波场效应管的性能参数1、特征频率场效应管的特征频率是共源电路短路电流的频率，由下式决定微波场效应管的特征频率L比双极型晶体管的要高出数倍，在设计6GHz以上频段的微波晶体管电路一般都使用微波场效应管。2、噪声微波场效应本征晶体管的噪声来源主要是是沟道热噪声和感应栅噪声。沟道噪声由沟道电导所产生，它与管芯各方面尺寸和外加偏压有关，可用一个噪声电流源表示，即其中P是与偏压有关的常数。感应栅噪声是源栅间沟道电阻在栅级上感应的噪声，它也与管芯各方面尺寸有关，可用一个噪声电流源表示，即其中R是偏压常数。知道这两个噪声源后，可画出场效应管的噪声等效电路如下图所示图2-6 场效应管的等效电路2.3 高电子迁移率晶体管随着分子束外延（MBE）和金属有机化合物化学气相淀积外延（MOCVD）技术的兴起和发展，使得半导体的纵向尺寸加工，有可能小到电子的德布罗意波长，加上采用三元素化合物半导体材料，可以通过改变材料组分来控制材料的能带结构，以获得不同晶格结构和不同禁带宽度的半导体材料。这样就出现了多种新型微波三极管，高电子迁移率晶体管（HEMT）是其中最具代表和最实用的一种。最基本的HEMT结构如图2.7所示。在半绝缘的GaAs衬底上，采用分子束外延技术，连续生长高纯（非掺杂）的GaAs层，掺Si的N型AlGaAs层和掺Si的高掺杂层。完成材料生长后，用常规半导体工艺，制作S、G、D并完成管芯的装配，就构成HEMT. 图2-7 P-HEMT的结构图在薄层N-AlGaAs的两边，存在着两种结，一边是金属-半导体接触的肖特基栅结，另一边则是未掺杂GaAs形成的异质结。在肖特基结的作用下，N-AlGaAs层被耗尽，同时也由于GaAs电子亲合力更大，将使N-AlGaAs中的自由电子转移到未掺杂的GaAs一侧的狭窄势阱中，形成二维电子气（2DEG）。这部分电子与AlGaAs层中施主杂质在空间上是分离的，因而电子是在未掺杂的薄层中运动，受杂质散射的影响很小，在电场作用下将有较高的电子迁移率。这种电子迁移率的提高并没有降低载流子的浓度，因而HEMT的微波性能有很大提高，在HEMT中，2DEG厚度很薄，电子不能超出这一层作垂直运动，只能沿着平面做二维运动，故HEMT也成为“二维器件”。GaAs FET是通过栅极的肖特基势垒来控制沟道的宽窄，从而控制漏极电流；而HEMT的工作原却是通过栅极的肖特基势垒控制AlGaAs/GaAs异质结中的二维电子气的浓度，从而控制漏极电流。尽管HEMT的工作原理与常规FET不同，但其电流-电压曲线、工作特性和使用方法却是和常规FET完全相同。HEMT基本上是由异质结构组成，这些异质结构具有协调的晶格系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的进展着，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