微波晶體管

由於工作頻率高，微波晶體管必須具有微米或亞微米的精細幾何尺寸。隨着薄層外延技術、淺結擴散或離子注入技術、投影曝光、遠紫外曝光、X射線曝光、電子束曝光等微細加工技術的發展，微波晶體管的工作頻率、功率和低噪聲性能已得到提高。 ^[1] 

主要用於微波通信、衞星通信、雷達、電子對抗以及遙測、遙控系統中的接收機前置放大器。微波晶體管的噪聲越低，接收機的靈敏度越高，這些系統的作用距離越大。

雙極型晶體管的噪聲來源有：熱噪聲、散彈噪聲、分配噪聲和1/f噪聲（也稱閃爍噪聲）。場效應晶體管是多數載流子器件，故不存在少數載流子引起的散彈噪聲和分配噪聲，但存在一個肖特基柵感應噪聲。

為了降低微波低噪聲晶體管的噪聲，對雙極型晶體管來説，最重要的是減小基極電阻及各項串聯電阻和接觸電阻，減小寄生電容，減薄基區，減小少子的渡越時間等。對場效應晶體管來説，應儘可能降低源的串聯電阻、接觸電阻以及柵金屬化電阻，儘量減小柵長（已達到亞微米量級），採用低温致冷技術等。

雙極晶型體管和場效應晶體管的噪聲來源不盡相同，但它們隨頻率和工作電流的變化規律是相似的。儘量降低白噪聲和採用較小的工作電流，可以得到最佳效果。

硅雙極型晶體管最高工作頻率只達到8吉赫，而且在這一頻率下噪聲很大，無實用價值。一般只應用於2吉赫以下，噪聲係數為1～2分貝。

砷化鎵場效應管的工作頻率已達60吉赫。在工作頻率1～12吉赫下，噪聲係數僅0.5～1.4分貝。異質結高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)工作頻率更高、噪聲更低。 ^[1] 

微波功率晶體管可在微波頻率下可靠地輸出幾百毫瓦至幾十瓦的射頻功率。這就要求晶體管在微波頻率下具有良好的功率增益和效率。高頻率和大功率是矛盾的，故微波功率晶體管的設計須從器件結構、物理參數、電學性能和熱傳導等各方面綜合考慮。提高頻率、功率性能的主要途徑有:①提高發射極的“周長/面積比”，以提高單位發射極周長的電流容量。②採用淺結高濃度擴散或離子注入，以得到小的基極電阻，又能減薄基區，從而縮短少子在基區的渡越時間，提高工作頻率。③採用多發射極單元分散的結構，適當減薄外延層和襯底厚度，以減小熱阻。器件的主要結構形式有梳狀、覆蓋式、網狀及菱形等。④採用電遷徙小、能承受大電流密度、歐姆接觸電阻小的多層難熔金屬化系統（如鉑鈦鉑金、鎢鈦金、鉑鉬金等）。⑤為了提高抗電壓駐波比能力、防止二次擊穿，通常在發射極串聯一個鎮流電阻。⑥微波功率晶體管的管殼既要散熱性能好，又要頻率性能好，因此通常採用對電絕緣、導熱性能可與金屬媲美的氧化鈹陶瓷作管座，某些情況下，可採用內匹配技術，即在管殼內製一個MOS或MOM電容和鍵合內引線組成網路與管芯匹配，使得電流在發射極各區均勻分配，以提高功率輸出，並在一定的頻帶內，得到最高的功率增益。⑦減小發射極引線電感量，是提高增益的關鍵之一。

砷化鎵肖特基場效應管(GaAsMESFET)是一種性能優良的微波功率晶體管，它的工作頻率遠遠高於硅雙極功率管。但砷化鎵材料的熱阻比硅大，因而功率容量比硅雙極功率管小很多。雙極晶體管可工作在微波頻段的低端，而輸出較大的功率（400兆赫下輸出功率達100瓦，1吉赫下輸出功率達50瓦，砷化鎵場效應管則可工作在微波頻段的高端，輸出中等大小的功率6～8吉赫下輸出功率為20～25瓦，12吉赫下輸出功率為1～3瓦）。功率場效應晶體管是多子器件，不存在二次擊穿和低温下電流增益下降的問題。它的工作温度範圍很寬(一般為－55～12)，也可能在77K下工作。最高結温為20。它的抗輻射能力比硅雙極晶體管高兩個數量級。

微波功率晶體管還有硅靜電感應場效應管、硅VMOS和異質結（鎵鋁砷/砷化鎵）雙極晶體管等結構。 ^[1] 

半導體技術的發展，促進了射頻微波功率器件的發展，從而也為無線通信系統發射前端提供了保證。功率放大器作為無線通信前端發射模塊的關鍵器件，經歷了四個階段：分別是應用瞬態放電、電弧放電和振盪放電的放大器，電子管放大器、分立晶體管和集成晶體管放大器。功率放大器的發展趨於向小型化、集成化、寬帶化、線性化、高功率低電壓的方向發展，使得整個發射模塊能夠集成到一個芯片上，同時做到低功耗、高線性、高頻率應用的目的。對於放大器設計者和系統設計者來説，選用什麼類型的晶體管和功率放大器是影響放大器性能和系統性能的重要因素。20世紀60～80年代，晶體管的類型比較單一，主要是BJT和MESFET，選擇類型比較容易，但實現功能比較單一，頻率範圍也比較小。80年代以後，不同類型晶體的研製成功，實現功能和使用的頻率範圍進一步擴大，選用不同類型的晶體管和不同應用場合的功率放大器變得比較困難，設計工程師必須對各種類型的晶體管及其性能有比較清楚的認識，才能做出正確的判斷。 ^[2] 

射頻微波晶體管分為雙極晶體管和單極晶體管。單極晶體管只有一種載流子參與導電機構，通常指場效應晶體管（FET）。另外兩種擴展類型的晶體管就是異質結雙極晶體管（HBT）和高電子遷移率晶體管（HEMT），它們也分別屬於雙極晶體管和場效應晶體管。

硅雙極晶體管是最早的固態射頻功率器件，由於雙極晶體管是縱向器件，基極擊穿電壓和功率密度都很高。硅基雙極晶體管通常工作於28V電壓下，頻率可達5GHz，尤其可應用在高功率（1kW）脈衝雷達中。硅基射頻功率器件除了在高頻率上有高增益外，其他屬性與普通雙極晶體管一樣。BJT的正温度係數往往會導致電流上翹、預熱效應和擊穿效應，因此必須仔細調整基極偏壓。特徵頻率反映了晶體管的微波放大性能，它是當共發射極短路電流增益|h_fe|=1的頻率。分析可知，晶體管的特徵頻率f_T與其結構參數密切相關。為了提高f_T，應對晶體管的設計和工藝採取一些措施，如減小發射極面積、減小基區寬度或適當選擇基區摻雜濃度，從而減小發射極到集電極總的時延。但它總會受到工藝條件的限制，因此微波雙極晶體管的特徵頻率不可能很高。當要求頻率更高時，場效應管將顯得更加優越。 ^[2] 

FET屬於電子半導體器件，源極和漏極之間形成溝道，溝道內的載流子傳導受控於柵極電壓形成的溝道電場。JFET主要應用於分立元件電路，小信號應用MOS管，功率放大用LDMOS和GaAsMESFET，其中GaAsMESFET可用於低功率放大，也可用於高功率放大。金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）用絕緣柵構建而成，大多是採用雙向擴散工藝生產的。由於絕緣柵不傳導直流電流，偏置容易，負温度係數使漏電流隨温度升高而減小，防止了熱擊穿並允許多個管子並聯。基極無電荷存儲加快了開關速度，消除了副諧波振盪。縱向射頻功率MOSFET應用於VHF和UHF頻段。

Gemini封裝器件在HF波段發送功率1kW，在VHF波段可以發送幾百瓦。VMOS管通常工作電壓為12，28或50V。LDMOS主要應用於UHF和微波頻率低端，因為源端直接接地消除了焊接線電感，這樣不會產生負反饋，減少高頻段的增益。LDMOS器件通常工作電壓為28V，頻率2GHz，可獲得輸出功率120W。和該頻率範圍內的其他器件相比，這種器件成本較低，同時具有高功率增益、高效率、線性度好、單工作電壓和固有良好熱結構等優點，因此它是目前900MHz和2GHz頻率上高功率晶體管優先選擇的器件。

功率應用結型場效應晶體管（JFET）通常也叫作靜態感應晶體管（SIT）。基於Si，SiGe和SiC，UHF頻段上的射頻JFET可以獲得良好的功率和效率。JFET目前在微波與射頻集成電路中很少使用，因為它的截止頻率低且跨導和夾斷電壓離散性大。

GaAs金屬半導體FET（GaAsMESFET）是具有GaAs基和肖特基柵結的JFET。它們比Si基器件遷移率高，能夠高效地工作在較高頻率上。GaAsMESFET廣泛應用於微波功率放大，封裝形式2GHz頻率上達到200W，20GHz上達到40W。與MOSFET或JFET相比，有較低的夾斷電壓，通常工作於5～10V。大多數MESFET是耗盡型器件，需要負柵極偏壓。由於輸入電容隨電壓變化，其線性度較差，輸出電容也隨偏壓和頻率而變化。提高fT需要提高跨導gm和減小柵源之間的分佈電容Cgs，柵源分佈電容可以通過縮短柵長獲得，因此短柵能夠改善微波場效應管的高頻性能。 ^[2]