第三章微波晶体管放大器1.ppt

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微波晶体管放大器微波晶体管放大器张张小小川博士川博士23.13.1微波晶体管的总类与特性微波晶体管的总类与特性TransistorInputMatchingNetworkOutputMatchingNetwork50WW50WWDCBiasCircuit33.13.1微波晶体管种类与特性微波晶体管种类与特性BipolarTransistorsFieldEffectTransistorBJT：

BBipolaripolarJJunctionunctionTTransistorransistor双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管双极型晶体管Si,0.1-3GHzSi,0.1-3GHz，易匹配、价格低，易匹配、价格低，易匹配、价格低，易匹配、价格低，放大器、振荡器。

放大器、振荡器。

放大器、振荡器。

放大器、振荡器。

HBT：

HHeteroJunctioneteroJunctionBBipolaripolarTTransistorransistor异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管GaAs,AlGaAs,2-20GHzGaAs,AlGaAs,2-20GHz，低相噪振荡器、功放低相噪振荡器、功放低相噪振荡器、功放低相噪振荡器、功放。

JFET:

JJunctionunctionFETFET4FieldEffectTransistorMESFET：

MMetaletalSSemiconductoremiconductorFETFET，金属半导体场效应晶金属半导体场效应晶体管体管GaAs,2-12GHz，振荡器、功放。

振荡器、功放。

HEMT:

HighElectronMobilityTransistor，高电子迁移率晶体，高电子迁移率晶体管管,GaAs,AlGaAs,2-40GHzPHEMT:

PPseudoseudomorphicmorphicHEMTHEMT，赝晶型高电子迁移率晶赝晶型高电子迁移率晶体管体管GaAs,AlGaAs,2-40GHz，LNA。

MOSFET:

MMetaletalOOxidexideSSemiconductoremiconductorFET3.13.1微波晶体管种类与特性微波晶体管种类与特性5BJTBJT硅双极型硅双极型微波晶体管微波晶体管WbBaselengthCollectorbufferlayerCollectorsubtrate集电极集电极C发射极发射极发射极发射极EE基极基极B基极基极B0.1um1.5um125umCbe=ttbgm扩散电容障碍扩散电容障碍rbbrecbebrccrbc6硅BJT顶视图发射极发射极E基极基极B发射极发射极E基极基极BPowerBJTEmitterwidth0.5-2umEmitterPeriphery（length）1um7BJTBJT封装封装低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管双极晶体管共射极简化等效电路双极晶体管共射极简化等效电路PackagedependentIntrinsicmodel（Biasdependent）9微波硅双极性晶体管延时延时ttececBaselengthCollectordepletionlayerCollectorsubtrateCEBB0.1um1.5um125umttcttbttdttebttettec=tte+tteb+ttb+ttd+ttc微波硅双极性晶体管微波硅双极性晶体管晶体管的增益带宽积晶体管的增益带宽积ffTT（即特征频率）为：

（即特征频率）为：

式中，是发射极到集电极的总延迟时间；为发射极结电容；为基极-集电极结电容；为连接到基极的任何其他电容；是基区宽度；是一个包括基极区缓变掺杂分布影响在内的因子，对于均匀掺杂，；是耗尽区的渡越时间；是载流子速度；DpB是基区内少子扩散系数。

（这里假定（这里假定）微波硅双极性晶体管为了提高微波双极晶体管为了提高微波双极晶体管为了提高微波双极晶体管为了提高微波双极晶体管的增益带宽积，的增益带宽积，的增益带宽积，的增益带宽积，在设计和工艺上在设计和工艺上在设计和工艺上在设计和工艺上可采取一些措施可采取一些措施可采取一些措施可采取一些措施：

在功率容量和可靠性允许的条件下，应尽量减小发射极面在功率容量和可靠性允许的条件下，应尽量减小发射极面积。

积。

可减小基区宽度可减小基区宽度WB，电极尺寸受工艺水平限制，同时也，电极尺寸受工艺水平限制，同时也影响器件的承受功率影响器件的承受功率。

另另一种方法是恰当地选择基区掺杂浓度与梯度来实现漂移一种方法是恰当地选择基区掺杂浓度与梯度来实现漂移场，加速载流子的运动速度。

场，加速载流子的运动速度。

12异质结双极晶体管（HBT）AlGaAs/GaAsHeterojunction13Heterojunction常用材料Emitter（n+）Base（P）SubstrateAlGaAsGaAsGaAsInAlAsInGaAsInGaAsInGaPGaAsGaAsSiSiGeSiGe14HBTMMICLayout隔离隔离集电极集电极contact基极的基台基极的基台基极基极contact发射极的基台发射极的基台发射发射contact15BJTv.s.HBT相同点：

纵向电流，提供双载子电流不同点BJTHBTB-E接面同质（silicon）异质基极掺杂浓度5x108cm-3HigherrbeVT/IBLowerVSat（e-）0.7x107cm/sHigher2x107Gain（gm）IC/VTHigherBasethickness0.1umSmall0.06umfTfT=gm/2pCbeHigherSubstrateLossyHighresistance低噪声双极晶体管功率增益功率增益GP：

功率增益定义为在某一特定测试条件下，：

功率增益定义为在某一特定测试条件下，晶体管的输出功率与输入功率之比。

晶体管的输出功率与输入功率之比。

低噪声双极晶体管几种功率增益：

几种功率增益：

插入增益GT：

即共射极接法的微波管，插入到特性阻抗为Z0的传输系统中所提供的功率增益。

定义可知：

最大可用功率增益Gmax（或MAG）:

它是指在晶体管输入和输出完全共轭匹配条件下，晶体管所能提供的最大实用功率增益，即最大单向功率增益Gu，它与Gmax的不同在于它忽略内部反馈，即假定S12=0时的最大功率增益为：

低噪声双极晶体管微波双极晶体管微波双极晶体管微波双极晶体管微波双极晶体管GGTT、GGmaxmax、GGuu与频率的关系与频率的关系与频率的关系与频率的关系低噪声双极晶体管噪声系数F：

晶体管噪声系数的基本定义是晶体管的输入端信号/噪声功率比与输出端信号/噪声功率比的比值。

低噪声双极晶体管双极晶体管的噪声来源有三部分：

双极晶体管的噪声来源有三部分：

双极晶体管的噪声来源有三部分：

双极晶体管的噪声来源有三部分：

热噪声：

主要由载流子的不规则热运动引起的，它的大小与热噪声：

主要由载流子的不规则热运动引起的，它的大小与晶体管本身欧姆电阻有关。

晶体管本身欧姆电阻有关。

散粒噪声：

由于电流流动时载流子运动的起伏产生的，其大散粒噪声：

由于电流流动时载流子运动的起伏产生的，其大小与电流成正比。

小与电流成正比。

闪烁噪声：

一般认为与半导体制造工艺及表面处理情况有关。

闪烁噪声：

一般认为与半导体制造工艺及表面处理情况有关。

低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管双极晶体管的噪声系数随频率的变化双极晶体管的噪声系数随频率的变化cornerfrequency功率双极晶体管耗散功率大于耗散功率大于1W1W的晶体管被定义为功率晶体管，它和低的晶体管被定义为功率晶体管，它和低噪声管的不同之处在于功率晶体管要求更大的电流容量以噪声管的不同之处在于功率晶体管要求更大的电流容量以提高输出功率，为提高电流容量就要增大发射极周长以及提高输出功率，为提高电流容量就要增大发射极周长以及发射区和基区面积，微波功率管的设计就是要在发射区和基区面积，微波功率管的设计就是要在尽可能小尽可能小尽可能小尽可能小的基区面积内（满足功率要求）获得最小的发射结面积和的基区面积内（满足功率要求）获得最小的发射结面积和的基区面积内（满足功率要求）获得最小的发射结面积和的基区面积内（满足功率要求）获得最小的发射结面积和最大的发射极周长，最大的发射极周长，最大的发射极周长，最大的发射极周长，这就比低噪声管有更多的结构形式。

这就比低噪声管有更多的结构形式。

目前常用的有三种电极结构，即梳状结构、覆盖结构和网目前常用的有三种电极结构，即梳状结构、覆盖结构和网状结构。

状结构。

功率双极晶体管主要主要主要主要指标有指标有指标有指标有：

输出功率；功率增益输出功率；功率增益；工作类别；工作类别。

输出功率；输出功率；输出功率；输出功率；晶体管的输出功率本质上取决于自身的电流和电压的承受晶体管的输出功率本质上取决于自身的电流和电压的承受能力，微波功率管由于应用场合不同，有几种输出功率定能力，微波功率管由于应用场合不同，有几种输出功率定义，不同定义的输出功率值差别很大。

几种常用的输出功义，不同定义的输出功率值差别很大。

几种常用的输出功率定义为：

率定义为：

饱和输出功率饱和输出功率P0：

指微波功率管在特定测试条件下所能指微波功率管在特定测试条件下所能获得的最大输出功率。

获得的最大输出功率。

功率双极晶体管输出功率线性输出功率线性输出功率P1dB：

也称为也称为1dB1dB增益压缩时的输出功率，增益压缩时的输出功率，晶体管在小信号工作时，其功率增益保持不变，但随着输晶体管在小信号工作时，其功率增益保持不变，但随着输入信号的增大，晶体管开始进入非线性区，这时功率增益入信号的增大，晶体管开始进入非线性区，这时功率增益将随着输入增加而逐渐下降，当增益下降到比线性增益低将随着输入增加而逐渐下降，当增益下降到比线性增益低1dB1dB时，所对应的输出功率即定义为时，所对应的输出功率即定义为1dB1dB压缩输出功率，有压缩输出功率，有时也简称为线性输出功率。

时也简称为线性输出功率。

脉冲输出功率脉冲输出功率Pp：

当晶体管在脉冲工作状态下（脉冲调当晶体管在脉冲工作状态下（脉冲调制微波），所能获得的最大输出功率。

制微波），所能获得的最大输出功率。

线性输出功率P1dBP1dB：

晶体管输入晶体管输入晶体管输入晶体管输入-输出功率曲线输出功率曲线输出功率曲线输出功率曲线饱和工作电平饱和工作电平饱和工作电平饱和工作电平输出信号功率输出信号功率输出信号功率输出信号功率（dBm（dBm）压缩工作区压缩工作区线性工作区线性工作区线性工作区线性工作区（slope=small-signalgain）（slope=small-signalgain）1dB输入信号功率输入信号功率输入信号功率输入信号功率（dBm（dBm）26最大输出功率的估算VBKForpowertransistorForpowertransistorICMAXVkneeClassA:

CH1S211ogMAG1dB/REF32dB30.991dB12.3dBmC2IFBW3kHzSWP420msecSTART55dBmCW902MHzSTOP15dBm1dBcompressionpoint:

输入功率增加导致器件增益下降输入功率增加导致器件增益下降1dBl输出输出1dB压缩点压缩点（绝对测试绝对测试）采用网络分析仪测试采用网络分析仪测试输入输入1dB1dB压缩点压缩点测试功率测试功率测试频率测试频率01dB28最大输出功率最大输出功率:

BFP420BiasforoptimumoutputpowerIC,MAX=35mAx90%（安全安全范围范围）=31.5mAVCE,MAX=4.5V29DC-IVCurive:

BFP42