RF微波功率晶體(tǐ)管使用(yòng)的半导體(tǐ)材料

2020-05-20

在EMC领域的功率放大器中使用(yòng)了不同类型的晶體(tǐ)管。下面简要描述典型的晶體(tǐ)管及其工作特性。由于不同种类的半导體(tǐ)材料具有(yǒu)不同的特性，因此功率放大器的设计人员需要基于实际条件。需求选择和设计。RF微波功率放大器中使用(yòng)的半导體(tǐ)材料主要包括以下材料。

 双极结型晶體(tǐ)管（BJT）

      双极结型晶體(tǐ)管 BJT是三极管，一种具有(yǒu)三个端子的電(diàn)子设备，由具有(yǒu)三种不同掺杂程度的半导體(tǐ)制成。晶體(tǐ)管中的電(diàn)荷流动主要归因于PN结处载流子的扩散。漂移运动。

      这种晶體(tǐ)管的操作涉及電(diàn)子和空穴的流动，因此它被称為(wèi)双极型，因此也被称為(wèi)双极型载流子晶體(tǐ)管。常用(yòng)的晶體(tǐ)管和硅晶體(tǐ)管可(kě)以通过電(diàn)流来控制。在一定范围内，双极晶體(tǐ)管具有(yǒu)近似線(xiàn)性的特性。该范围称為(wèi)“放大面积”，集電(diàn)极電(diàn)流大约等于基极電(diàn)流的N倍。甲双极晶體(tǐ)管是一种相对复杂的非線(xiàn)性器件。如果偏置電(diàn)压分(fēn)配不当，则会使输出信号失真。即使在特定范围内工作，其電(diàn)流放大系数也会受到温度等因素的影响。双极晶體(tǐ)管的最大集電(diàn)极耗散功率是器件在一定温度和散热条件下可(kě)以工作的最大功率。 

 如果实际功率大于该值，则晶體(tǐ)管的温度将超过最大允许值，从而导致器件性能(néng)下降，甚至造成物(wù)理(lǐ)损坏。它可(kě)以在高达28伏的電(diàn)压下工作，并且可(kě)以在高达数GHz的频率下工作。為(wèi)了防止由于热击穿而导致的突然故障，必须精心设计晶體(tǐ)管的偏置電(diàn)压，因為(wèi)一旦触发热击穿，整个晶體(tǐ)管将立即被破坏。因此，采用(yòng)这种晶體(tǐ)管技术的放大器必须具有(yǒu)保护電(diàn)路，以防止发生这种热击穿。

      金属氧化物(wù)半导體(tǐ)场效应晶體(tǐ)管（MOSFET）

      MOSFET FET是单极性晶體(tǐ)管，仅可(kě)与单一类型载流子的漂移一起使用(yòng)。根据沟道极性的不同，金属氧化物(wù)半导體(tǐ)场效应晶體(tǐ)管可(kě)分(fēn)為(wèi)富電(diàn)子型N沟道型和空穴型P沟道型，通常被称為(wèi)N型氧化金半场效应晶體(tǐ)管。NMOSFET和P型MOSFET没有(yǒu)BJT的致命缺点，例如热失控。

     為(wèi)了适合大功率工作，在1970年代后期，开发了一种具有(yǒu)垂直沟道的绝缘栅场效应晶體(tǐ)管，即VMOS晶體(tǐ)管，称為(wèi)V沟道MOS场效应晶體(tǐ)管。 MOSFET之后新(xīn)开发的高效功率。该器件具有(yǒu)出色的特性，例如高耐压，大工作電(diàn)流和高输出功率。垂直MOS场效应晶體(tǐ)管（VMOSFET）的沟道長(cháng)度由外延层的厚度控制，因此适合于MOS器件的短沟道化，从而提高了器件的高频性能(néng)和工作速度。VMOS管工作在30MHz至3GHz的VHF和UHF频段。封装的VMOS器件可(kě)以在UHF频段提供高达1 kW的功率，甚高频（VHF）频段的功率為(wèi)数百瓦，并且可(kě)以通过12V，28V或50V供電(diàn)。某些VMOS器件可(kě)以在100V以上的電(diàn)压下运行。

     横向扩散MOS（LDMOS）

     横向双扩散MOSFET（LDMOS）：

 这是一个横向导電(diàn)MOSFET，可(kě)减小(xiǎo)沟道長(cháng)度。通过两次扩散制造的器件称為(wèi)LDMOS。在高压功率集成電(diàn)路中，经常使用(yòng)高压LDMOS来满足高压電(diàn)阻和功率控制的要求。射频電(diàn)源電(diàn)路。

     与晶體(tǐ)管相比，LDMOS在关键器件特性（例如增益，線(xiàn)性度和散热性能(néng)）方面具有(yǒu)明显优势，并且由于易于与CMOS工艺兼容而被普遍使用(yòng)。LDMOS可(kě)以承受比双极晶體(tǐ)管更高的驻波比，可(kě)以在不被破坏的情况下以更高的反射功率工作；它可(kě)以承受输入信号的过励磁，并具有(yǒu)很(hěn)高的瞬时峰值功率。LDMOS增益曲線(xiàn)更平滑，并允许失真较小(xiǎo)的多(duō)载波RF信号放大。 

      LDMOS晶體(tǐ)管对饱和區(qū)具有(yǒu)较低且不变的互调電(diàn)平。与双极晶體(tǐ)管不同，互调電(diàn)平很(hěn)高，并且随功率電(diàn)平而变化。该主要特性使LDMOS晶體(tǐ)管具有(yǒu)较高的性能(néng)。双极晶體(tǐ)管的功率良好且呈線(xiàn)性。LDMOS晶體(tǐ)管具有(yǒu)更好的温度特性。温度系数為(wèi)负，从而防止了散热的影响。

      由于这些特性，LDMOS特别适用(yòng)于UHF和较低频率。晶體(tǐ)管的源极连接到基板的底部并直接接地，消除了键合線(xiàn)電(diàn)感的影响，该影响会产生负反馈并降低增益，因此它是一款非常稳定的放大器。

      与其他(tā)器件相比，LDMOS的高击穿電(diàn)压和较低的成本使得LDMOS

900MHz和2GHz大功率基站发射机的首要选择。LDMOS晶體(tǐ)管还普遍用(yòng)于频率范围為(wèi)80MHz至1GHz的许多(duō)EMC功率放大器中。

      已经存在输出功率超过1.7 GHz的LDMOS器件，并且半导體(tǐ)制造商(shāng)正在开发具有(yǒu)更高频率范围且可(kě)以在3.5 GHz或更高频率下运行的大功率LDMOS器件。

   GaAs金属半导體(tǐ)场效应晶體(tǐ)管（GaAs MESFET）

      砷化镓，化學(xué)晶體(tǐ)化的砷化镓，是重要的半导體(tǐ)材料。具有(yǒu)高電(diàn)子迁移率（是硅的5到6倍），1.4eV的较宽禁带宽度（硅為(wèi)1.1eV），低噪声等的III-V族化合物(wù)半导體(tǐ)，GaAs比相同的Si更适合零件。在高频和大功率应用(yòng)中工作。由于这些特性，GaAs器件用(yòng)于无線(xiàn)通信，卫星通信，微波通信，雷达系统等中，并且可(kě)以在高达Ku频段的更高频率下工作。

      与LDMOS相比，击穿電(diàn)压更低。通常由12V電(diàn)源供電(diàn)，较低的设备阻抗会导致较低的设备阻抗，从而使宽带功率放大器的设计更加困难。

     GaAs MESFET是電(diàn)磁兼容微波功率放大器设计的常见选择，并普遍用(yòng)于80MHz至6GHz频率范围的放大器中。

GaAs双高電(diàn)子迁移率晶體(tǐ)管（GaAs pHEMT）

      GaAs pHEMT是一种改进的结构，用(yòng)于高電(diàn)子迁移率晶體(tǐ)管（HEMT），也称為(wèi)赝调制掺杂异质结场效应晶體(tǐ)管（PMODFET），具有(yǒu)更高的電(diàn)子面密度（约高2倍）；这里的電(diàn)子迁移率也更高（比GaAs高9％），因此PHEMT的性能(néng)优越。PHEMT具有(yǒu)双异质结结构，不仅可(kě)以提高器件阈值電(diàn)压的温度稳定性，而且可(kě)以提高器件的输出伏安特性，  从而使器件具有(yǒu)更大的输出  電(diàn)阻，更高的跨导和更大的電(diàn)流处理(lǐ)能(néng)力以及更高的工作频率，更低的噪声等。利用(yòng)这种材料，可(kě)以实现频率高达40 GHz且功率為(wèi)几瓦的功率放大器。

      在EMC领域，这种材料可(kě)用(yòng)于实现功率為(wèi)200 W的1.8 GHz至6 GHz功率放大器。

      氮化镓高電(diàn)子迁移率晶體(tǐ)管（GaN HEMT）

      氮化镓（GaN）HEMT是新(xīn)一代的RF功率晶體(tǐ)管技术。与GaAs和基于Si的半导體(tǐ)技术相比，GaN结合了更高的功率，更高的效率和更宽的带宽来实现特定的GaAs。MESFET器件的功能(néng)强大10倍，击穿電(diàn)压為(wèi)300伏，并且可(kě)以在更高的工作電(diàn)压下工作，从而大大简化了宽带大功率放大器的设计。

目前，氮化镓（GaN）HEMT器件的成本约為(wèi)LDMOS的5倍，并且已在EMC领域普遍用(yòng)于80MHz至6GHz功率放大器。