PracticalMMICDesign学习笔记

在参杂半导体中电子的迁移率和峰值速率，决定了电子有多快，比如三极管能对快速波动的电场反应，描述它们的频率响应，半导体衬底的能量带隙决定了三极管的breakdown电压的大小，这半导体的衬底的半绝缘状态，对构建半导体表面的passive器件的Q值和损耗有着重要的影响，怎么在MMIC内部制作出有增益的三极管器件，传统complementarymetal-oxidesemiconductor（coms）填充金属氧化物三极管high-electron-mobilitytransistors(HEMT)withquantumwellconfinementoftheelectronstoimprovetheirmobility.高电子迁移率三极管用量子理论很好的限制了电子，去改善了电子的迁移率，activecomponents在MMIC中是那些给信号提供了电流或者电压增益的器件，众所周知三极管是用直流偏置功率去增加这射频信号功率的活跃度，甚至还会生成新的信号，二极管人们由于它的非线性效应和用来频率的转换和混频，会错误的把他分类成activecomponents，但二极管是严格的passivecomponents它不能把dc功率装换到射频功率，更快的电子峰值速率和更高的电子迁移率（不会和它们的原子碰撞），越能对高频信号做出反应就能制造出具有增益的更高频率的三极管来硅和砷化镓的使用，硅用于射频里较低的频率，砷化镓被用在微波或者毫米波的频率上，而SiGe也用于微波和毫米波频率上门长度为十分之一微米的砷化镓（GaAs）的三极管被用作在接近于毫米波的频率域，indiumphosphide(InP)磷化铟，占据了砷化镓的频率范围，一直到达100GHz，其他正在用的衬底材料有siliconcarbide(SiC)碳化硅，galliumnitride(GaN)氮化镓，它们都有宽的半导体的带隙，这就意味着它们比其他的半导体材料有更高的breakdownvoltages(击穿电压)，能在更高的结温度上运作，还有更高的输出功率几种常用的半导体材料的特点；材料电子迁移率（𝑐𝑚2/Vs）电子峰值速度（107cm/s）频率范围（GHz）噪声系数增益备注Si900–1,1000.3–0.720中等中等成熟工艺；12英寸晶片SiGe2,000–300,00000.1–1.010–40低好受利于Si工艺，6英寸和4英寸晶片SiC500–1,0000.15–0.215–20很低低4英寸晶片GaAs5,500–7,0001.6–2.375低（频率在26GHz时为1.1dB）较好（频率在26GHz时比硅的工艺不成熟；3,4,6英寸为9dB）晶片GaN400–1,6001.2–2.020–30很低低比砷化镓的工艺不成熟；Vbr=100V；2英寸晶片inP10,000–12,0002.5–3.5115低（频率在26GHz时为0.9dB较好（频率在26GHz时为11.1dB）比砷化镓的工艺不成熟；2英寸晶片epitaxiallayer外延层；在器件片上外延出电阻率或者电子迁移率等与衬底不同的的一层即是高阻衬底上外延低阻层，或者是低阻衬底上外延高阻层SiGe半导体仅仅是衬底为Si的材料外延出一层提供高电子迁移率的外延层，这就对于纯硅工艺来说有许多的有利和不利，用类似的方式，磷化铟器件是砷化镓为衬底外延出一层磷化铟的外延层以这种方式可以在较大的和比较好建立的半导体晶片上得到磷化铟三极管，这种结构是不稳定的因为砷化镓衬底的晶格的稳定性是一定会通过磷化铟外延层渐渐改变的。磷化铟作为衬底材料更脆弱这是比砷化镓作为衬底材料更难处理的。这是磷化铟三极管的一个缺点，它们都有一个低的肖特基势垒（Schottkybarrierheight）高度，限制了门电压的摆动和导致了与门连接的二极管更高的反向泄露来说说肖特基势垒二极管，肖特基二极管正级为贵金属（金银铝铂），以N半导体为负级，两者接触在接触面上会生成势垒，由于贵金属中没有空穴有少量的电子，N型半导体中具有较多的电子，故电子会向金属的一极扩散，留下了固定不动的正电荷，形成从半导体到金属方向上的电场阻止电子扩散，而又有从金属极漂移到半导体极的电子，在漂移，扩散，和电场的作用下形成了一个空间电荷区，与PN结的区别；势垒高度没有PN结的高缺点；反向偏压低，漏电流较大thenametransistorcomesfromthefactthatitisavariableresistorwherethevoltageononeterminalistransferredtocontrolthecurrentthroughtheothertwoterminals这三极管的命名实际是来自于一个可变的电阻意思为1端口的电压被装换成一个通过其它两个端口的控制电流用于MMIC的activedevices有fieldeffecttransistor(FET)场效应管，双极性三级管FET做为开关时，典型的偏置是漏极结+5v，源极接地，栅极为0V的时候导通，为-5V的没有漏极电流MESFET这半导体场效应管之所以这么叫是因为门连接是一个金属到半导体的结。如果半导体材料是一个低参杂的，这结果会导致一个在哪门金属和半导体之间的肖特基连接这是个非常低泄漏的门连接。HEMT高电子迁移率三极管的运作像其他场效应管一样，除了通道的是两个不同类型半导体的材料的一个结构成的（heterojunction异质结）目的是使通道中自由电子有更高的电子迁移率，比如一个GaAsHEMT，另外的半导体材料是典型的aluminumgalliumarsenide(AlGaAs)。N型参杂原子提供的自由电子是被限制在了非常接近于异质结面附近构成了一个叫二维电子气的东西（two-dimensionalelectrongas）,二维电子气是被限制在了远离晶体原子的地方所以它们将不会和原子产生碰撞，这就让电子有个更高的电子迁移率。此外这较少的电子碰撞的实验结论是这HEMT的噪声系数远低于一般场效应管。