射頻微波晶體管的發(fā)展現(xiàn)狀及分析

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)用情況進行了分析和綜述。對晶體管的發(fā)展歷史進行了全面而細致的回顧，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。

1 引     言

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，促進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一步擴大，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、歷史進程和發(fā)展趨勢進行綜述，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5GHz，尤其可應(yīng)用在高功率（1kW）脈沖雷達中。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）。基于Si，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 頻率上達到200 W，20 GHz 上達到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80年代發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體材料，其工作頻率已進入毫米波段，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。基極是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 達到30 GHz左右，超過了當(dāng)時其他類型的晶體管。1973 年頻率達到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，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，目前先進的SiGe HBT 的fT 和fmax 能達到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，這主要利用先進的工藝技術(shù)克服硅基半導(dǎo)體所固有的缺陷，改進性能，滿足該類晶體管的放大要求。文獻都對CMOS晶體管及其放大器進行了比較和報道。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。可能取代MESFET 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