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文檔簡介
1、 從本質上講,移動通信市場的成功,是以半導體制造技術的發(fā)展與飛躍為基礎的,近年來電信業(yè)、移動電話業(yè)務的大規(guī)模發(fā)展就是很好的例證。 本章首先介紹了用于當代射頻電路的各種各樣有源晶體管,然后對其帶寬、增益、噪聲、功率容量和線性度等關鍵射頻性能進行了對比與分析。3.1 不同材料的比較 隨著硅(Si)基和砷化鎵(GaAs)基化合物半導體的發(fā)展,以及大量雙極型、場效應晶體管的出現,射頻電路設計師可選擇的有源晶體管比以往任何時期都多。 設計師根據所設計電路的應用領域及有源晶體管的規(guī)格要求,最終決定了選擇什么工藝技術。3.1.1 硅基材料簡介 先進的、復雜的后期處理工藝及流程突破了大多數硅技術存在的局限性。
2、 硅基雙極型晶體管技術及電路技術主要的突破是:(1)最小化電容量的設計方法(2)多金屬層技術的發(fā)展與進步 多層金屬化技術是:在物理意義上表示各金屬層彼此分開,而且各金屬層的屏蔽電路的關鍵元件不受導電性襯底的影響,并且在金屬層之間,引進低介電常數的絕緣層,從而降低了互連電容量。 3.1.2 砷化鎵基材料簡介 與硅襯底相反,砷化鎵襯底是半絕緣材料,因此,不存在上述寄生電容、高損耗或低Q因子的局限性。 砷化鎵半導體技術的優(yōu)勢在于:它們固有的射頻性能比硅基雙極型晶體管技術優(yōu)越得多,并且它們適用于制造光電子集成晶體管。3.2 雙極型晶體管 大部分雙極型晶體管是由硅制成的。 不過,砷化鎵雙極型晶體管由于工
3、作頻率、高溫工作特性和抗輻射性能等方面的改善,而獲得了很好的應用前景。 3.2.1 雙極型晶體管的歷史簡介 雙極型晶體管是Shockley、Bardeen和Brittain等人在1948年發(fā)明的。 就射頻應用而言,在超高頻(UHF)至S波段的頻率范圍內雙極型晶體管占統(tǒng)治地位。 先進的雙極型晶體管可在高至22 GHz頻率處產生有效功率,并可工作在Ka波段。3.2.2 雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管是一種PN結晶體管,由背靠背的結構所構成。雙極型晶體管可看成是一個具有基極、發(fā)射極和集電極的三端晶體管,如下圖所示: 在正常工作條件下,發(fā)射極-基極間的PN結處于正向偏置,而集電極-基極之間PN結
4、處于反向偏置。在這種配置情況下,電子將穿越發(fā)射極進入基極,并在集電極擴散。 由于設計的基區(qū)厚度與少數載流子擴散長度相比較薄,幾乎所有的電子都到達集電極-基極之間的PN結。這些電子在處于反向偏置的PN結中的強電場作用下迅速到達集電極。因此,發(fā)射極和集電極電流實際上是相等的。3.2.3 雙極型晶體管的頻率性能 雙極型晶體管的工作特性由發(fā)射極、基極和集電極中流過的電流控制電壓來實現,響應也受到加載于晶體管PN結間的電壓控制。 對最大頻率響應而言,晶體管應工作在大集電極電流和低集電極-基極電壓的條件下。 直流工作特性 雙極型晶體管作為一個放大器,共有兩種情形:(1)共基極放大器(2)共發(fā)射極放大器 共
5、基極的輸出特性 共發(fā)射極的輸出特性 射頻工作特性 晶體管的集總式元件等效電路如下圖 所示: 截止頻率 欲要截止頻率值大,晶體管應具有高的直流增益、小的基極電阻、小的PN結間電容,并應當工作在大電流狀態(tài)。 反過來,這意味著晶體管應當具有小的橫截面面積,以便最小化電容、高摻雜濃度的基區(qū)和大的電流增益。 Teff12f 一個晶體管的最大資用增益定義為:輸入和輸出兩端口都滿足最佳匹配條件時,前向功率增益。 最高工作頻率定義為:最大資用增益降低到單位1時的頻率。實際上,寄生效應和二階效應把工作頻率限制在比最高工作頻率低的值。 T2maxc bMAG8ffC r12Tmaxc b8ffC r3.3 場效應
6、晶體管 GaAs MES FET是微波模擬和高速數字集成電路中最常用的、最重要的有源晶體管之一。金屬半導體場效應晶體管有源極、漏極和柵極三個端口。 當晶體管工作時,即漏極-源極電壓增大時,電流通過晶體管柵極下的導電溝道從源極流向漏極。該電流-電壓(I-V)特性是線性的,且直接遵循制造該晶體管所用半導體的速度-電場特性。 在正常工作條件下,金屬半導體場效應晶體管的源極接地,若為N型溝道工作(電流的載體是電子),相對于源極,漏極處于正偏置,肖特基柵極可以處于正偏置(前向)或者負偏置(反向)。 當柵極上加載了負偏置電壓,對于給定的漏極偏置電壓,可在晶體管中產生一個較高的電場。因此,柵極上偏置電壓越負
7、,發(fā)生電流飽和所對應的漏極電壓將越低。 反向偏置的導通,決定了場效應晶體管的工作特性,因此,有兩種可能的工作模式:(1)當這種晶體管可以設計成:柵偏置為零時,溝道內仍然有電流流過。這一工作狀態(tài)出現在較厚的溝道內,并稱為“正常導通”。(2)這種晶體管也可設計成具有較窄的溝道,使零偏置耗盡區(qū)足以夾斷該溝道,導致溝道電流中斷。這種狀態(tài)被稱做“正常斷開”。 半導體場效應晶體管的直流工作特性 金屬半導體場效應晶體管的射頻工作特性 金屬半導體場效應晶體管的集總元件式等效電路如下圖所示:effTg2vfL 最大資用增益(MAG)定義為:輸入與輸出端口同時共軛匹配時,可達到的最大功率增益。 最大振蕩頻率定義為
8、:MAG下降到單位1時的頻率。 2TgisTgdgisds(/)MAG44(2)ffRRRf CRRRR Tmax12gisTggdds2(2)ffRRRf R CR 為了最優(yōu)化MAG和最大振蕩頻率,必須滿足實現高截止頻率的許多要求,但是除這些要求之外,也必須最小化柵極電阻。 使用柵極指數技術能達到最優(yōu)化MAG和最大振蕩頻率這一目的。 然而,柵極指數增多將導致電極間電容量顯著增加,其限制了晶體管的截止頻率和最大振蕩頻率。 3.4 異質結雙極型晶體管 異質結雙極型晶體管有效地克服了雙極型晶體管截止頻率低與場效應晶體管1/f噪聲高的缺點,在很高的頻率時,仍具有較高的增益、較低的噪聲。 目前,異質結
9、雙極型晶體管的已超過100 GHz,由它構成的振蕩器相位噪聲比場效應晶體管構成的振蕩器低2030 dB。 3.4.1 雙極型晶體管與場效應晶體管的比較 前面小節(jié)已經介紹了當今射頻電路中,廣泛應用的雙極型和場效應晶體管技術的種類及工作特性,下面將描述與它們相關的射頻性能特性。 接下來比較以上所介紹的每種技術的噪聲、增益、功率處理能力和線性度。 噪聲性能 (1)所有晶體管在低頻段時,噪聲主要起源于材料中的、結間的交界面上的、襯底表面上的捕獲效應。這些效應疊加在一起,給出了噪聲功率譜密度,具有1/f的關系。 (2)在1/f拐角處頻率以上,噪聲由電流散粒噪聲和電流通路中電阻產生的約翰遜噪聲決定。 (3
10、)隨著頻率增高,晶體管中電容將晶體管內產生的散粒噪聲和約翰遜噪聲一起耦合到晶體管的輸入和輸出端。 實現高截止頻率、最大工作頻率和MAG的雙極型和場效應晶體管,要求同時優(yōu)化兩種晶體管的垂直結構的許多參量和處理技術。 滿足當代射頻電路應用的成品率、體積、可靠性和成本要求時,將是硅和砷化鎵技術研究者面臨的挑戰(zhàn)。 雙極型和場效應晶體管的功率和線性度性能 (1)對于功率放大器設計而言,功率處理能力和線性度性能是重要的標志性指標參量。 (2)一個晶體管的功率處理能力,可通過晶體管能承載的最大和最小的電壓和電流值來定義。 (3)從晶體管技術觀點來看,最小化晶體管的接入電阻,同時最大化擊穿電壓,并且在確定的晶體管幾何結構條件下最大化驅動電流容量是很重要的。人有了知識,就
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