第2章射頻元器件及電路模型

1、1第2章 射頻元器件及電路模型教學教學重點重點本章重點介紹了電感器、電容器、電阻器等無源集總元件本章重點介紹了電感器、電容器、電阻器等無源集總元件的物理結構、射頻特性及等效電路模型；射頻二極管、雙的物理結構、射頻特性及等效電路模型；射頻二極管、雙極型晶體管、場效應晶體管的等效電路模型、模型與應用極型晶體管、場效應晶體管的等效電路模型、模型與應用；并對比分析了雙極型和場效應兩類晶體管的頻率、功率；并對比分析了雙極型和場效應兩類晶體管的頻率、功率和噪聲性能。和噪聲性能。 教學教學重點重點教學教學重點重點掌握：雙極型晶體管、場效應晶體管的物理結構、射頻特掌握：雙極型晶體管、場效應晶體管的物理結構、射

2、頻特 性等效電路模型。性等效電路模型。 了解：電感器、電容器、電阻器等無源集總元件的物理結了解：電感器、電容器、電阻器等無源集總元件的物理結 構、射頻特性及等效電路模型。構、射頻特性及等效電路模型。 熟悉：各類射頻二極管的等效電路模型、功能與應用。熟悉：各類射頻二極管的等效電路模型、功能與應用。 能力能力要求要求2本章目錄v第一節(jié) 無源集總元件v第二節(jié) 射頻二極管v第三節(jié) 雙極型晶體管v第四節(jié) 場效應晶體管v第五節(jié) 雙極型器件和場效應器件的比較3知識結構射射頻頻元元器器件件及及電電路路模模型型雙極型器件和場雙極型器件和場效應器件的比較效應器件的比較雙極型器件和場效應器件的功率與線性度性能雙極型

3、器件和場效應器件的功率與線性度性能無源集總元件無源集總元件射頻二極管射頻二極管雙極型晶體管雙極型晶體管場效應晶體管場效應晶體管無源元件的射頻特性無源元件的射頻特性異質結雙極型晶體管異質結雙極型晶體管電阻器電阻器電感器電感器電容器電容器肖特基二極管肖特基二極管PIN二極管二極管變容二極管變容二極管IMPATT二極管二極管耿氏二極管耿氏二極管其它二極管其它二極管MESFET工作特性工作特性高電子遷移率晶體管高電子遷移率晶體管PHEMT技術技術金屬氧化物場效應管金屬氧化物場效應管CMOS技術技術BiCMOS技術技術雙極型晶體管工作特性雙極型晶體管工作特性雙極型器件和場效應器件的雙極型器件和場效應器件

4、的ft和和fmax雙極型器件和場效應器件的噪聲性能雙極型器件和場效應器件的噪聲性能42.1 無源集總元件 2.1.1 電阻器1、MMIC中的電阻器 單片射頻/微波集成電路中，電阻器主要通過在半導體基片的摻雜區(qū)域沉積一層阻性材料如NiCr、TaN金屬膜或多層多晶硅等進行生產(chǎn)，其結構及RF等效電路如下圖所示： 電阻器的結構圖電阻器的結構圖電阻器的簡化電阻器的簡化RF等效電路等效電路52.1 無源集總元件2、HMIC中的電阻器 混合集成電路中，常見的電阻器有線繞電阻、碳質電阻、金屬膜電阻和薄膜片狀電阻等類型。其中，由于薄膜片狀電阻具有體積小、可以作為貼片器件等優(yōu)點，使得它廣泛應用于現(xiàn)今的RF和MW電

5、路中。 貼片電阻的結構示意圖貼片電阻的結構示意圖表貼電阻器的等效電阻表貼電阻器的等效電阻62.1 無源集總元件2.1.2 電容器 電容器是射頻/微波電路設計必備的元器件，廣泛應用于隔直、匹配、耦合、旁路、濾波、調諧等電路。1、MMIC中的電容器（1） 金屬-絕緣層-金屬（MIM)電容器 通常在兩個金屬板間填充一層電介質材料夾層便可形成金屬-絕緣層-金屬電容器。 金屬金屬-絕緣層絕緣層-金屬電容器的結構圖金屬電容器的結構圖電容器的集總元件式等效電路電容器的集總元件式等效電路72.1 無源集總元件（2）交指型電容器 交指型電容器由一組平行的交錯排列的薄導帶構成。交指型電容器的電容量隨著交指長度呈近

6、似線性關系。其結構如下圖所示：圖圖2.7 結構版式布局結構版式布局圖圖2.8 電容器與交指長度的函數(shù)關系電容器與交指長度的函數(shù)關系82.1 無源集總元件2、HMIC中的電容器 在混合集成電路中，片狀電容得到了廣泛的應用。陶瓷電容是一種常見的貼片電容器，它由其間交疊著的若干金屬電極矩形陶瓷介質和金屬接觸片組成，其結構如下圖所示： 陶瓷電容器的結構陶瓷電容器的結構92.1 無源集總元件2.1.3 電感器 電感器在射頻/微波電路設計中常用于偏置、反饋和匹配等電路，是一種重要的元器件。1、MMIC中的電感器 在單片微波集成電路中，最常見的是螺旋電感器，它具有結構緊湊、面積相對較小、電感量較大、自諧振頻

7、率高、品質因素高等特點。圖圖2.10 螺旋電感器示意圖螺旋電感器示意圖圖圖2.11 螺旋電感器的螺旋電感器的RF等效電路等效電路102.1 無源集總元件2、HMIC中的電感器 在混合集成電路設計中，電感器常用于晶體管的偏置電路。最常用的電感器是用漆包線在圓柱體上繞制而成。考慮線繞電感器的寄生參數(shù)效應，線圈的導線不是理想的，需要考慮其損耗，并且相鄰繞線間存在的分離移動電荷會產(chǎn)生寄生電容效應。圖圖2.12 電感器一種簡化等效電路電感器一種簡化等效電路圖圖2.13 空心螺旋管電感器空心螺旋管電感器112.1 無源集總元件2.1.4 無源元件的射頻特性 電阻、電容和電感是最為常見的三種無源元件，廣泛應

8、用于射頻/微波電路設計中。在頻率較低的情況下，這些元件可近似為理想元件，而在射頻/微波頻段，必須考慮這些元件的寄生參數(shù)效應。 500歐金屬膜電阻的阻抗絕對值隨頻率的變化關系歐金屬膜電阻的阻抗絕對值隨頻率的變化關系122.1 無源集總元件 47pF電容的阻抗絕對值與頻率的關系電容的阻抗絕對值與頻率的關系RFC阻抗絕對值隨頻率的變化關系阻抗絕對值隨頻率的變化關系132.2 射頻二極管2.2.1 肖特基二極管 肖特基二極管是以貴金屬為正極，以N型半導體為負極，利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導體器件。Si基肖特基二極管的截面圖基肖特基二極管的截面圖電流-電壓特性方程為：反向飽和

9、電流為：AS-s(1)VIRII e*2bS(exp)qVIA R TkT142.2 射頻二極管附加有絕緣環(huán)的肖特基二極管附加有絕緣環(huán)的肖特基二極管典型肖特基二極管的電路模型典型肖特基二極管的電路模型152.2 射頻二極管2.2.2 PIN二極管 PIN二極管的I-V特性的數(shù)學表達與電流的大小和方向有關。對輕摻雜N型本征層在PIN二極管兩端的電壓為正向電壓時，流過PIN二極管的電流為： 經(jīng)臺面處理技術加工成的經(jīng)臺面處理技術加工成的PIN二極管結構二極管結構 PIN二極管的簡化結構二極管的簡化結構AT2/(2)iD P()(1)VVqn WIAeN162.2 射頻二極管 PIN二極管在衰減器電路

10、中既用于串聯(lián)又用于并聯(lián)的情況PIN二極管工作時需DC回路提供偏置電壓，而DC回路必須與射頻信號通路分開，因此可用一射頻線圈RFC，RFC在DC電路中短路而在高頻下開路。與此相反，電容在DC電路中開路而在高頻下短路。串聯(lián)設置下偏置串聯(lián)設置下偏置PIN二極管的衰減器電路二極管的衰減器電路并聯(lián)設置下的偏置二極管的衰減器電路并聯(lián)設置下的偏置二極管的衰減器電路172.2 射頻二極管2.2.3 變容二極管 變容二極管是利用PN結電容與其反向偏置電壓依賴關系及原理制成的二極管。它是一種非線性元件，它通常用做可變電抗電路元件，主要產(chǎn)生三種基本不同的電路功能：諧波產(chǎn)生、微波信號調諧和調制、參量放大和上變頻。變容

11、二極管的簡化電路模型及其電容特性變容二極管的簡化電路模型及其電容特性182.2 射頻二極管2.2.4 IMPATT二極管 IMPATT是僅有的實用固態(tài)器件，其典型的工作頻率為10-300GHz，且具有比較高的功率，其效率可達15%。 IMPATT二極管的特性二極管的特性IMPATT二極管的電路表示二極管的電路表示192.2 射頻二極管2.2.5 耿氏二極管 耿氏二極管廣泛用于低成本的電路中，這種二極管具有轉移電子效應。耿氏二極管能產(chǎn)生幾百毫瓦的連續(xù)波功率，頻率從1GHz到100GHz,效率從5%到15%。2.2.6 其他二極管（1）TRAPATT二極管中位于能帶隙內的能級具有俘獲電子的能力，利

12、用這種勢阱可獲得更高的效率，直到75%。（2）BARRITT二極管主要應用在雷達的混頻器和檢波電路中。它本質上是一個渡越二極管，其二極管的效率較低，只有5%或更小。202.3 雙極型晶體管2.3.1 雙極型晶體管工作特性 雙極型晶體管是一個具有基極、發(fā)射極和集電極三端鈕的器件，其結構如下圖所示。其中的基極、發(fā)射極和集電極區(qū)域構成一個NPN（或者PNP）半導體，器件含有兩個背靠背的PN結。 雙極型晶體管的結構圖雙極型晶體管的結構圖雙極型晶體管的橫截面結構圖雙極型晶體管的橫截面結構圖212.3 雙極型晶體管1、直流工作特性 在直流偏壓條件下，雙極型晶體管可用作放大器。根據(jù)需要的不同，可對雙極型晶體

13、管進行不同的配置。 共基雙極型晶體管放大器共基雙極型晶體管放大器雙極型晶體管的共發(fā)射極配置雙極型晶體管的共發(fā)射極配置 在絕大多數(shù)半導體材料中，電子的遷移率遠高于空穴的遷移率，而在實際應用中，通常需要獲得高水平的電流增益，因此NPN雙極型器件是首選。222.3 雙極型晶體管 要獲得高的電流增益，可通過增大電子遷移率、最大化發(fā)射極中的摻雜物濃度、最小化基極中的摻雜物濃度或減小基極寬度。 在硅材料中，能量帶隙減小量如式（1）所示，能量帶隙減小將導致注入到發(fā)射極的空穴濃度增加。因此，能量帶隙變窄按式（2）所述的指數(shù)規(guī)律降低。（1） （2 ）1222dgssB316q NqEk TgB-ndeepabE

14、k TD N xeD N W232.3 雙極型晶體管 雙極型晶體管共基極配置的特性雙極型晶體管共基極配置的特性雙極型晶體管共發(fā)射極配置的特性雙極型晶體管共發(fā)射極配置的特性2. RF工作特性雙極型晶體管的簡化集總元件式等效電路雙極型晶體管的簡化集總元件式等效電路242.3 雙極型晶體管 上圖所示的集總元件式等效電路表示的雙極型器件，其MAG（最大可用增益，即為一個器件輸入和輸出二端口都滿足最佳匹配條件時的前向功率增益）為： 最高工作頻率fmax是MAG降低到單位1時的頻率，其表達式為： 因此，要得到較大的fmax,器件必須滿足ft高、電容小和基極電阻小的特點。反之，要求器件的垂直結構具有基極摻雜

15、濃度高、基極寬度小和電流增益大的特點。T2c b8ffMAGC r12Tmaxc b8ffC r252.3 雙極型晶體管3. 噪聲系數(shù)分析雙極型晶體管的最小噪聲系數(shù)為：2boptmin2e0b1(1)rRfFrf其中：2221/2ebeoptbopt20b(2)(1)rrrfRrXf 22TE eopt20b2(1)fCrfXf 220220bb1(1)(1)ffaff262.3 雙極型晶體管2.3.2 異質結雙極型晶體管（HBT） 異質結雙極型晶體管（HBT）的制造采用發(fā)射極比基極有更寬禁帶的半導體，因而發(fā)射極比基極有更寬的能量帶隙。絕大多數(shù)HBT結構是通過諸如CVD或者MBE等晶體外延生長

16、技術實現(xiàn)的，下圖是這類器件的能帶圖。 異質結雙極型晶體管的能帶結構圖異質結雙極型晶體管的能帶結構圖bgcvEEE 這些能量帶隙不連續(xù)， ，它們在價帶和導帶之間分離開。 共發(fā)射極電流增益： gBndeePabEk TD N xeD N W272.4 場效應晶體管2.4.1 MESFET工作特性 MESFET由外延生長在一塊半絕緣襯底上的優(yōu)質半導體高導電層組成，其橫截面結構如下圖所示。這種晶體管含有兩個歐姆接觸極（源極和漏極），第三個電極（柵極）由放在這兩個歐姆接觸之間的一個整流（肖特基）基礎構成。MESFET器件的橫截面結構圖器件的橫截面結構圖282.4 場效應晶體管1. MESFET的直流工作

17、特性mgDSVGSVDSImg FET的增益機構都包含在了跨導 之中，在給定漏極電壓下，柵極電壓 對溝道電流 的調制即為FET的跨導 ，它包含了FET的所有增益，其表達式為：DSDSmGSVIgV常量MESFET示意圖示意圖MESFET的輸出特性的輸出特性292.4 場效應晶體管2. MESFET的射頻工作特性 在電路設計中，設計師所關心的是從RF測量值所推演出的MESFET的等效電路。 集總元件式集總元件式MESFET的橫截面結構圖的橫截面結構圖302.4 場效應晶體管2TsisTgdgisds442ffMAGRRRf CRRRRTmax12gisTggdds22ffRRRf R CR最大可

18、用增益：最大振蕩頻率：MESFET的集總元件式等效電路的集總元件式等效電路312.4 場效應晶體管3. 噪聲系數(shù)分析 下圖是GaAs MESFET的噪聲等效電路，它可用來計算GaAs MESFET的噪聲系數(shù)性能。 最小噪聲系數(shù)： GaAs MESFET的噪聲等效電路的噪聲等效電路22minmiTT2(1)2(1)()1fPfFPRCg PRCfRf其中：2nd0m4ikTfg P1dsm()PR g22gs2ng0m4W C RikTfg*ndnd22ngndi giCi gi322.4 場效應晶體管2.4.2 高電子遷移率晶體管 高電子遷移率晶體管（HEMT）具有很高的頻率特性和很低的噪聲性

19、能，這主要是因為其產(chǎn)生的二維電子氣（2DEG）有很高的遷移率。這種器件能用于微波和毫米波功率應用中，且在高于X波段時其性能要優(yōu)于MESFET。AlGaAs/GaAs HEMT的橫截面結構及其導帶外形結構的橫截面結構及其導帶外形結構 332.4 場效應晶體管1. HEMT的直流工作特性 HEMT的輸出特性與GaAs MESFET的輸出特性非常相似，如圖所示其輸出特性可分為線性區(qū)域和飽和區(qū)域兩部分。HEMT的輸出特性的輸出特性 在線性區(qū)域內： DSDS2DVIq n Ws在飽和區(qū)域內： DS2D effIqnv W342.4 場效應晶體管2. HEMT模型DSI右圖是等效電路元件值與柵極-源電壓函

20、數(shù)關系圖，其中 為溝道電流，從圖中可看出它及溝道2DEG密度在正向偏置的作用下從夾斷點變化到最大值。HEMT的函數(shù)關系的函數(shù)關系3. HEMT的噪聲特性HEMT具有優(yōu)秀的噪聲特性和晶體管中最低的噪聲系數(shù)。 幾種幾種HEMT器件在特定頻率下的噪聲系數(shù)值器件在特定頻率下的噪聲系數(shù)值 352.4 場效應晶體管2.4.3 PHEMT模型 “贗同晶”（PHEMT）：器件的溝道由銦濃度在20-30之內的InGaAs構成，如下圖所示。這樣一來，溝道的晶格常數(shù)比GaAs基片、緩沖層、帽層、AlGaAs施主材料層和隔離層的晶格常數(shù)都大，從而形成了一個具有應變的溝道。 生長在生長在GaAs 基片上的基片上的GaA

21、s PHEMT的橫截面結構圖及其導帶圖的橫截面結構圖及其導帶圖 362.4 場效應晶體管2.4.4 金屬氧化物場效應管（MOSFET）1. MOS晶體管基本結構下圖給出了一個典型的N溝道MOS晶體管（NMOS）具有代表性的結構示意圖。圖中，在輕度摻雜的P型襯底上方，形成出重度摻雜的N型源極和漏極區(qū)。在該區(qū)域上方，源極、漏極和一種導電物質三者之間生長出一層很薄的二氧化硅薄膜層，多數(shù)情況下是由多晶硅沉積而成，而導電物質則用來產(chǎn)生該晶體管的柵極。 典型典型NMOS晶體管結構的橫截面示意圖晶體管結構的橫截面示意圖 372.4 場效應晶體管2. MOS晶體管的直流工作特性 MOSFET的直流工作特性與M

22、ESFET相類似。下圖給出了NMOS晶體管的輸出特性曲線。需要注意，在三極管區(qū)中晶體管的功能類似于一個受電壓控制的可變電阻。而在飽和區(qū)中，它的作用又相當于一個受電壓控制的電流源（這時忽略了溝道長度效應的影響）。 NMOS晶體管輸出特性晶體管輸出特性382.4 場效應晶體管3. MOS晶體管的頻率特性TfTf MOS晶體管的頻率特性通常由其特征頻率 來規(guī)定。對于MOS晶體管， 的定義為簡化放大電路中共源電流增益降到單位值時的頻率。 當mTgsgbgd=+gCCC 時，mTTgsgbgd1122gfCCC假設器件固有電容 ，當 時：gs()gbgdCCCDS1VmGSTDS()2WWgkVVkIL

23、L，在飽和區(qū)或放大區(qū)有：gsox23CWLC從而可得：nTGST21.5()2fVVLNMOS晶體的電路圖晶體的電路圖392.4 場效應晶體管4. MOSFET噪聲分析（1）漏極電流噪聲 FET（結型和MOS）在本質上是電壓控制的電阻，因此它們都會產(chǎn)生熱噪聲，特別是在三極管（線性）工作區(qū)。FET漏極電流噪聲的表達式：2ndd04iKTrgf（2）柵噪聲感應的柵噪聲感應的柵噪聲柵噪聲：2ngg4iKT gf參數(shù)22gsgd05Cgg402.4 場效應晶體管2.4.5 CMOS技術 CMOS技術（互補MOS技術）是采用兩種極性的MOS晶體管。NMOS晶體管直接在P型襯底上實現(xiàn)，而PMOS晶體管制造

24、在專門制作的稱為N阱的N區(qū)內。這兩種器件之間通過一層厚的氧化物區(qū)域互相隔離。CMOS集成電路的截面集成電路的截面412.4 場效應晶體管2.4.6 BiCMOS技術三種不同的三種不同的BiCMOS橫截面圖橫截面圖 BiCMOS技術在同一個稱襯底上結合了CMOS晶體管和雙極型（BJT）晶體管，從而兼具了兩種技術的優(yōu)點。CMOS晶體管的優(yōu)點是功耗低，而且具有較高的數(shù)字IC密度。雙極型晶體管具有傳送大驅動電流的能力，并且能夠迅速傳遞大負載。422.5 雙極型器件和場效應器件的比較Tfmaxf2.5.1 雙極型器件和場效應器件的 和Tfmaxf 各種晶體管技術的各種晶體管技術的 和和 比較比較 族中的InP基HBT和短柵長度的HEMT工藝提供了最高工作頻率的射頻有源器件，但HEMT技術的特征尺寸要求同時也影響