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射频微波晶体管的发展现状及分析

2022-10-19 高速射频百花潭 阅读:
本文对当前各种类型射频微波晶体管的结构特点、性能和应用情况进行了分析和综述。对晶体管的发展历史进行了全面而细致的回顾,指明了今后射频微波晶体管的发展特点和发展趋势,得出了射频微波晶体管的选型原则。

1 引     言k7Hednc

半导体技术的发展,促进了射频微波功率器件的发展,从而也为无线通信系统发射前端提供了保证。功率放大器作为无线通信前端发射模块的关键器件,经历了四个阶段:分别是应用瞬态放电、电弧放电和振荡放电的放大器,电子管放大器、分立晶体管和集成晶体管放大器。功率放大器的发展趋于向小型化、集成化、宽带化、线性化、高功率低电压的方向发展,使得整个发射模块能够集成到一个芯片上,同时做到低功耗、高线性、高频率应用的目的。对于放大器设计者和系统设计者来说,选用什么类型的晶体管和功率放大器是影响放大器性能和系统性能的重要因素。20 世纪60~80年代,晶体管的类型比较单一,主要是B J T 和MESFET,选择类型比较容易,但实现功能比较单一,频率范围也比较小。80 年代以后,不同类型晶体的研制成功,实现功能和使用的频率范围进一步扩大,选用不同类型的晶体管和不同应用场合的功率放大器变得比较困难,设计工程师必须对各种类型的晶体管及其性能有比较清楚的认识,才能做出正确的判断。本文就是基于此目的,对射频微波用晶体管的类型、历史进程和发展趋势进行综述,使相关领域人员对目前各种类型的晶体管有一个比较清楚的认识,从而对选型做出正确的判断。

2 类型与性能分析k7Hednc

射频微波晶体管分为双极晶体管和单极晶体管。双极晶体管是指pnp 或npn 型这类有两种极性不同的载流子参与导电机构的晶体管,也称晶体三极管(BJT)。单极晶体管只有一种载流子参与导电机构,通常指场效应晶体管(F E T )。另外两种扩展类型的晶体管就是异质结双极晶体管(H B T )和高电子迁移率晶体管(H E M T ),它们也分别属于双极晶体管和场效应晶体管。下面分别对这几种类型的晶体管及引申类型进行描述和性能分析。k7Hednc

2.1 双极结型晶体管(BJT)k7Hednc

硅双极晶体管是最早的固态射频功率器件,由于双极晶体管是纵向器件,基极击穿电压和功率密度都很高。硅基双极晶体管通常工作于28 V电压下,频率可达5GHz,尤其可应用在高功率(1kW)脉冲雷达中。硅基射频功率器件除了在高频率上有高增益外,其他属性与普通双极晶体管一样。BJT 的正温度系数往往会导致电流上翘、预热效应和击穿效应,因此必须仔细调整基极偏压。特征频率fT反映了晶体管的微波放大性能,它是当共发射极短路电流增益|hfe|=1的频率。分析可知,晶体管的特征频率与其结构参数密切相关。为了提高fT,应对晶体管的设计和工艺采取一些措施,如减小发射极面积、减小基区宽度或适当选择基区掺杂浓度,从而减小发射极到集电极总的时延。但它总会受到工艺条件的限制,因此微波双极晶体管的特征频率不可能很高。当要求频率更高时,场效应管将显得更加优越。k7Hednc

2.2 场效应晶体管(FET)k7Hednc

FET 属于电子半导体器件,源极和漏极之间形成沟道,沟道内的载流子传导受控于栅极电压形成的沟道电场。JFET 主要应用于分立元件电路,小信号应用M O S 管,功率放大用L D M O S 和G a A sMESFET ,其中GaAs MESFET 可用于低功率放大,也可用于高功率放大。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)用绝缘栅构建而成,大多是采用双向扩散工艺生产的。由于绝缘栅不传导直流电流,偏置容易,负温度系数使漏电流随温度升高而减小,防止了热击穿并允许多个管子并联。基极无电荷存储加快了开关速度, 消除了副谐波振荡。纵向射频功率MOSFET 应用于VHF 和UHF 频段。Gemini 封装器件在HF 波段发送功率1kW,在VHF 波段可以发送几百瓦。VMOS 管通常工作电压为12,28 或50V。k7Hednc

LDMOS 主要应用于UHF 和微波频率低端,因为源端直接接地消除了焊接线电感,这样不会产生负反馈,减少高频段的增益。LDMOS 器件通常工作电压为28 V,频率2 GHz,可获得输出功率120W。和该频率范围内的其他器件相比,这种器件成本较低,同时具有高功率增益、高效率、线性度好、单工作电压和固有良好热结构等优点,因此它是目前900 MHz和2 GHz频率上高功率晶体管优先选择的器件。k7Hednc

功率应用结型场效应晶体管(JFET)通常也叫作静态感应晶体管(SIT)。基于Si,SiGe 和SiC,UHF 频段上的射频JFET 可以获得良好的功率和效率。JFET目前在微波与射频集成电路中很少使用,因为它的截止频率低且跨导和夹断电压离散性大。k7Hednc

GaAs 金属半导体FET(GaAs MESFET)是具有GaAs 基和肖特基栅结的JFET。它们比Si 基器件迁移率高,能够高效地工作在较高频率上。GaAs MESFET 广泛应用于微波功率放大,封装形式2 GHz 频率上达到200 W,20 GHz 上达到40 W。与MOSFET 或JFET 相比,有较低的夹断电压,通常工作于5~10 V。大多数MESFET 是耗尽型器件,需要负栅极偏压。由于输入电容随电压变化,其线性度较差,输出电容也随偏压和频率而变化。提高fT需要提高跨导gm和减小栅源之间的分布电容Cgs,栅源分布电容可以通过缩短栅长获得,因此短栅能够改善微波场效应管的高频性能。k7Hednc

2.3 HFET/HEMT)k7Hednc

异质结是20世纪80年代发展起来的新型半导体材料,其工作频率已进入毫米波段,且噪声低、功率大,是微波功率所必需的器件。异质结是由两种不同的半导体材料构成的结,微波波段的异质结通常是AlGaAs/GaAs 或InGaAs/GaAs。HFETs 和HEMT 是属于异质结MESFET,其结构是在半绝缘GaAs 衬底上生长一层未掺杂的GaAs,再生长一层n-AlGaAs,形成异质结,然后在AlGaAs 上分别制作肖特基结和欧姆接触,引出源、栅、漏三个电极。在异质结中G a A s 一侧有一层二维电子气(2 D E G ),由于G a A s 中不含电离施主,电子所受的散射将大大减小,从而导致很高的迁移率,进而改善了高频性能。k7Hednc

赝配H E M T(P H E M T)通过采用I n G a A s 沟道进一步改善了基本的HEMT。就GaAs 来说,In所增加的迁移率增加了带隙的不连续性,进而增加了大量的二维电子气内载流子。然而,InGaAs 沟道和GaAs 基片之间的晶格失配也会增加,这限制了In 的含量只能达到22%。使用PHEMT 功率放大器效率45 GHz 后开始下降,PHEMT 可以应用的频率高达80 GHz。功率输出从L 波段的40 W 到V 波段的100 mW。InP HEMT 是将AlInAs/GaInAs 异质结置于InP 衬底上,晶格匹配程度较高,允许In的含量达到约50%。迁移率更高,依次增加了电子速度、导带不连续性、二维电子气和高跨导。InP HEMT 通常比PHEMT 和GaAs HEMT 的效率提高两倍。k7Hednc

变质H E M T (M H E M T )是使高I n 含量的沟道建立在GaAs 衬底上。高的电子迁移率和高峰值饱和速率能够产生比P H E M T 器件更高的增益。M H E M T 由于相当低的击穿电压(< 3 V )一般在较低功率应用。k7Hednc

2.4 异质结双极晶体管(HBT)k7Hednc

通常情况下,HBT 是基于混合物半导体材料AlGaAs/GaAs。AlGaAs 发射结做的尽可能窄以减小基极电阻。基极是p 型掺杂 GaAs 薄层,势垒由异质结(A l G a A s / G a A s)产生,因此,基极掺杂可以减小其电阻。目前,AlGaAs/GaAs HBT能够产生几瓦的功率输出,广泛地应用在无线手机中,同时GaAs HBT 也应用在频率X 波段MMIC 电路中,甚至高达20 GHz 功率放大器中。k7Hednc

SiGe HBT 是使用SiGe 衬底,增加了工作频率,减小了基底电阻。然而,和GaAs HBT 相比其效率和夹断电压较低。报道的SiGe HBT 在L 波段输出功率超过了200 W。k7Hednc

InP HBT 使用InP 衬底,进一步提高了迁移率,从而提高了高频性能。另外,InP HBT 有低的开启电压和膝电压,这能够产生高的增益和效率。集电结中的InP 增加了击穿电压,能够产生高的输出功率。目前为止,已经展示了频率为20 GHz大约0.5 W的功率输出,但是可以预料工作在50~60 GHz 是有可能的。k7Hednc

2.5 宽带隙晶体管k7Hednc

SiC MESFET的宽带隙能够产生高的迁移率和大的夹断电压。因此,SiC MESFET 具有和GaAsM E S F E T 一样的频率响应,但是夹断电压是S iLDMOS 的两倍。产生10 W/mm 的功率密度,是GaAs MESFET 的10 倍。SiC 衬底的高热电导率尤其适用于高功率应用。SiC MESFET 通常工作在48V 的供电电压下。当前可以得到10 W功率输出的器件,60 W 或者更高已经在实验室得到验证。k7Hednc

3 射频微波晶体管的历史进程k7Hednc

自从1947年发明了双极结型晶体管以后,器件工程师投入了很大精力,以提高射频晶体管的速度和工作频率。50年代开发了第一个频率为1 GHz左右Ge BJT。之后,Si 基和GaAs 基 BJT 在高频段获得应用。1970 年,性能好的Si BJT 在频率为1,2 和4 GHz 提供的最小噪声系数分别为1.3,2.6 和4 dB,而频率分别为1.2,2 和4 GHz 提供的输出功率分别为100,20 和5 W。1968 年,对GaAsBJT 的研究兴趣变淡,更多转到了GaAs FET 上。1966 年,C.Mead 提出了第一个GaAs MESFET,并奠定了在射频电子领域的应用。一年后,报道了fmax 为3 GHz 的晶体管。1970 年,fmax 达到30 GHz左右,超过了当时其他类型的晶体管。1973 年频率达到100 GHz。70年代中期,低噪声和功率GaAsM E S F E T 获得了商用。k7Hednc

80年代后,随着频率范围和要求的提高, IIIVHEMT 和III-V HBT 获得发展。70 年代后期,贝尔实验室通过实验将未掺杂的GaAs 和n 型掺杂的AlGaAs 组成外延生长异质结构,证实了二维电子气(2DEG)的存在。2DEG 的电子迁移率比GaAs的要高很多。因此,工程师对利用高电子迁移率的2DEG开发晶体管结构产生了较大的兴趣并进行了大量的研究。早期的HEMT 是由AlGaAs/GaAs 异质结材料组成,具有比GaAs MESFET 好的射频性能,尤其是在最小噪声系数和输出功率方面,但是性能的改善并没有达到预期效果。这样,80 年代中期,引入了AlGaAs/InGaAs 异质结,这个时期有两种主要类型的H E M T ,分别是A l G a A s /InGaAs/ GaAs 和InAlAs/InGaAs/InP HEMT。对于In0.2Ga0.8As 异质结,就形成了GaAs PHEMT。GaAs PHEMT 在90 年代早期开始商用化,目前广泛应用于低噪声和功率放大。InP HEMT 比GaAspHEMT 性能更优,并随着技术的成熟得到更广泛的应用。k7Hednc

双极晶体管的异质结想法几乎和双极晶体管同时出现。1948 年,W.Skockldy 阐述了由宽带隙发射极和窄带隙基区组成双极晶体管的优势。这种结构,HBT 能获得高的fT 和fmax。随着外延生长技术的改进,尤其是分子束外延(M B E ),能获得高质量的异质结构。80 年代早期出现了GaAs HBT,目前具有AlGaAs 和InGaP 发射极的GaAs HBT 已经商用化并大量用于无线通信的功率放大。在开发InP HBT 上也投入了大量的工作,InP HBT 具有比GaAs HBT 更高的fT 和fmax。另外,出于对成本的考虑,在满足性能的情况下,用硅基器件代替化合物半导体器件是研究的一个方向,因此使用硅基开发了SiGe HBT器件,由SiGe 基极层嵌入到Si发射结和Si集电结之间形成。1987年开发了第一个SiGeHBT,目前先进的SiGe HBT 的fT 和fmax 能达到200GHz。k7Hednc

90 年代晶体管的研究朝三个方向方向发展:一个是Si MOSFET,主要是连续尺度缩小和短栅SiMOS 工艺的日益成熟使得其在GHz 较低段成为主要应用对象,比如频率为2.5 GHz 的LDMOSFET 和小信号RFCMOS 电路已经获得商用。第二个方向是宽带隙半导体的研究,如SiC 和III 氮化物,以大功率输出为目的,主要器件有SiC MESFEF 和AlGaN/GaN HEMT,SiC MESFET 已经获得商用化,fT 和fmax 超过100 GHz 的AlGaN/GaN HEMT 同时具有高输出功率密度也被报道。第三个方向是变质HEMT(G a A s M H E M T )的研究。k7Hednc

经过RF 晶体管近40 多年的发展,工作频率连续提高,这主要是通过缩小关键器件的尺寸,引入异质结和利用新型半导体材料获得的。最近几年的研究,也是在以前研究的基础上,不断改进工艺,优化结构,加入新型材料以及降低成本。Yi-FengWu等人报道了频率为8 GHz、功率密度为9.8 W/mm 的AlGaN/GaN HEMT。K. K. Chu 等人实现了独立的GaN介质上功率密度为9.4W/mm的AlGaN/GaN HEMT,其中工作电压为50V,工作频率为10GHz,相应的功率附加效率为40%。J. S. Moon报道了用于厘米波高性能的凹陷栅AlGaN/GaNH E M T,工作频率3 0 G H z,连续波功率密度为5.7W/mm,PAE 为45%,漏极效率为58%,Vds 为20 V。A. Minko等人则验证了一种以高阻抗硅为基底的0.17 μ m T 型栅长度的AlGaN/GaN HEMT。Keith Nellis等人对线性手机功率放大器双极技术进行比较,分别为GaAs HBT,Si BJT,SiGe HBT和InP HBT。Zoran Radivojevic等人[6]提出了为了改善LDMOS 性能的新型材料层状铜,提高了器件的热性能和热传导率。k7Hednc

4 展望与结论k7Hednc

通过以上对射频微波晶体管的回顾,可以看到,各种类型、不同频率、不同性能的晶体管不断地被开发研制成功。与过去相比,在设计放大器时,有了更多的选择,但选择的难度也加大了。过去这种技术很多是应用到军事上,设计时只考虑性能而不考虑成本,而目前更多的用于民用,需要在满足性能的情况下获得最低的成本。从技术发展的形势看,晶体管的研究和应用主要从几个方面发展:大用户市场(工作频率在2.5 GHz 以下),以Si MOSFET,Si CMOS,BiCOMS,SiGe HBT等为主要发展和研究对象,主要是其低成本的优势,这主要利用先进的工艺技术克服硅基半导体所固有的缺陷,改进性能,满足该类晶体管的放大要求。文献都对CMOS晶体管及其放大器进行了比较和报道。在频率2.5 GHz 以上,主要应用和研究对象属于GaAs 基晶体管,包括有(MESFET,H E M T ,H B T 等)。超过4 0 G H z 频率高性能的应用主要采用InP 基晶体管。后两种晶体管通常采用异质结构、In 含量的掺杂浓度、以及栅极尺寸等来改善晶体管的性能,比如功率密度、晶体管特征频率等。文献报道了工作频率在100GHz左右的H E M T 。从材料价格考虑,以上三种是逐步增大。以宽带隙半导体(S i C ,G a N )作为基底的晶体管也取得了进展,K. K. Chu 等人报道了这种类型的晶体管。作为一个放大器设计或者是系统设计工程师,应该对射频微波晶体管有一个全面的了解,在选择晶体管或者射频微波放大器时,主要考虑的因素有工作频率、性能要求及成本,有时基本满足性能要求的情况下,成本是第一要考虑的。要根据实际情况作出恰到好处的选择。随着工艺技术的提高,Si基晶体管与相应的放大器适用频率和应用范围会不断扩大,越来越多的性能极佳、成本较低的Si基晶体管被研制出来。适用更高性能、更高频率的晶体管也会获得进一步的发展,成本也会随着工艺的日益成熟而下降。k7Hednc

    随着第三代移动通信系统的迅速发展,通信设备中的半导体器件的选择成为主要的问题。几年前,无线通信设备所用的半导体器件多为G a A sMESFET。目前无线通信系统用的器件种类繁多,包括异质结双极晶体管、赝配高电子迁移率晶体管、各类锗-硅器件和横向扩散金属-氧化物半导体(L D M O S )器件等。最近两年,很多半导体公司如freescale 对LDMOS 器件做了大量的研究,已对GaAs 和Si 双极器件构成很大威胁,并已成为基站功率放大器的重要选择。移动电话领域的主导器件仍是MESFET 功率放大器,但最新统计数字显示,MESFET 无线功率器件的市场份额正在逐渐减少。可能取代MESFET 用于下一代手机,最有竞争实力的应是GaAs HBT。SiGe 是另一种具有多种不同形式的工艺技术。SiGe 具有极佳的噪声系数,可以在一块芯片上集成低噪声放大器和中频/混频器芯片。在低噪声放大器、中频、混频器和VCO 领域,SiGe 有望与GaAs 展开竞争。k7Hednc

作者:南敬昌,黎淑兰,刘元安,唐碧华k7Hednc

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