射频元器件及电路模型资料

1、1 第2章 射频元器件及电路模型 本章重点介绍了电感器、电容器、电阻器等无源集总元件 的物理结构、射频特性及等效电路模型；射频二极管、双 极型晶体管、场效应晶体管的等效电路模型、模型与应用 ；并对比分析了双极型和场效应两类晶体管的频率、功率 和噪声性能。 教学 重点 教学 重点 掌握：双极型晶体管、场效应晶体管的物理结构、射频特 性等效电路模型。 了解：电感器、电容器、电阻器等无源集总元件的物理结 构、射频特性及等效电路模型。构、射频特性及等效电路模型。 熟悉：各类射频二极管的等效电路模型、功能与应用。 能力 要求要求 2 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

2、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 3 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

3、器件的噪声性能 4 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 5 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 6 2.1 无源集总元件

4、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 7 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 8 2.1 无源集总元件 2、HMIC中的电容器

5、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 9 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 10 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

6、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 11 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 12 2.1 无源集总元件 47pF电容的阻抗绝

7、对值与频率的关系 RFC阻抗绝对值随频率的变化关系 13 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： AS - s (1) VIR II e? *2b S (exp) qV IA R T kT ? ? 14 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 15 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

8、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 AT 2 /(2)i DP ()(1) VV qn W IAe N? ? 16 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 17 2.2 射频二极管 2.2.3

9、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 18 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 19 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

10、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。 20 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

11、晶体管的结构图 双极型晶体管的横截面结构图 21 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。 22 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

12、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 ） 1 22 2 d g ssB 3 16 q Nq E k T? ? ? ? ? g B - ndee pab E k T D N x e D N W ? ? ? 23 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 24 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

13、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。 T 2 c b 8 f f MAG C r? ? 1 2 T max c b 8 f f C r? ? ? ? ? 25 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： 2 bopt min 2 e0b 1 (1) rR f F rf ? ? ? ? 其中： 2 221/ 2 ebe optbopt 2 0b (2) (1) rrrf RrX f? ? ? ? 22 TE e opt 2 0

14、b 2 (1) fCrf X f ? ? ? ? 22 0 22 0bb 1 (1 )(1) ff a ff ? ? ? 26 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 bgcv EEE? ? ? 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： g Bndee Pab E k T D N x e D N W ?

15、 ? ? ? ? 27 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 28 2.4 场效应晶体管 1. MESFET的直流工作特性 m g DS V GS V DS I m g 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： DS DS m G

16、S V I g V? ? ? ? ? 常量 MESFET 示意图 MESFET 的输出特性 29 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 30 2.4 场效应晶体管 ? ? 2 T sis Tgdgis ds 442 ff MAG RRR f CRRR R ? ? ? ? ? ? ? T max 1 2 gis Tggd ds 22 f f RRR f R C R ? ? ? ? ? ? 最大可用增益： 最大振荡频率： MESFET 的集总元件式等效电路 31

17、 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 22 minmi TT 2(1)2(1)()1 fPf FPRCg PRC fRf ? 其中： 2 nd0m 4ikTfg P? 1 dsm ()PR g ? ? 22 gs2 ng0 m 4 W C R ikTf g ? * ndnd 22 ngnd i gi C i gi ? 32 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

18、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 33 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： DS DS2D V Iq n W s ? 在饱和区域内： DS2Deff Iqnv W? 34 2.4 场效应晶体管 2. HEMT模型 DS I 右图是等效电路元件值与栅极-源

19、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 35 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

20、结构图及其导带图 36 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 37 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

21、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 38 2.4 场效应晶体管 3. MOS晶体管的频率特性 T f T f 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 m T gsgbgd = + g CCC ?时， m TT gsgbgd 11 22 g f CCC ? ? ? ? 假设器件固有电容 ，当 时： gs () gbgd CCC? DS 1V? mGST

22、DS ()2 WW gkVVkI LL ? ，在饱和区或放大区有： gs ox 2 3 CWLC? 从而可得： n TGST 2 1.5() 2 fVV L ? ? ? NMOS晶体的电路图 39 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 ndd0 4iKTrgf? （2）栅噪声 感应的栅噪声 栅噪声： 2 ngg 4iKT gf? 参数 22 gs g d0 5 C g g ? ? 40 2.4 场效应晶体管 2.4.5 CM

23、OS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 41 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。 42 2.5 双极型器件和场效应器件的比较 T f max f 2.5.1 双极型器件和场效应器件的 和 T f max f 各种晶体管技术的各种晶体管技术的 和和 比较比较 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