射频微波晶体管的发展现状及分析

射频微波晶体管分为双极晶体管和单极晶体管。双极晶体管是指pnp 或npn 型这类有两种极性不同的载流子参与导电机构的晶体管，也称晶体三极管（BJT）。单极晶体管只有一种载流子参与导电机构，通常指场效应晶体管（F E T ）。另外两种扩展类型的晶体管就是异质结双极晶体管（H B T ）和高电子迁移率晶体管（H E M T ），它们也分别属于双极晶体管和场效应晶体管。下面分别对这几种类型的晶体管及引申类型进行描述和性能分析。

硅双极晶体管是最早的固态射频功率器件，由于双极晶体管是纵向器件，基极击穿电压和功率密度都很高。硅基双极晶体管通常工作于28 V电压下，频率可达5GHz，尤其可应用在高功率（1kW）脉冲雷达中。硅基射频功率器件除了在高频率上有高增益外，其他属性与普通双极晶体管一样。BJT 的正温度系数往往会导致电流上翘、预热效应和击穿效应，因此必须仔细调整基极偏压。特征频率fT反映了晶体管的微波放大性能，它是当共发射极短路电流增益|hfe|=1的频率。分析可知，晶体管的特征频率与其结构参数密切相关。为了提高fT，应对晶体管的设计和工艺采取一些措施，如减小发射极面积、减小基区宽度或适当选择基区掺杂浓度，从而减小发射极到集电极总的时延。但它总会受到工艺条件的限制，因此微波双极晶体管的特征频率不可能很高。当要求频率更高时，场效应管将显得更加优越。

FET 属于电子半导体器件，源极和漏极之间形成沟道，沟道内的载流子传导受控于栅极电压形成的沟道电场。JFET 主要应用于分立元件电路，小信号应用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。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）用绝缘栅构建而成，大多是采用双向扩散工艺生产的。由于绝缘栅不传导直流电流，偏置容易，负温度系数使漏电流随温度升高而减小，防止了热击穿并允许多个管子并联。基极无电荷存储加快了开关速度， 消除了副谐波振荡。纵向射频功率MOSFET 应用于VHF 和UHF 频段。Gemini 封装器件在HF 波段发送功率1kW，在VHF 波段可以发送几百瓦。VMOS 管通常工作电压为12，28 或50V。

LDMOS 主要应用于UHF 和微波频率低端，因为源端直接接地消除了焊接线电感，这样不会产生负反馈，减少高频段的增益。LDMOS 器件通常工作电压为28 V，频率2 GHz，可获得输出功率120W。和该频率范围内的其他器件相比，这种器件成本较低，同时具有高功率增益、高效率、线性度好、单工作电压和固有良好热结构等优点，因此它是目前900 MHz和2 GHz频率上高功率晶体管优先选择的器件。

功率应用结型场效应晶体管（JFET）通常也叫作静态感应晶体管（SIT）。基于Si，SiGe 和SiC，UHF 频段上的射频JFET 可以获得良好的功率和效率。JFET目前在微波与射频集成电路中很少使用，因为它的截止频率低且跨导和夹断电压离散性大。

GaAs 金属半导体FET（GaAs MESFET）是具有GaAs 基和肖特基栅结的JFET。它们比Si 基器件迁移率高，能够高效地工作在较高频率上。GaAs MESFET 广泛应用于微波功率放大，封装形式2 GHz 频率上达到200 W，20 GHz 上达到40 W。与MOSFET 或JFET 相比，有较低的夹断电压，通常工作于5～10 V。大多数MESFET 是耗尽型器件，需要负栅极偏压。由于输入电容随电压变化，其线性度较差，输出电容也随偏压和频率而变化。提高fT需要提高跨导gm和减小栅源之间的分布电容Cgs，栅源分布电容可以通过缩短栅长获得，因此短栅能够改善微波场效应管的高频性能。

异质结是20世纪80年代发展起来的新型半导体材料，其工作频率已进入毫米波段，且噪声低、功率大，是微波功率所必需的器件。异质结是由两种不同的半导体材料构成的结，微波波段的异质结通常是AlGaAs/GaAs 或InGaAs/GaAs。HFETs 和HEMT 是属于异质结MESFET，其结构是在半绝缘GaAs 衬底上生长一层未掺杂的GaAs，再生长一层n-AlGaAs，形成异质结，然后在AlGaAs 上分别制作肖特基结和欧姆接触，引出源、栅、漏三个电极。在异质结中G a A s 一侧有一层二维电子气（2 D E G ），由于G a A s 中不含电离施主，电子所受的散射将大大减小，从而导致很高的迁移率，进而改善了高频性能。

赝配H E M T（P H E M T）通过采用I n G a A s 沟道进一步改善了基本的HEMT。就GaAs 来说，In所增加的迁移率增加了带隙的不连续性，进而增加了大量的二维电子气内载流子。然而，InGaAs 沟道和GaAs 基片之间的晶格失配也会增加，这限制了In 的含量只能达到22%。使用PHEMT 功率放大器效率45 GHz 后开始下降，PHEMT 可以应用的频率高达80 GHz。功率输出从L 波段的40 W 到V 波段的100 mW。InP HEMT 是将AlInAs/GaInAs 异质结置于InP 衬底上，晶格匹配程度较高，允许In的含量达到约50%。迁移率更高，依次增加了电子速度、导带不连续性、二维电子气和高跨导。InP HEMT 通常比PHEMT 和GaAs HEMT 的效率提高两倍。

变质H E M T （M H E M T ）是使高I n 含量的沟道建立在GaAs 衬底上。高的电子迁移率和高峰值饱和速率能够产生比P H E M T 器件更高的增益。M H E M T 由于相当低的击穿电压（＜ 3 V ）一般在较低功率应用。

通常情况下，HBT 是基于混合物半导体材料AlGaAs/GaAs。AlGaAs 发射结做的尽可能窄以减小基极电阻。基极是p 型掺杂 GaAs 薄层，势垒由异质结（A l G a A s / G a A s）产生，因此，基极掺杂可以减小其电阻。目前，AlGaAs/GaAs HBT能够产生几瓦的功率输出，广泛地应用在无线手机中，同时GaAs HBT 也应用在频率X 波段MMIC 电路中，甚至高达20 GHz 功率放大器中。

SiGe HBT 是使用SiGe 衬底，增加了工作频率，减小了基底电阻。然而，和GaAs HBT 相比其效率和夹断电压较低。报道的SiGe HBT 在L 波段输出功率超过了200 W。

InP HBT 使用InP 衬底，进一步提高了迁移率，从而提高了高频性能。另外，InP HBT 有低的开启电压和膝电压，这能够产生高的增益和效率。集电结中的InP 增加了击穿电压，能够产生高的输出功率。目前为止，已经展示了频率为20 GHz大约0.5 W的功率输出，但是可以预料工作在50～60 GHz 是有可能的。

SiC MESFET的宽带隙能够产生高的迁移率和大的夹断电压。因此，SiC MESFET 具有和GaAsM E S F E T 一样的频率响应，但是夹断电压是S iLDMOS 的两倍。产生10 W/mm 的功率密度，是GaAs MESFET 的10 倍。SiC 衬底的高热电导率尤其适用于高功率应用。SiC MESFET 通常工作在48V 的供电电压下。当前可以得到10 W功率输出的器件，60 W 或者更高已经在实验室得到验证。

自从1947年发明了双极结型晶体管以后，器件工程师投入了很大精力，以提高射频晶体管的速度和工作频率。50年代开发了第一个频率为1 GHz左右Ge BJT。之后，Si 基和GaAs 基 BJT 在高频段获得应用。1970 年，性能好的Si BJT 在频率为1，2 和4 GHz 提供的最小噪声系数分别为1.3，2.6 和4 dB，而频率分别为1.2，2 和4 GHz 提供的输出功率分别为100，20 和5 W。1968 年，对GaAsBJT 的研究兴趣变淡，更多转到了GaAs FET 上。1966 年，C.Mead 提出了第一个GaAs MESFET，并奠定了在射频电子领域的应用。一年后，报道了fmax 为3 GHz 的晶体管。1970 年，fmax 达到30 GHz左右，超过了当时其他类型的晶体管。1973 年频率达到100 GHz。70年代中期，低噪声和功率GaAsM E S F E T 获得了商用。

80年代后，随着频率范围和要求的提高， IIIVHEMT 和III-V HBT 获得发展。70 年代后期，贝尔实验室通过实验将未掺杂的GaAs 和n 型掺杂的AlGaAs 组成外延生长异质结构，证实了二维电子气（2DEG）的存在。2DEG 的电子迁移率比GaAs的要高很多。因此，工程师对利用高电子迁移率的2DEG开发晶体管结构产生了较大的兴趣并进行了大量的研究。早期的HEMT 是由AlGaAs/GaAs 异质结材料组成，具有比GaAs MESFET 好的射频性能，尤其是在最小噪声系数和输出功率方面，但是性能的改善并没有达到预期效果。这样，80 年代中期，引入了AlGaAs/InGaAs 异质结，这个时期有两种主要类型的H E M T ，分别是A l G a A s /InGaAs/ GaAs 和InAlAs/InGaAs/InP HEMT。对于In0.2Ga0.8As 异质结，就形成了GaAs PHEMT。GaAs PHEMT 在90 年代早期开始商用化，目前广泛应用于低噪声和功率放大。InP HEMT 比GaAspHEMT 性能更优，并随着技术的成熟得到更广泛的应用。

双极晶体管的异质结想法几乎和双极晶体管同时出现。1948 年，W.Skockldy 阐述了由宽带隙发射极和窄带隙基区组成双极晶体管的优势。这种结构，HBT 能获得高的fT 和fmax。随着外延生长技术的改进，尤其是分子束外延（M B E ），能获得高质量的异质结构。80 年代早期出现了GaAs HBT，目前具有AlGaAs 和InGaP 发射极的GaAs HBT 已经商用化并大量用于无线通信的功率放大。在开发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，出于对成本的考虑，在满足性能的情况下，用硅基器件代替化合物半导体器件是研究的一个方向，因此使用硅基开发了SiGe HBT器件，由SiGe 基极层嵌入到Si发射结和Si集电结之间形成。1987年开发了第一个SiGeHBT，目前先进的SiGe HBT 的fT 和fmax 能达到200GHz。

90 年代晶体管的研究朝三个方向方向发展：一个是Si MOSFET，主要是连续尺度缩小和短栅SiMOS 工艺的日益成熟使得其在GHz 较低段成为主要应用对象，比如频率为2.5 GHz 的LDMOSFET 和小信号RFCMOS 电路已经获得商用。第二个方向是宽带隙半导体的研究，如SiC 和III 氮化物，以大功率输出为目的，主要器件有SiC MESFEF 和AlGaN/GaN HEMT，SiC MESFET 已经获得商用化，fT 和fmax 超过100 GHz 的AlGaN/GaN HEMT 同时具有高输出功率密度也被报道。第三个方向是变质HEMT（G a A s M H E M T ）的研究。

经过RF 晶体管近40 多年的发展，工作频率连续提高，这主要是通过缩小关键器件的尺寸，引入异质结和利用新型半导体材料获得的。最近几年的研究，也是在以前研究的基础上，不断改进工艺，优化结构，加入新型材料以及降低成本。Yi-FengWu等人报道了频率为8 GHz、功率密度为9.8 W/mm 的AlGaN/GaN HEMT。K. K. Chu 等人实现了独立的GaN介质上功率密度为9.4W/mm的AlGaN/GaN HEMT，其中工作电压为50V，工作频率为10GHz，相应的功率附加效率为40%。J. S. Moon报道了用于厘米波高性能的凹陷栅AlGaN/GaNH E M T，工作频率3 0 G H z，连续波功率密度为5.7W/mm，PAE 为45%，漏极效率为58%，Vds 为20 V。A. Minko等人则验证了一种以高阻抗硅为基底的0.17 μ m T 型栅长度的AlGaN/GaN HEMT。Keith Nellis等人对线性手机功率放大器双极技术进行比较，分别为GaAs HBT，Si BJT，SiGe HBT和InP HBT。Zoran Radivojevic等人[6]提出了为了改善LDMOS 性能的新型材料层状铜，提高了器件的热性能和热传导率。

通过以上对射频微波晶体管的回顾，可以看到，各种类型、不同频率、不同性能的晶体管不断地被开发研制成功。与过去相比，在设计放大器时，有了更多的选择，但选择的难度也加大了。过去这种技术很多是应用到军事上，设计时只考虑性能而不考虑成本，而目前更多的用于民用，需要在满足性能的情况下获得最低的成本。从技术发展的形势看，晶体管的研究和应用主要从几个方面发展：大用户市场（工作频率在2.5 GHz 以下），以Si MOSFET，Si CMOS，BiCOMS，SiGe HBT等为主要发展和研究对象，主要是其低成本的优势，这主要利用先进的工艺技术克服硅基半导体所固有的缺陷，改进性能，满足该类晶体管的放大要求。文献都对CMOS晶体管及其放大器进行了比较和报道。在频率2.5 GHz 以上，主要应用和研究对象属于GaAs 基晶体管，包括有（MESFET，H E M T ，H B T 等）。超过4 0 G H z 频率高性能的应用主要采用InP 基晶体管。后两种晶体管通常采用异质结构、In 含量的掺杂浓度、以及栅极尺寸等来改善晶体管的性能，比如功率密度、晶体管特征频率等。文献报道了工作频率在100GHz左右的H E M T 。从材料价格考虑，以上三种是逐步增大。以宽带隙半导体（S i C ，G a N ）作为基底的晶体管也取得了进展，K. K. Chu 等人报道了这种类型的晶体管。作为一个放大器设计或者是系统设计工程师，应该对射频微波晶体管有一个全面的了解，在选择晶体管或者射频微波放大器时，主要考虑的因素有工作频率、性能要求及成本，有时基本满足性能要求的情况下，成本是第一要考虑的。要根据实际情况作出恰到好处的选择。随着工艺技术的提高，Si基晶体管与相应的放大器适用频率和应用范围会不断扩大，越来越多的性能极佳、成本较低的Si基晶体管被研制出来。适用更高性能、更高频率的晶体管也会获得进一步的发展，成本也会随着工艺的日益成熟而下降。

作者：南敬昌，黎淑兰，刘元安，唐碧华

来源：趋势与展望