微波晶体管放大器设计VIP免费

微波晶体管放大器设计导师：陈建新学生：潘海鑫1.引言随着通信技术特别是无线通信技术的飞速发展，人们对于无线通信终端的要求进一步提高，作为承担天线感应下来的微弱信号放大任务的低噪声放大器也必须进一步的适应通信信号对其的要求。通信信号本身就是高频载波信号，这就要求低噪声放大器能够在高频情况下工作。由于硅器件的截止频率fT为50GHz的理论极限已在日趋接近。在这种情况下，由于三~五族化合物半导体GaAs的电子迁移率比硅高出5倍，目前的戒指频率fT已经超过了100GHz，集成化技术也取得很大进展，但是GaAs材料具有明显的缺点：价格贵它的晶片制造工艺复杂，难度大，机械强度不好，容易碎片；热导率低，只有硅材料的1/3。更主要的是GaAs工艺与硅平面工艺不能兼容。使得现有的无法继续使用，如更换器材成本太大。所以这些缺点很大程度上影响了GaAs器件及其集成电路技术的发展。在本世纪80年代，在硅片上外延生长出了高质量的SiGe应变材料，人们利用“能带工程”理论成功地研制出Si1-xGex基区的双极性异质结晶体管，由于Si1-xGex应变材料，电子迁移率高，其禁带宽度可通过Ge组分变化调节的优点，显示出独特的有价值的物理性质。在高频、高速、光电、低温等器件及集成电路应用方面有非常重要的意义。2.国内外SiGe技术的研发现状早在20世纪50年代中期，Kroemer就提出异质结器件的原理和概念。由于Si和Ge晶格失配达4％，SiGe材料的制备有很大难度。直到80年代，异质结技术才有明显发展。早期在Si衬底上生长SiGe外延层的研究主要采用MBE方法。1975年，Kasper等人发表了关于在Si衬底上MBE生长Si/Ge超晶格的文章，对SiGe生长中由于晶格失陪引起的位错以及位错对电学和光学性能的影响进行了许多研究，生长出全应变，低缺陷密度的高质量SiGe/Si异质结材料。随后各种SiGe/Si异质结期间相继研制成功，如：SiGeHBT，应变SiGe沟道的P-MosFET和驰豫SiGe/Si应变电子沟道N-MosFET。目前SiGeHBT的fT超过200GHz，2GHz下，噪声系数〈0.5dB，不但可以用于移动通信，并完全快满足局域网和光纤通信的要求。1998年德国TEMIC和美国IBM公司先后宣布SiGe器件量产，此后SiGe器件开始快速应用于1-40GHz的通讯和超高速电路领域，特别是SiGe高频低噪声和大功率产品广泛应用于各类通信领域，产生巨大商业价值。国内在技术研究方面相对国际比较落后。清华大学微电子所自行研制了适于工业生产的UHV/CVD式单片SiGe外延设备，并用此设备生长出器件质量的Si/SiGe异质结材料。3.SiGeHBT的基本性质（补充能带图，并讲清楚能带变化带来的好处，有个公式）SiGeHBT中的SiGe材料作基区，由于Ge在Si中的引入，使基区禁带宽度变小，能带结构发生变化。由于这种变化，SiGeHBT呈现出许多优于Si同质结双极晶体管的重要特性，而它又具有GaAs不可比拟的价格上的优势，所以SiGeHBT在无线通讯和光纤通讯中得到广泛的应用。基区SiGe中Ge含量的分布可以有均匀、三角、体型等形态。3.1SiGeHBT的直流特性直流增益β和厄利电压Va是HBT直流的重要参数。他们都和SiGeHBT基区Ge含量有关。对于RF和微波应用，他们的乘积也是一个重要指标，βVa值越大，输出电流对偏置电压的波动越不敏感，输出越稳定。3.2SiGeHBT的交流特性SiGeHBT的交流频率主要有两个参数表征，即交流截至频率fT和最大震荡频率fMAX。交流截至频率（或电流增益截至频率）fT，定义为电流增益为1时的频率；最大震荡频率fMAX，则定义为功率增益为1时的频率。截止频率表达为гb、гc、和гe分别表示载流子在基区、发射区和收集去的传输时间分别表示载流子在EB结耗尽区和CB结耗尽区的渡越时间。一般而言fT由基区渡越时间和发射区渡越时间决定。这两个渡越时间都是因为Ge的掺入而减小，所以得到很大的提高。最大震荡频率表达式如下其中，为基区电阻，为收集极-基极电容。模拟分析表明，Ge的存在减小了基区电阻。当基区掺杂浓度高时，Ge含量越高基区电阻越小。电阻的减小是由于载流子迁移率提高的结果。相比而言，同质结BJT为保证电流增益，必须很大（NE，NB分别为E区和B区掺杂浓度），由于基区掺杂较小较大，fMAX必然很小，因而电流增益β和fMAX是相互制约的。在SiGe/SiHBT中，...