微波晶体管(20190306)

特点： d≈1/3L,电学特性与PN结类似，但抗过载能力，抗击穿能力
E
B
图1-4 微波晶体管梳状结构图
低噪声晶体管：3~5条；功率晶体管：10~20几条。
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
微波双极晶体管 （BJT----Bipolar junction transisitor）
2、双极晶体管工作原理
从半导体材料上三个 区各自接出一根导线作 BJT的三个电极，形成发 射，基极和集电极。
1、种类：
PN结型场效应晶体管（JFETJunction FET)
绝缘栅型场效应晶体管（IGFETInsulated-Gate FET）
金属-半导体场效应晶体管（MES FET - Metal Epitaxial-Semiconductor FET）。
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
三、微波场效应晶体管
IC要选择一个最佳值，此时噪声系数最小。
低噪声微波晶体管，约为24毫安。
④ Fmin ∝ f 2
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
4、微波双极晶体管的性能参数
（2）噪声
当f<f1时，
F
微波晶体管可以忽略
E
闪烁噪 声区
热噪声区
分配噪 声区
当f1<f<f2时 热噪声和散弹噪声
0
f1
2、微波FET的结构和等效电路 结构
S和D与N半导体之间形成 欧姆接触
G的金属与N半导体之间形成 肖特基势垒
S d
-+
+ - UGS G
UDS
ID
L
D
ID
空间电荷区 N 型外延层 半绝缘 GaAs 基片
MESFET结构示意图
基本绝缘的高电阻率本征GaAs材料作衬底，衬底上生长 0.15~0.35μm的外延层（沟道）。在沟道上光刻引出G\S\D.
IE=IC+IB αIE=IC (1-α)IE=IB
IC IB 1
1
第一章 晶体管放大器
例：ΔI b ＝ 10 μA ， β ＝ 50 ，根据 ΔI c ＝ βΔI b 的关系式，集电极电流的变化量 ΔI c ＝ 50×10 ＝ 500μA ，实现了电流放大。
微波电子线路
二、微波双极晶体管源自文库
(
f fT
)2
Fmin ∝f2
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
4、微波双极晶体管的性能参数
（2）噪声
Fm in 1 h(1
1 2 ) h
h

0.04 I C rb
(
f fT
)2
说明： ① F随h单调地变化
② 指出了降低微波晶体管噪声系数的途径
要减小Fmin,可提高fT，减小rb，也可减小IC ③ 最小噪声系数是IC的函数， IC，会使发射结电 阻增大，将导致发射结充电时间增大，从而使fT 降低。
一、概述
参量放大器
微
波
微波晶体管放大器
高
频
量子放大器
放
大
雪崩二极管放大器
器
转移电子器件放大器
双极晶体管放大器
GaAs MES FET 放大器 HEMT放大器 HBT放大器 分布式放大器
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
一、概述
微波晶体管的频率极限和允许的电压极 限方程由下式决定
11012
Um fT
微波电子线路
二、微波双极晶体管
微波双极晶体管 （BJT----Bipolar junction transisitor） 1、微波双极晶体管结构
集边效应：在双极晶体管 中，由于基区存在电阻，ib 横向流动时，产生一个横 向电压降，导致发射区内 的电压各处不均匀，边缘 上最大，使发射极电流只 集中在发射极的周界上。
第一章 微波晶体管放大器
第一节 微波接收机的噪声 第二节 微波晶体管 第三节 小信号微波晶体管放大器的性能分析 第四节 新型微波晶体管及电路 第五节 微波晶体管功率放大器 第六节 参量放大器
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
第二节 微波晶体管
主要内容：
一、概述 二、微波双极晶体管 三、微波场效应晶体管
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
一、概述
制备工艺的发展： 近年来，单片微波集成电路（MMIC）发展
十分迅速，它将为雷达、电子对抗、通信等领域 提供各种低噪声、多功能的固态器件，为研制全 固态雷达等电子装备奠定雄厚的物质基础。
发展方向：高频率、低噪声、大功率及高效率 。
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
2、双极晶体管工作原理 （2）电子在B区的扩散和复合
电子扩散到B区， 在B区形成浓度差，使 其继续向C区扩散。但 有一部分与B区空穴复 合，形成Ib。 应尽量减少复合量： 1.减小B区尺寸； 2.降低B区掺杂浓度；
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
目的要求：
1、了解微波晶体管的作用及发展； 2、了解BJT及FET的结构特点； 3、掌握BJT及FET的性能参数；
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
第二节 微波晶体管 教学思路：
晶体管作用、 特点及
发展方向
BJT、FET 结构特点
BJT、FET 工作原理
对比分 析，加 深理解
第一章 晶体管放大器
性能参数 微波电子线路
f2
BJT噪声-频率特性图
f 当f>f2时 噪声随频率升高而显著增大
为使晶体管工作在白噪声区，特征频率比工作频率高35倍！
fT=(35)f
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
性能特点：
（1）微波双极晶体管的载流子在基区的扩散时间相对较长；
（2）微波双极晶体管的势垒电容和扩散电容都不可能太小；
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
一、概述
制备工艺的发展：
80年代后，金属有机化学气相淀积、分子束外 延，离子注入，电子束光刻、移相掩模、准分子激 光光刻以及集成电路的封装、测试等制造工艺技术 的进步，使超薄外延层的厚度及杂质浓度得以精确 控制，所生长的异质界面能达到原子级的光滑和陡 峭，使噪声更低、频率更高的异质结器件迅速发展。
3、双极晶体管等效电路
共发射极之小信号管芯等效电路.
共射极电路有较高的功率
cc
增益、输入和输出阻抗接近于
B rb
C ZC (传输线特性阻抗） 、稳定
ib re
β ib
ce
rc
性好，用得比较普遍。
ie
rb基极串联电阻
E
E re发射结结电阻
(a) 共发射极
rc集电极串联电阻 cc集电结耗尽层电容
2、双极晶体管工作原理 （3）电子被C极收集
由于C结加反向偏 压，使电子一道C结就 被外电场加速，进入C 区,形成IC 。
B区及C区少子受 到外电场作用相互漂 移，形成ICBO。
ICBO对放大没有贡献，且易受温度影响，造成BJT工作不稳定。
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
2、双极晶体管工作原理
ce发射结耗尽层电容
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
3、双极晶体管等效电路
共基极小信号管芯等效电路.
ce
E
re
ie
rb
cc α ie ib
C
rc
B
B
(b) 共基极
第一章 晶体管放大器
共基极放大器特点： 通频带较宽
微波电子线路
二、微波双极晶体管
4、微波双极晶体管的性能参数
（1）特征频率
7、00年以后，纳米技术的晶体管问世。10年后，最新的研究InAs 晶体管已经达到0.167nm量级。
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
一、概述
器件技术的发展：
由Al GaAs/ GaAs异质结做成的高电子迁移 率晶体管(HEMT )及HEMT放大器的性能就超过了 GaAs FET。与此同时，噪声性能和增益更好的 异质结双极晶体管（HBT）也相继研制成功。
1
fT 2
e b c x
表示微波晶体管的高频放大性能, 即当|hfe|=1,对应的频率。
τe 表示发射极—基极结充电时间； τb 表示基区渡越时间； τc 表示基极—集电极结的充电时间； τx 表示基极—集电极耗尽层渡越时间。
一般: τb 和τx >> τe ,τc 因此要提高fT，必须减小b区宽度和e 极面积，适当地降低b区掺杂浓度，以增加载流子扩散运动
故得到共发射极电路的简化噪声模型为：
图 中：
Cte为势垒电容， Cde为扩散电容。
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
4、微波双极晶体管的性能参数
（2）噪声 根据等效电路模型可以得到共发射极电路最小噪声系数为：
Fm in 1 h(1
1 2 ) h
h

0.04 I C rb
的速度。对于这类管子的特征频率一般<10GHz。
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
4、微波双极晶体管的性能参数
（2）噪声—主要考虑热噪声和散弹噪声
rb产生的热噪声：
un2b 4kTrb B
ib产生的散弹噪声:
in2b 2eIb B
ic产生的散弹噪声:
in2c 2eIc B

EBVS
2
2 1011 11011
V / S(GaAs) V / S(Si) V / S(Ge)
Um：加在器件上的最大允许电压（V）；
EB：半导体材料的介质击穿电场(V/m)；
V s：载流子的饱和漂移速度（m/s） 。
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
一、概述
材料
Si ：VS=2.8×106 cm/s； GaAs：VS=1.7×107 cm/s； InP：VS=2.5×107cm/s；
对InP及其化合物材料（InGaAs），其电
子迁移率μ 、电子饱和漂移速度VS、热导率 和击穿场强等特性明显优于GaAs 。三元化合
物材料比二元化合物具有更高的VS和μ ，工 作频率更高。
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
一、概述
微波晶体管的发展
1、1948年发明双极晶体管，但工作频率不高。
2、60年代晶体管进入微波频段，但特征频率在10GHZ左右已到极 限。
第一章 晶体管放大器
应如何设计？
微波电子线路
二、微波双极晶体管
微波双极晶体管 （BJT----Bipolar junction transisitor） 1、微波双极晶体管结构
由于高频集边效应影响严 重，要求发射极周长与面积之 比应尽可能地大，则当发射极 周长一定时，发射结面积最小， 可以减小管子的输入、输出电 容，提高器件的发射极效率和 高频性能。
工作条件： 内部：B区掺杂浓度最低； 外部：发射结加正向偏置； 集电结加反向偏置。
BJT内部载流子运动情况图
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
2、双极晶体管工作原理 （1）E向B注入电子
由于E结外加正向 偏置，E区多子向B区 扩散，形成电流Ie(B区 空穴的扩散忽略不记)
BJT内部载流子运动情况图
3、1966出现肖特基势垒砷化镓场效应晶体管
4、70年代后GaAS技术发展迅速，工作频率到毫米波段。
5、HBT,HEMT研究日益展开。 6、90年代后，商业化发展兴起，MMIC (Monolithic Microwave
Integrated Circuit)发展迅速。InP，InGaP,SiGe，InGaAs,等异 质结结构研究及工艺的进步。
一、概述
各种高放的噪声性能
① 隧道二极管放大器 ② 双极晶体管放大器 ③常温参放 ④FET放大器 ⑤HEMT放大器 ⑥低温参放 ⑦低温HEMT放大器 ⑧量子放大器
第一章 晶体管放大器
Tn K 2000
1000
①
500
200
④
②
100
③
50
⑤
20 ⑥
10
5
⑦
2
⑧
GHz)
1
0.1 0.2 0.5 1 2 5 1T 0 20 50 100 200
（3）扩散随机性使微波双极晶体管的噪声也不可能很小，且 随工作频率升高不断恶化； （4）微波双极晶体管是电流控制器件，输入阻抗较低，难以
实现高频段的匹配；
微波双极晶体管的fT在10GHz以下！
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
三、微波场效应晶体管
场效应晶体管 (FET—field effect transistor)
图1-3各 类MTA噪声性能
微波电子线路
一、概述
微波接收系统中晶体管放大器必须满足条件：
1、噪声系数小 2、功率放大倍数达到一定数值，一般为100倍 3、具有一定的稳定性 4、具有一定通频带
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
微波双极晶体管 BJT----Bipolar junction transistor
第一章 晶体管放大器
微波电子线路
二、微波双极晶体管
微波双极晶体管 （BJT----Bipolar junction transisitor） 1、微波双极晶体管结构
封装形式：有同轴型和带状引线型。
e
e
c
b
b
c
b
c
e
e
(a)
(b)
(c)
同轴型 用于功率放大,振荡器； 微带型 用于低噪声放大 。
第一章 晶体管放大器