[科普中国]-微波晶体管

在微波波段工作的晶体管。微波波段指频率在 300兆赫～300吉赫的电磁波谱。按功能分类，微波晶体管包括微波低噪声晶体管和微波大功率晶体管。按结构分类，微波晶体管可分为双极型晶体管和场效应晶体管。

简介由于工作频率高，微波晶体管必须具有微米或亚微米的精细几何尺寸。随着薄层外延技术、浅结扩散或离子注入技术、投影曝光、远紫外曝光、X射线曝光、电子束曝光等微细加工技术的发展，微波晶体管的工作频率、功率和低噪声性能已得到提高。1

分类微波低噪声晶体管主要用于微波通信、卫星通信、雷达、电子对抗以及遥测、遥控系统中的接收机前置放大器。微波晶体管的噪声越低，接收机的灵敏度越高，这些系统的作用距离越大。

双极型晶体管的噪声来源有：热噪声、散弹噪声、分配噪声和1/f噪声（也称闪烁噪声）。场效应晶体管是多数载流子器件，故不存在少数载流子引起的散弹噪声和分配噪声，但存在一个肖特基栅感应噪声。

为了降低微波低噪声晶体管的噪声，对双极型晶体管来说，最重要的是减小基极电阻及各项串联电阻和接触电阻，减小寄生电容，减薄基区，减小少子的渡越时间等。对场效应晶体管来说，应尽可能降低源的串联电阻、接触电阻以及栅金属化电阻，尽量减小栅长（已达到亚微米量级），采用低温致冷技术等。

双极晶型体管和场效应晶体管的噪声来源不尽相同，但它们随频率和工作电流的变化规律是相似的。尽量降低白噪声和采用较小的工作电流，可以得到最佳效果。

硅双极型晶体管最高工作频率只达到8吉赫，而且在这一频率下噪声很大，无实用价值。一般只应用于2吉赫以下，噪声系数为1～2分贝。

砷化镓场效应管的工作频率已达60吉赫。在工作频率1～12吉赫下，噪声系数仅0.5～1.4分贝。异质结高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)工作频率更高、噪声更低。1

微波功率晶体管微波功率晶体管可在微波频率下可靠地输出几百毫瓦至几十瓦的射频功率。这就要求晶体管在微波频率下具有良好的功率增益和效率。高频率和大功率是矛盾的，故微波功率晶体管的设计须从器件结构、物理参数、电学性能和热传导等各方面综合考虑。提高频率、功率性能的主要途径有:①提高发射极的“周长/面积比”，以提高单位发射极周长的电流容量。②采用浅结高浓度扩散或离子注入，以得到小的基极电阻，又能减薄基区，从而缩短少子在基区的渡越时间，提高工作频率。③采用多发射极单元分散的结构，适当减薄外延层和衬底厚度，以减小热阻。器件的主要结构形式有梳状、覆盖式、网状及菱形等。④采用电迁徙小、能承受大电流密度、欧姆接触电阻小的多层难熔金属化系统（如铂钛铂金、钨钛金、铂钼金等）。⑤为了提高抗电压驻波比能力、防止二次击穿，通常在发射极串联一个镇流电阻。⑥微波功率晶体管的管壳既要散热性能好，又要频率性能好，因此通常采用对电绝缘、导热性能可与金属媲美的氧化铍陶瓷作管座，某些情况下，可采用内匹配技术，即在管壳内制一个MOS或MOM电容和键合内引线组成网路与管芯匹配，使得电流在发射极各区均匀分配，以提高功率输出，并在一定的频带内，得到最高的功率增益。⑦减小发射极引线电感量，是提高增益的关键之一。

砷化镓肖特基场效应管(GaAsMESFET)是一种性能优良的微波功率晶体管，它的工作频率远远高于硅双极功率管。但砷化镓材料的热阻比硅大，因而功率容量比硅双极功率管小很多。双极晶体管可工作在微波频段的低端，而输出较大的功率（400兆赫下输出功率达100瓦，1吉赫下输出功率达50瓦，砷化镓场效应管则可工作在微波频段的高端，输出中等大小的功率6～8吉赫下输出功率为20～25瓦，12吉赫下输出功率为1～3瓦）。功率场效应晶体管是多子器件，不存在二次击穿和低温下电流增益下降的问题。它的工作温度范围很宽(一般为－55～12)，也可能在77K下工作。最高结温为20。它的抗辐射能力比硅双极晶体管高两个数量级。

微波功率晶体管还有硅静电感应场效应管、硅VMOS和异质结（镓铝砷/砷化镓）双极晶体管等结构。1

射频微波晶体管绪论半导体技术的发展，促进了射频微波功率器件的发展，从而也为无线通信系统发射前端提供了保证。功率放大器作为无线通信前端发射模块的关键器件，经历了四个阶段：分别是应用瞬态放电、电弧放电和振荡放电的放大器，电子管放大器、分立晶体管和集成晶体管放大器。功率放大器的发展趋于向小型化、集成化、宽带化、线性化、高功率低电压的方向发展，使得整个发射模块能够集成到一个芯片上，同时做到低功耗、高线性、高频率应用的目的。对于放大器设计者和系统设计者来说，选用什么类型的晶体管和功率放大器是影响放大器性能和系统性能的重要因素。20世纪60～80年代，晶体管的类型比较单一，主要是BJT和MESFET，选择类型比较容易，但实现功能比较单一，频率范围也比较小。80年代以后，不同类型晶体的研制成功，实现功能和使用的频率范围进一步扩大，选用不同类型的晶体管和不同应用场合的功率放大器变得比较困难，设计工程师必须对各种类型的晶体管及其性能有比较清楚的认识，才能做出正确的判断。2

类型与性能分析射频微波晶体管分为双极晶体管和单极晶体管。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（FET）。另外两种扩展类型的晶体管就是异质结双极晶体管（HBT）和高电子迁移率晶体管（HEMT），它们也分别属于双极晶体管和场效应晶体管。

双极结型晶体管（BJT）

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28V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fT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。2

场效应晶体管（FET）

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MOS管，功率放大用LDMOS和GaAsMESFET，其中GaAsMESFET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28V，频率2GHz，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900MHz和2GHz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（GaAsMESFET）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。GaAsMESFET广泛应用于微波功率放大，封装形式2GHz频率上达到200W，20GHz上达到40W。与MOSFET或JFET相比，有较低的夹断电压，通常工作于5～10V。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。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学