第三章-微波晶体管放大器

微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40教师：宋开军第三章第三章微波晶体管放大器微波晶体管放大器10微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40Š1947年12月23日，美国物理学家肖克莱（W·Shockley）和布拉顿和巴丁在著名的贝尔实验室向人们展示了第一个半导体电子增幅器，即昀初的晶体管。Š获得了1956年若贝尔物理学奖金第一支晶体管表面积2cm2，相当于现在十亿个晶体管晶体管的诞生1947年12月23日，晶体管在贝尔实验室诞生。微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40Š1947年的圣诞前某一天，贝尔实验室中，布拉顿平稳地用刀片在三角形金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分别接上导线，随即准确地压进锗晶体表面的选定部位。电流表的指示清晰地显示出，他们得到了一个有放大作用的新电子器件！布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫起来。布拉顿在笔记本上这样写道：“电压增益100，功率增益40……实验演示日期1947年12月23日下午。”作为见证者，肖克莱在这本笔记上郑重地签了名。Š1948年，肖克莱发明了“结型晶体管”。1948年7月1日，美国《纽约时报》只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消息。“一石激起千层浪”，它就像颗重磅炸弹，在全世界电子行业“引爆”出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛！Š1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶体管计算机TRADIC晶体管的诞生微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40§§33--11引言引言§§33--22微波双极结型晶体管微波双极结型晶体管§§33--33微波场效应晶体管微波场效应晶体管§§33--44微波晶体管放大器特性微波晶体管放大器特性§§33--55小信号小信号微波晶体管放大器的设计微波晶体管放大器的设计§§33--66微波晶体管功率放大器微波晶体管功率放大器主要内容主要内容微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40§§33--11引言引言区别：BJT：3GHz，电流控制，可靠性高，单电源供电。FET：噪声低，工作频率较高。电压控制，双电源供电HEMT：10GHz，电压控制，通常为双电源供电(正，负)HBT：100GHz，单电源供电。特点：体积小、重量轻、结构简单、稳定性好、频带宽、动态范围大、功耗小、寿命长。在降低噪声，提高工作频率，增大输出功率和单片微波集成（MMIC）等方面取得很大进步，已经得到广泛应用。分类：按器件按作用微波双极晶体管（BJT）放大器微波场效应晶体管（FET）放大器高电子迁移率晶体管（HEMT）放大器异质结双极晶体管（HBT）放大器低噪放大器(接收)功率放大器(发射)普通放大器微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40§§33--11引言引言微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40§§33--22微波双极结型晶体管微波双极结型晶体管Š双极晶体管（BJT）由两个相距很近的PN结组成，它包含电子和空穴两种极性的载流子参与导电，所以称为双极晶体管（以区别单极管与FET），它是目前应用昀广泛的半导体器件之一。Š就微波应用而言，硅双极晶体管在X频段以下的频率范围内占有优势，而AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管（HBT）在超过200GHz上占优势。微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40BBECPN发射区PP基区N集电区N衬底++++金属电极1.微波硅双极晶体管特征频率fT5~10GHzβffT≈0==ceVbcIIβecTTfτωπ12==载流子由e向c有渡越时间τec。f升高,载流子尚未到c时，输入电压已变化，使β下降。β→1时频率，1==βffTbceIbIcBCE微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40微波硅双极性晶体管Š晶体管的增益带宽积fT（即特征频率）为：Š式中，是发射极到集电极的总延迟时间；为发射极结电容；为基极-集电极结电容；为连接到基极的任何其他电容；是基区宽度；是一个包括基极区缓变掺杂分布影响在内的因子，对于均匀掺杂，；是耗尽区的渡越时间；是载流子速度；DpB是基区内少子扩散系数。12()12π2π2ecpCBBTecCpBsKTCCCXWWfqIDvτη−⎧⎫⎡⎤++−⎪⎪=≈++⎢⎥⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭（这里假定CEII=）ecτeCcCpCBWη2η=CBXW−sv微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40为了提高微波双极晶体管的增益带宽积，在设计和工艺上可采取一些措施：Š在功率容量和可靠性允许的条件下，应尽量减小发射极面积。Š可减小基区宽度WB，电极尺寸受工艺水平限制，同时也影响器件的承受功率。另一种方法是恰当地选择基区掺杂浓度与梯度来实现漂移场，加速载流子的运动速度。微波硅双极性晶体管微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40TeCerBECbbreL1cC2cCccrbLcLbeCceCbcC0eIαDeC双极晶体管共射极简化等效电路rbb:基极串联电阻re:发射极正偏交流电阻rcc:集电极串联电阻Cc1:集电极反偏势磊电容Cc2:集电极和基极势磊电容CTe:发射极正偏势磊电容CDe:发射极正偏扩散电容Cbc,Cbe,Cce:封装电容Lb,Le,Lc:封装电感α0:Ic/Ie（Vcb=0），发射极到集电极的电流传输系数（α=β/（1+β））微波硅双极性晶体管微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40Š功率增益GP：功率增益定义为在某一特定测试条件下，晶体管的输出功率与输入功率之比。PoiGPP=微波硅双极性晶体管微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40)1)(1(222211221SSSGu−−=对于微波双极晶体管，为了全面描述晶体管性能，有时还用到另外几种功率增益：Š插入增益GT：即共射极接法的微波管，插入到特性阻抗为Z0的传输系统中所提供的功率增益。（Γs=ΓL=0）Š昀大可用功率增益Gmax（或MAG）:它是指在晶体管输入和输出完全共轭匹配条件下，晶体管所能提供的昀大实用功率增益，即Š昀大单向功率增益Gu，它与Gmax的不同在于它忽略内部反馈，即假定S12=0时的昀大功率增益为221TGS=221max12(1)SGKKS=−−微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40增益（dB）6420fTrafMAGfmaxGuGmaxGT频率（GHz）微波双极晶体管GT、Gmax、Gu与频率的关系微波硅双极性晶体管微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40Š噪声系数F：晶体管的输入端信号/噪声功率比与输出端信号/噪声功率比的比值。Š双极晶体管的噪声来源有三部分：Š热噪声：主要由载流子的不规则热运动引起的，它的大小与晶体管本身欧姆电阻有关。Š散粒噪声：由于电流流动时载流子运动的起伏产生的，其大小与电流成正比。Š闪烁噪声：一般认为与半导体制造工艺及表面处理情况有关。1iioooipSNNFSNNG==⋅低噪声双极晶体管微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40双极晶体管的噪声系数随频率的变化噪声系数（dB）3dB/倍频程频率（GHz）6dB/倍频程3dBf10.1fN1.0f2散粒噪声白噪声三类噪声低噪声双极晶体管微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40功率双极晶体管Š耗散功率大于1W的晶体管被定义为功率晶体管。Š它和低噪声管的不同之处在于功率晶体管要求更大的电流容量以提高输出功率，为提高电流容量就要增大发射极周长以及发射区和基区面积，微波功率管的设计就是要在尽可能小的基区面积内（满足功率要求）获得昀小的发射结面积和昀大的发射极周长，这就比低噪声管有更多的结构形式。Š三种电极结构：梳状结构、覆盖结构和网状结构。微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40功率双极晶体管主要指标有：Š输出功率Š功率增益Š工作类别微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40功率双极晶体管输出功率Š晶体管的输出功率本质上取决于自身的电流和电压的承受能力，微波功率管由于应用场合不同，有几种输出功率定义，不同定义的输出功率值差别很大。几种常用的输出功率定义为：Š饱和输出功率P0：指微波功率管在特定测试条件下所能获得的昀大输出功率。Š线性输出功率P1dB：也称为1dB增益压缩时的输出功率，晶体管在小信号工作时，其功率增益保持不变，但随着输入信号的增大，晶体管开始进入非线性区，这时功率增益将随着输入增加而逐渐下降，当增益下降到比线性增益低1dB时，所对应的输出功率即定义为1dB压缩输出功率，有时也简称为线性输出功率。Š脉冲输出功率Pp：当晶体管在脉冲工作状态下（脉冲调制微波），所能获得的昀大输出功率。微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40功率双极晶体管斜率GPPinPoutP0P1dB1dB晶体管输入-输出功率曲线微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40功率双极晶体管功率增益Š功率晶体管的功率增益本质上取决于晶体管的fT及其动态阻抗。其定义与低噪声管完全相同，不过功率管的测试往往是照顾获得昀大输出功率，而对应的增益就不是昀大（两者不可能同时昀大），一般给出的值都与输出功率状态相对应。Š由于功率放大器是非线性工作，小信号线性分析已不适用，目前实际电路设计中常采用以下三种方法，即动态阻抗法、大信号S参数法和负载牵引法，因而对功率晶体管要求给出各种相应的附加参数。微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40工作类别Š功率晶管体管放大器工作类别:甲、乙、丙三类（也称为A、B、C三类）。Š甲类放大的工作特征是发射结处于正向偏压，晶体管在静态时维持较高的静态直流电流。这类放大的特点是增益高、噪声低、线性好，但缺点是输出功率小且效率低，其理论效率为50%，实际只有25%～40%。因此功率管只在高线性要求时，才采用甲类放大。Š乙类放大的特征是发射结处于零偏压，晶体管在静态时也无直流电流，在外信号到来时，开启发射极结才能进行放大，只是开启功率要比丙类小。这类放大器的特点与甲类相比是输出功率大，效率高，其理论昀高效率可达78%；而与丙类相比是线性好，增益高。为了克服乙类放大零偏压处的失真，也可稍加一点正向偏压，以维持较小的静态直流电流，这称甲乙类（或AB类）放大。Š丙类放大的特征是发射结处于反向偏压，晶体管在静态时没有直流电流（只有很小的集电极反向漏电流），当外信号到来时，将发射结打开，才起放大作用。这类放大的特点是输出功率大，集电极效率高，昀高理论效率可接近100%，实际可达50%～70%；其缺点是增益低、线性差和噪声大。微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40异质结双极晶体管（HBT）Š硅双极晶体管是采用同一半导体材料，通过不同类型的掺杂形成PN结，称同质结双极晶体管。Š硅双极晶体管除受材料和工艺因素影响限制频率提高外，还有一种结构上不能克服的缺点，即基极电阻与发射极注入效率间的矛盾。若要提高发射极注入效率，保证足够的电流放大系数就要求降低基区表面的杂质浓度，这就会使基极电阻增加，从而使器件工作频率降低，噪声增加；反之，提高基区表面的杂质浓度可减小基极电阻，但又会降低注入效率，使电流放大系数减小，基区表面掺杂浓度的提高还会增加发射结电容，这也使频率降低。Š由不同半导体材料接触形成的异质结双极晶体管HBT可从根本上克服同质结双极管存在的矛盾。微波晶体管放大器微波固态电路电子科技大学电子工程学院12:40异质结双极晶体管（HBT）ŠHBT的发射极比基极有更宽禁带。双极晶体管为了实现良好的性能而需要将发射极载流子注入基极，构成必要的少数载流子。在基极和发射极区域的载流子包括少数