第2章 射频元器件及电路模型要点

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本章目录
第一节 无源集总元件
第二节 射频二极管
第三节 双极型晶体管 第四节 场效应晶体管 第五节 双极型器件和场效应器件的比较
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知识结构
无源集总元件
电阻器 电容器 电感器 无源元件的射频特性 肖特基二极管 PIN二极管 变容二极管 IMPATT二极管 耿氏二极管 其它二极管 双极型晶体管工作特性
串联设置下偏置PIN二极管的衰减器电路
并联设置下的偏置二极管的衰减器电路
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§2.2 射频二极管
2.2.3 变容二极管 变容二极管是利用PN结电容与其反向偏置电压依赖关系 及原理制成的二极管。它是一种非线性元件，它通常用做可 变电抗电路元件，主要产生三种基本不同的电路功能：谐波
产生、微波信号调谐和调制、参量放大和上变频。
陶瓷电容器的结构
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§2.1 无源集总元件
2.1.3 电感器 电感器在射频/微波电路设计中常用于偏置、反馈和匹配 等电路，是一种重要的元器件。 1、MMIC中的电感器 在单片微波集成电路中，最常见的是螺旋电感器，它具 有结构紧凑、面积相对较小、电感量较大、自谐振频率高、 品质因素高等特点。
图2.10 螺旋电感器示意图
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§2.1 无源集总元件
2、HMIC中的电阻器 混合集成电路中，常见的电阻器有线绕电阻、碳质电阻、 金属膜电阻和薄膜片状电阻等类型。其中，由于薄膜片状电 阻具有体积小、可以作为贴片器件等优点，使得它广泛应用 于现今的RF和MW电路中。
贴片电阻的结构示意图
表贴电阻器的等效电阻
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§2.1 无源集总元件
射 频 元 器 件 及 电 路 模 型
射频二极管
双极型晶体管
异质结双极型晶体管
场效应晶体管
MESFET工作特性 高电子迁移率晶体管 PHEMT技术 金属氧化物场效应管 CMOS技术 BiCMOS技术
双极型器件和场效应器件的ft和fmax 双极型器件和场效应器件的噪声性能 双极型器件和场效应器件的功率与线性度性能
§2.1 无源集总元件
（2）交指型电容器 交指型电容器由一组平行的交错排列的薄导带构成。交 指型电容器的电容量随着交指长度呈近似线性关系。其结构 如下图所示：
图2.7 结构版式布局
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图2.8 电容器与交指长度的函数关系
§2.1 无源集总元件
2、HMIC中的电容器 在混合集成电路中，片状电容得到了广泛的应用。陶瓷 电容是一种常见的贴片电容器，它由其间交叠着的若干金属 电极矩形陶瓷介质和金属接触片组成，其结构如下图所示：
双极型器件和场 效应器件的比较
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§2.1 无源集总元件
2.1.1 电阻器 1、MMIC中的电阻器 单片射频/微波集成电路中，电阻器主要通过在半导体基片的 掺杂区域沉积一层阻性材料如NiCr、TaN金属膜或多层多晶硅等进 行生产，其结构及RF等效电路如下图所示：
电阻器的结构图
电阻器的简化RF等效电路
* 2
A
- IRS
1)
反向饱和电流为：
qVb IS A( R T exp[ ]) kT
Si基肖特基二极管的截面图
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§2.2 射频二极管
附加有绝缘环的肖特基二极管
典型肖特基二极管的电路模型
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§2.2 射频二极管
2.2.2 PIN二极管 PIN二极管的I-V特性的数学表达与电流的大小和方向有 关。对轻掺杂N型本征层在PIN二极管两端的电压为正向电压 时，流过PIN二极管的电流为：
第2章 射频元器件及电路模型
本章重点介绍了电感器、电容器、电阻器等无源集总元件 的物理结构、射频特性及等效电路模型；射频二极管、双 极型晶体管、场效应晶体管的等效电路模型、模型与应用 ；并对比分析了双极型和场效应两类晶体管的频率、功率 和噪声性能。
教学 重点
能力 教学 要求 重点
掌握：双极型晶体管、场效应晶体管的物理结构、射频特 性等效电路模型。 了解：电感器、电容器、电阻器等无源集总元件的物理结 构、射频特性及等效电路模型。 熟悉：各类射频二极管的等效电路模型、功能与应用。
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§2.1 无源集总元件
47pF电容的阻抗绝对值与频率的关系
RFC阻抗绝对值随频率的变化关系
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§2.2 射频二极管
2.2.1 肖特基二极管 肖特基二极管是以贵金属为正极，以N型半导体为负极， 利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属半导体器件。 电流-电压特性方程为：
I Is (eV
qni2W V I A( )(e N D P
A
/(2VT )
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经台面处理技术加工成的PIN二极管结构
PIN二极管的简化结构
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§2.2 射频二极管
PIN二极管在衰减器电路中既用于串联又用于并联的情况 PIN二极管工作时需DC回路提供偏置电压，而DC回路必须与 射频信号通路分开，因此可用一射频线圈RFC，RFC在DC电路 中短路而在高频下开路。与此相反，电容在DC电路中开路而 在高频下短路。
变容二极管的简化电路模型及其电容特性
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§2.2 射频二极管
2.2.4 IMPATT二极管 IMPATT是仅有的实用固态器件，其典型的工作频率为 10-300GHz，且具有比较高的功率，其效率可达15%。
图2.12 电感器一种简化等效电路
图2.13 空心螺旋管电感器
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§2.1 无源集总元件
2.1.4 无源元件的射频特性 电阻、电容和电感是最为常见的三种无源元件，广泛应 用于射频/微波电路设计中。在频率较低的情况下，这些元 件可近似为理想元件，而在射频/微波频段，必须考虑这些
元件的寄生参数效应。
500欧金属膜电阻的阻抗绝对值随频率的变化关系
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图2.11 螺旋电感器的RF等效电路
§2.1 无源集总元件
2、HMIC中的电感器 在混合集成电路设计中，电感器常用于晶体管的偏置电 路。最常用的电感器是用漆包线在圆柱体上绕制而成。考虑 线绕电感器的寄生参数效应，线圈的导线不是理想的，需要 考虑其损耗，并且相邻绕线间存在的分离移动电荷会产生寄 生电容效应。
2.1.2 电容器 电容器是射频/微波电路设计必备的元器件，广泛应用于 隔直、匹配、耦合、旁路、滤波、调谐等电路。 1、MMIC中的电容器 （1） 金属-绝缘层-金属（MIM)电容器 通常在两个金属板间填充一层电介质材料夹层便可形成 金属-绝缘层-金属电容器。
金属-绝缘层-金属电容器的结构图
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电容器的集总元件式等效电路