射频电路设计技术第三章.ppt

第3章 有源晶体管 从本质上讲，移动通信市场的成功，是以半导体制造技术的发展与飞跃为基础的，近年来电信业、移动电话业务的大规模发展就是很好的例证。 本章首先介绍了用于当代射频电路的各种各样有源晶体管，然后对其带宽、增益、噪声、功率容量和线性度等关键射频性能进行了对比与分析。 3.1 不同材料的比较 随着硅（Si）基和砷化镓（GaAs）基化合物半导体的发展，以及大量双极型、场效应晶体管的出现，射频电路设计师可选择的有源晶体管比以往任何时期都多。 设计师根据所设计电路的应用领域及有源晶体管的规格要求，最终决定了选择什么工艺技术。 3.1.1 硅基材料简介 先进的、复杂的后期处理工艺及流程突破了大多数硅技术存在的局限性。 硅基双极型晶体管技术及电路技术主要的突破是： （1）最小化电容量的设计方法 （2）多金属层技术的发展与进步 多层金属化技术是：在物理意义上表示各金属层彼此分开，而且各金属层的屏蔽电路的关键元件不受导电性衬底的影响，并且在金属层之间，引进低介电常数的绝缘层，从而降低了互连电容量。 3.1.2 砷化镓基材料简介 与硅衬底相反，砷化镓衬底是半绝缘材料，因此，不存在上述寄生电容、高损耗或低Q因子的局限性。 砷化镓半导体技术的优势在于：它们固有的射频性能比硅基双极型晶体管技术优越得多，并且它们适用于制造光电子集成晶体管。 3.2 双极型晶体管 大部分双极型晶体管是由硅制成的。 不过，砷化镓双极型晶体管由于工作频率、高温工作特性和抗辐射性能等方面的改善，而获得了很好的应用前景。 3.2.1 双极型晶体管的历史简介 双极型晶体管是Shockley、Bardeen和Brittain等人在1948年发明的。 就射频应用而言，在超高频（UHF）至S波段的频率范围内双极型晶体管占统治地位。 先进的双极型晶体管可在高至22 GHz频率处产生有效功率，并可工作在Ka波段。 3.2.2 双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管是一种PN结晶体管，由背靠背的结构所构成。双极型晶体管可看成是一个具有基极、发射极和集电极的三端晶体管，如下图所示： 在正常工作条件下，发射极-基极间的PN结处于正向偏置，而集电极-基极之间PN结处于反向偏置。在这种配置情况下，电子将穿越发射极进入基极，并在集电极扩散。 由于设计的基区厚度与少数载流子扩散长度相比较薄，几乎所有的电子都到达集电极-基极之间的PN结。这些电子在处于反向偏置的PN结中的强电场作用下迅速到达集电极。因此，发射极和集电极电流实际上是相等的。 3.2.3 双极型晶体管的频率性能 双极型晶体管的工作特性由发射极、基极和集电极中流过的电流控制电压来实现，响应也受到加载于晶体管PN结间的电压控制。 对最大频率响应而言，晶体管应工作在大集电极电流和低集电极-基极电压的条件下。 直流工作特性 双极型晶体管作为一个放大器，共有两种情形： （1）共基极放大器 （2）共发射极放大器 共基极的输出特性 共发射极的输出特性 射频工作特性 晶体管的集总式元件等效电路如下图 所示： 截止频率 欲要截止频率值大，晶体管应具有高的直流增益、小的基极电阻、小的PN结间电容，并应当工作在大电流状态。 反过来，这意味着晶体管应当具有小的横截面面积，以便最小化电容、高掺杂浓度的基区和大的电流增益。 一个晶体管的最大资用增益定义为：输入和输出两端口都满足最佳匹配条件时，前向功率增益。 最高工作频率定义为：最大资用增益降低到单位1时的频率。实际上，寄生效应和二阶效应把工作频率限制在比最高工作频率低的值。 3.3 场效应晶体管 GaAs MES FET是微波模拟和高速数字集成电路中最常用的、最重要的有源晶体管之一。金属半导体场效应晶体管有源极、漏极和栅极三个端口。 当晶体管工作时，即漏极-源极电压增大时，电流通过晶体管栅极下的导电沟道从源极流向漏极。该电流-电压（I-V）特性是线性的，且直接遵循制造该晶体管所用半导体的速度-电场特性。 在正常工作条件下，金属半导体场效应晶体管的源极接地，若为N型沟道工作（电流的载体是电子），相对于源极，漏极处于正偏置，肖特基栅极可以处于正偏置（前向）或者负偏置（反向）。 当栅极上加载了负偏置电压，对于给定的漏极偏置电压，可在晶体管中产生一个较高的电场。因此，栅极上偏置电压越负，发生电流饱和所对应的漏极电压将越低。 反向偏置的导通，决定了场效应晶体管的工作特性，因此，有两种可能的工作模式： （1）当这种晶体管可以设计成：栅偏置为零时，沟道内仍然有电流流过。这一工作状态出现在较厚的沟道内，并称为“正常导通”。 （2）这种晶体管也可设计成具有较窄的沟道，使零偏置耗尽区足以夹断该沟道，导致沟道电流中断。这种状态被称