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射頻微波晶體管的發(fā)展現(xiàn)狀及分析

發(fā)布時間:2022-11-09 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】對當(dāng)前各種類型射頻微波晶體管的結(jié)構(gòu)特點、性能和應(yīng)用情況進(jìn)行了分析和綜述。對晶體管的發(fā)展歷史進(jìn)行了全面而細(xì)致的回顧,指明了今后射頻微波晶體管的發(fā)展特點和發(fā)展趨勢,得出了射頻微波晶體管的選型原則。


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1 引     言


半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了射頻微波功率器件的發(fā)展,從而也為無線通信系統(tǒng)發(fā)射前端提供了保證。功率放大器作為無線通信前端發(fā)射模塊的關(guān)鍵器件,經(jīng)歷了四個階段:分別是應(yīng)用瞬態(tài)放電、電弧放電和振蕩放電的放大器,電子管放大器、分立晶體管和集成晶體管放大器。功率放大器的發(fā)展趨于向小型化、集成化、寬帶化、線性化、高功率低電壓的方向發(fā)展,使得整個發(fā)射模塊能夠集成到一個芯片上,同時做到低功耗、高線性、高頻率應(yīng)用的目的。對于放大器設(shè)計者和系統(tǒng)設(shè)計者來說,選用什么類型的晶體管和功率放大器是影響放大器性能和系統(tǒng)性能的重要因素。20 世紀(jì)60~80年代,晶體管的類型比較單一,主要是B J T 和MESFET,選擇類型比較容易,但實現(xiàn)功能比較單一,頻率范圍也比較小。80 年代以后,不同類型晶體的研制成功,實現(xiàn)功能和使用的頻率范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,選用不同類型的晶體管和不同應(yīng)用場合的功率放大器變得比較困難,設(shè)計工程師必須對各種類型的晶體管及其性能有比較清楚的認(rèn)識,才能做出正確的判斷。本文就是基于此目的,對射頻微波用晶體管的類型、歷史進(jìn)程和發(fā)展趨勢進(jìn)行綜述,使相關(guān)領(lǐng)域人員對目前各種類型的晶體管有一個比較清楚的認(rèn)識,從而對選型做出正確的判斷。


2 類型與性能分析


射頻微波晶體管分為雙極晶體管和單極晶體管。雙極晶體管是指pnp 或npn 型這類有兩種極性不同的載流子參與導(dǎo)電機構(gòu)的晶體管,也稱晶體三極管(BJT)。單極晶體管只有一種載流子參與導(dǎo)電機構(gòu),通常指場效應(yīng)晶體管(F E T )。另外兩種擴(kuò)展類型的晶體管就是異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(H B T )和高電子遷移率晶體管(H E M T ),它們也分別屬于雙極晶體管和場效應(yīng)晶體管。下面分別對這幾種類型的晶體管及引申類型進(jìn)行描述和性能分析。


2.1 雙極結(jié)型晶體管(BJT)


硅雙極晶體管是最早的固態(tài)射頻功率器件,由于雙極晶體管是縱向器件,基極擊穿電壓和功率密度都很高。硅基雙極晶體管通常工作于28 V電壓下,頻率可達(dá)5GHz,尤其可應(yīng)用在高功率(1kW)脈沖雷達(dá)中。硅基射頻功率器件除了在高頻率上有高增益外,其他屬性與普通雙極晶體管一樣。BJT 的正溫度系數(shù)往往會導(dǎo)致電流上翹、預(yù)熱效應(yīng)和擊穿效應(yīng),因此必須仔細(xì)調(diào)整基極偏壓。特征頻率fT反映了晶體管的微波放大性能,它是當(dāng)共發(fā)射極短路電流增益|hfe|=1的頻率。分析可知,晶體管的特征頻率與其結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。為了提高fT,應(yīng)對晶體管的設(shè)計和工藝采取一些措施,如減小發(fā)射極面積、減小基區(qū)寬度或適當(dāng)選擇基區(qū)摻雜濃度,從而減小發(fā)射極到集電極總的時延。但它總會受到工藝條件的限制,因此微波雙極晶體管的特征頻率不可能很高。當(dāng)要求頻率更高時,場效應(yīng)管將顯得更加優(yōu)越。


2.2 場效應(yīng)晶體管(FET)


FET 屬于電子半導(dǎo)體器件,源極和漏極之間形成溝道,溝道內(nèi)的載流子傳導(dǎo)受控于柵極電壓形成的溝道電場。JFET 主要應(yīng)用于分立元件電路,小信號應(yīng)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。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)用絕緣柵構(gòu)建而成,大多是采用雙向擴(kuò)散工藝生產(chǎn)的。由于絕緣柵不傳導(dǎo)直流電流,偏置容易,負(fù)溫度系數(shù)使漏電流隨溫度升高而減小,防止了熱擊穿并允許多個管子并聯(lián)?;鶚O無電荷存儲加快了開關(guān)速度, 消除了副諧波振蕩??v向射頻功率MOSFET 應(yīng)用于VHF 和UHF 頻段。Gemini 封裝器件在HF 波段發(fā)送功率1kW,在VHF 波段可以發(fā)送幾百瓦。VMOS 管通常工作電壓為12,28 或50V。


LDMOS 主要應(yīng)用于UHF 和微波頻率低端,因為源端直接接地消除了焊接線電感,這樣不會產(chǎn)生負(fù)反饋,減少高頻段的增益。LDMOS 器件通常工作電壓為28 V,頻率2 GHz,可獲得輸出功率120W。和該頻率范圍內(nèi)的其他器件相比,這種器件成本較低,同時具有高功率增益、高效率、線性度好、單工作電壓和固有良好熱結(jié)構(gòu)等優(yōu)點,因此它是目前900 MHz和2 GHz頻率上高功率晶體管優(yōu)先選擇的器件。


功率應(yīng)用結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)通常也叫作靜態(tài)感應(yīng)晶體管(SIT)?;赟i,SiGe 和SiC,UHF 頻段上的射頻JFET 可以獲得良好的功率和效率。JFET目前在微波與射頻集成電路中很少使用,因為它的截止頻率低且跨導(dǎo)和夾斷電壓離散性大。


GaAs 金屬半導(dǎo)體FET(GaAs MESFET)是具有GaAs 基和肖特基柵結(jié)的JFET。它們比Si 基器件遷移率高,能夠高效地工作在較高頻率上。GaAs MESFET 廣泛應(yīng)用于微波功率放大,封裝形式2 GHz 頻率上達(dá)到200 W,20 GHz 上達(dá)到40 W。與MOSFET 或JFET 相比,有較低的夾斷電壓,通常工作于5~10 V。大多數(shù)MESFET 是耗盡型器件,需要負(fù)柵極偏壓。由于輸入電容隨電壓變化,其線性度較差,輸出電容也隨偏壓和頻率而變化。提高fT需要提高跨導(dǎo)gm和減小柵源之間的分布電容Cgs,柵源分布電容可以通過縮短柵長獲得,因此短柵能夠改善微波場效應(yīng)管的高頻性能。


2.3 HFET/HEMT)


異質(zhì)結(jié)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體材料,其工作頻率已進(jìn)入毫米波段,且噪聲低、功率大,是微波功率所必需的器件。異質(zhì)結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié),微波波段的異質(zhì)結(jié)通常是AlGaAs/GaAs 或InGaAs/GaAs。HFETs 和HEMT 是屬于異質(zhì)結(jié)MESFET,其結(jié)構(gòu)是在半絕緣GaAs 襯底上生長一層未摻雜的GaAs,再生長一層n-AlGaAs,形成異質(zhì)結(jié),然后在AlGaAs 上分別制作肖特基結(jié)和歐姆接觸,引出源、柵、漏三個電極。在異質(zhì)結(jié)中G a A s 一側(cè)有一層二維電子氣(2 D E G ),由于G a A s 中不含電離施主,電子所受的散射將大大減小,從而導(dǎo)致很高的遷移率,進(jìn)而改善了高頻性能。


贗配H E M T(P H E M T)通過采用I n G a A s 溝道進(jìn)一步改善了基本的HEMT。就GaAs 來說,In所增加的遷移率增加了帶隙的不連續(xù)性,進(jìn)而增加了大量的二維電子氣內(nèi)載流子。然而,InGaAs 溝道和GaAs 基片之間的晶格失配也會增加,這限制了In 的含量只能達(dá)到22%。使用PHEMT 功率放大器效率45 GHz 后開始下降,PHEMT 可以應(yīng)用的頻率高達(dá)80 GHz。功率輸出從L 波段的40 W 到V 波段的100 mW。InP HEMT 是將AlInAs/GaInAs 異質(zhì)結(jié)置于InP 襯底上,晶格匹配程度較高,允許In的含量達(dá)到約50%。遷移率更高,依次增加了電子速度、導(dǎo)帶不連續(xù)性、二維電子氣和高跨導(dǎo)。InP HEMT 通常比PHEMT 和GaAs HEMT 的效率提高兩倍。


變質(zhì)H E M T (M H E M T )是使高I n 含量的溝道建立在GaAs 襯底上。高的電子遷移率和高峰值飽和速率能夠產(chǎn)生比P H E M T 器件更高的增益。M H E M T 由于相當(dāng)?shù)偷膿舸╇妷海ǎ?3 V )一般在較低功率應(yīng)用。


2.4 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)


通常情況下,HBT 是基于混合物半導(dǎo)體材料AlGaAs/GaAs。AlGaAs 發(fā)射結(jié)做的盡可能窄以減小基極電阻?;鶚O是p 型摻雜 GaAs 薄層,勢壘由異質(zhì)結(jié)(A l G a A s / G a A s)產(chǎn)生,因此,基極摻雜可以減小其電阻。目前,AlGaAs/GaAs HBT能夠產(chǎn)生幾瓦的功率輸出,廣泛地應(yīng)用在無線手機中,同時GaAs HBT 也應(yīng)用在頻率X 波段MMIC 電路中,甚至高達(dá)20 GHz 功率放大器中。


SiGe HBT 是使用SiGe 襯底,增加了工作頻率,減小了基底電阻。然而,和GaAs HBT 相比其效率和夾斷電壓較低。報道的SiGe HBT 在L 波段輸出功率超過了200 W。


InP HBT 使用InP 襯底,進(jìn)一步提高了遷移率,從而提高了高頻性能。另外,InP HBT 有低的開啟電壓和膝電壓,這能夠產(chǎn)生高的增益和效率。集電結(jié)中的InP 增加了擊穿電壓,能夠產(chǎn)生高的輸出功率。目前為止,已經(jīng)展示了頻率為20 GHz大約0.5 W的功率輸出,但是可以預(yù)料工作在50~60 GHz 是有可能的。


2.5 寬帶隙晶體管


SiC MESFET的寬帶隙能夠產(chǎn)生高的遷移率和大的夾斷電壓。因此,SiC MESFET 具有和GaAsM E S F E T 一樣的頻率響應(yīng),但是夾斷電壓是S iLDMOS 的兩倍。產(chǎn)生10 W/mm 的功率密度,是GaAs MESFET 的10 倍。SiC 襯底的高熱電導(dǎo)率尤其適用于高功率應(yīng)用。SiC MESFET 通常工作在48V 的供電電壓下。當(dāng)前可以得到10 W功率輸出的器件,60 W 或者更高已經(jīng)在實驗室得到驗證。


3 射頻微波晶體管的歷史進(jìn)程


自從1947年發(fā)明了雙極結(jié)型晶體管以后,器件工程師投入了很大精力,以提高射頻晶體管的速度和工作頻率。50年代開發(fā)了第一個頻率為1 GHz左右Ge BJT。之后,Si 基和GaAs 基 BJT 在高頻段獲得應(yīng)用。1970 年,性能好的Si BJT 在頻率為1,2 和4 GHz 提供的最小噪聲系數(shù)分別為1.3,2.6 和4 dB,而頻率分別為1.2,2 和4 GHz 提供的輸出功率分別為100,20 和5 W。1968 年,對GaAsBJT 的研究興趣變淡,更多轉(zhuǎn)到了GaAs FET 上。1966 年,C.Mead 提出了第一個GaAs MESFET,并奠定了在射頻電子領(lǐng)域的應(yīng)用。一年后,報道了fmax 為3 GHz 的晶體管。1970 年,fmax 達(dá)到30 GHz左右,超過了當(dāng)時其他類型的晶體管。1973 年頻率達(dá)到100 GHz。70年代中期,低噪聲和功率GaAsM E S F E T 獲得了商用。


80年代后,隨著頻率范圍和要求的提高, IIIVHEMT 和III-V HBT 獲得發(fā)展。70 年代后期,貝爾實驗室通過實驗將未摻雜的GaAs 和n 型摻雜的AlGaAs 組成外延生長異質(zhì)結(jié)構(gòu),證實了二維電子氣(2DEG)的存在。2DEG 的電子遷移率比GaAs的要高很多。因此,工程師對利用高電子遷移率的2DEG開發(fā)晶體管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的興趣并進(jìn)行了大量的研究。早期的HEMT 是由AlGaAs/GaAs 異質(zhì)結(jié)材料組成,具有比GaAs MESFET 好的射頻性能,尤其是在最小噪聲系數(shù)和輸出功率方面,但是性能的改善并沒有達(dá)到預(yù)期效果。這樣,80 年代中期,引入了AlGaAs/InGaAs 異質(zhì)結(jié),這個時期有兩種主要類型的H E M T ,分別是A l G a A s /InGaAs/ GaAs 和InAlAs/InGaAs/InP HEMT。對于In0.2Ga0.8As 異質(zhì)結(jié),就形成了GaAs PHEMT。GaAs PHEMT 在90 年代早期開始商用化,目前廣泛應(yīng)用于低噪聲和功率放大。InP HEMT 比GaAspHEMT 性能更優(yōu),并隨著技術(shù)的成熟得到更廣泛的應(yīng)用。


雙極晶體管的異質(zhì)結(jié)想法幾乎和雙極晶體管同時出現(xiàn)。1948 年,W.Skockldy 闡述了由寬帶隙發(fā)射極和窄帶隙基區(qū)組成雙極晶體管的優(yōu)勢。這種結(jié)構(gòu),HBT 能獲得高的fT 和fmax。隨著外延生長技術(shù)的改進(jìn),尤其是分子束外延(M B E ),能獲得高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。80 年代早期出現(xiàn)了GaAs HBT,目前具有AlGaAs 和InGaP 發(fā)射極的GaAs HBT 已經(jīng)商用化并大量用于無線通信的功率放大。在開發(fā)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,出于對成本的考慮,在滿足性能的情況下,用硅基器件代替化合物半導(dǎo)體器件是研究的一個方向,因此使用硅基開發(fā)了SiGe HBT器件,由SiGe 基極層嵌入到Si發(fā)射結(jié)和Si集電結(jié)之間形成。1987年開發(fā)了第一個SiGeHBT,目前先進(jìn)的SiGe HBT 的fT 和fmax 能達(dá)到200GHz。


90 年代晶體管的研究朝三個方向方向發(fā)展:一個是Si MOSFET,主要是連續(xù)尺度縮小和短柵SiMOS 工藝的日益成熟使得其在GHz 較低段成為主要應(yīng)用對象,比如頻率為2.5 GHz 的LDMOSFET 和小信號RFCMOS 電路已經(jīng)獲得商用。第二個方向是寬帶隙半導(dǎo)體的研究,如SiC 和III 氮化物,以大功率輸出為目的,主要器件有SiC MESFEF 和AlGaN/GaN HEMT,SiC MESFET 已經(jīng)獲得商用化,fT 和fmax 超過100 GHz 的AlGaN/GaN HEMT 同時具有高輸出功率密度也被報道。第三個方向是變質(zhì)HEMT(G a A s M H E M T )的研究。


經(jīng)過RF 晶體管近40 多年的發(fā)展,工作頻率連續(xù)提高,這主要是通過縮小關(guān)鍵器件的尺寸,引入異質(zhì)結(jié)和利用新型半導(dǎo)體材料獲得的。最近幾年的研究,也是在以前研究的基礎(chǔ)上,不斷改進(jìn)工藝,優(yōu)化結(jié)構(gòu),加入新型材料以及降低成本。Yi-FengWu等人報道了頻率為8 GHz、功率密度為9.8 W/mm 的AlGaN/GaN HEMT。K. K. Chu 等人實現(xiàn)了獨立的GaN介質(zhì)上功率密度為9.4W/mm的AlGaN/GaN HEMT,其中工作電壓為50V,工作頻率為10GHz,相應(yīng)的功率附加效率為40%。J. S. Moon報道了用于厘米波高性能的凹陷柵AlGaN/GaNH E M T,工作頻率3 0 G H z,連續(xù)波功率密度為5.7W/mm,PAE 為45%,漏極效率為58%,Vds 為20 V。A. Minko等人則驗證了一種以高阻抗硅為基底的0.17 μ m T 型柵長度的AlGaN/GaN HEMT。Keith Nellis等人對線性手機功率放大器雙極技術(shù)進(jìn)行比較,分別為GaAs HBT,Si BJT,SiGe HBT和InP HBT。Zoran Radivojevic等人[6]提出了為了改善LDMOS 性能的新型材料層狀銅,提高了器件的熱性能和熱傳導(dǎo)率。


4 展望與結(jié)論


通過以上對射頻微波晶體管的回顧,可以看到,各種類型、不同頻率、不同性能的晶體管不斷地被開發(fā)研制成功。與過去相比,在設(shè)計放大器時,有了更多的選擇,但選擇的難度也加大了。過去這種技術(shù)很多是應(yīng)用到軍事上,設(shè)計時只考慮性能而不考慮成本,而目前更多的用于民用,需要在滿足性能的情況下獲得最低的成本。從技術(shù)發(fā)展的形勢看,晶體管的研究和應(yīng)用主要從幾個方面發(fā)展:大用戶市場(工作頻率在2.5 GHz 以下),以Si MOSFET,Si CMOS,BiCOMS,SiGe HBT等為主要發(fā)展和研究對象,主要是其低成本的優(yōu)勢,這主要利用先進(jìn)的工藝技術(shù)克服硅基半導(dǎo)體所固有的缺陷,改進(jìn)性能,滿足該類晶體管的放大要求。文獻(xiàn)都對CMOS晶體管及其放大器進(jìn)行了比較和報道。在頻率2.5 GHz 以上,主要應(yīng)用和研究對象屬于GaAs 基晶體管,包括有(MESFET,H E M T ,H B T 等)。超過4 0 G H z 頻率高性能的應(yīng)用主要采用InP 基晶體管。后兩種晶體管通常采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)、In 含量的摻雜濃度、以及柵極尺寸等來改善晶體管的性能,比如功率密度、晶體管特征頻率等。文獻(xiàn)報道了工作頻率在100GHz左右的H E M T 。從材料價格考慮,以上三種是逐步增大。以寬帶隙半導(dǎo)體(S i C ,G a N )作為基底的晶體管也取得了進(jìn)展,K. K. Chu 等人報道了這種類型的晶體管。作為一個放大器設(shè)計或者是系統(tǒng)設(shè)計工程師,應(yīng)該對射頻微波晶體管有一個全面的了解,在選擇晶體管或者射頻微波放大器時,主要考慮的因素有工作頻率、性能要求及成本,有時基本滿足性能要求的情況下,成本是第一要考慮的。要根據(jù)實際情況作出恰到好處的選擇。隨著工藝技術(shù)的提高,Si基晶體管與相應(yīng)的放大器適用頻率和應(yīng)用范圍會不斷擴(kuò)大,越來越多的性能極佳、成本較低的Si基晶體管被研制出來。適用更高性能、更高頻率的晶體管也會獲得進(jìn)一步的發(fā)展,成本也會隨著工藝的日益成熟而下降。


隨著第三代移動通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展,通信設(shè)備中的半導(dǎo)體器件的選擇成為主要的問題。幾年前,無線通信設(shè)備所用的半導(dǎo)體器件多為G a A sMESFET。目前無線通信系統(tǒng)用的器件種類繁多,包括異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、贗配高電子遷移率晶體管、各類鍺-硅器件和橫向擴(kuò)散金屬-氧化物半導(dǎo)體(L D M O S )器件等。最近兩年,很多半導(dǎo)體公司如freescale 對LDMOS 器件做了大量的研究,已對GaAs 和Si 雙極器件構(gòu)成很大威脅,并已成為基站功率放大器的重要選擇。移動電話領(lǐng)域的主導(dǎo)器件仍是MESFET 功率放大器,但最新統(tǒng)計數(shù)字顯示,MESFET 無線功率器件的市場份額正在逐漸減少??赡苋〈鶰ESFET 用于下一代手機,最有競爭實力的應(yīng)是GaAs HBT。SiGe 是另一種具有多種不同形式的工藝技術(shù)。SiGe 具有極佳的噪聲系數(shù),可以在一塊芯片上集成低噪聲放大器和中頻/混頻器芯片。在低噪聲放大器、中頻、混頻器和VCO 領(lǐng)域,SiGe 有望與GaAs 展開競爭。


作者:南敬昌,黎淑蘭,劉元安,唐碧華


來源:趨勢與展望



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