【導讀】對當前各種類型射頻微波晶體管的結構特點、性能和應用情況進行了分析和綜述。對晶體管的發展歷史進行了全面而細致的回顧，指明了今后射頻微波晶體管的發展特點和發展趨勢，得出了射頻微波晶體管的選型原則。
1 引 言
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、電弧放電和振蕩放電的放大器，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于向小型化、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。對于放大器設計者和系統設計者來說，選用什么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B J T 和MESFET，選擇類型比較容易，但實現功能比較單一，頻率范圍也比較小。80 年代以后，不同類型晶體的研制成功，實現功能和使用的頻率范圍進一步擴大，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。本文就是基于此目的，對射頻微波用晶體管的類型、歷史進程和發展趨勢進行綜述，使相關領域人員對目前各種類型的晶體管有一個比較清楚的認識，從而對選型做出正確的判斷。
2 類型與性能分析
射頻微波晶體管分為雙極晶體管和單極晶體管。雙極晶體管是指pnp 或npn 型這類有兩種極性不同的載流子參與導電機構的晶體管，也稱晶體三極管（BJT）。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（F E T ）。另外兩種擴展類型的晶體管就是異質結雙極晶體管（H B T ）和高電子遷移率晶體管（H E M T ），它們也分別屬于雙極晶體管和場效應晶體管。下面分別對這幾種類型的晶體管及引申類型進行描述和性能分析。
2.1 雙極結型晶體管（BJT）
硅雙極晶體管是最早的固態射頻功率器件，由于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于28 V電壓下，頻率可達5GHz，尤其可應用在高功率（1kW）脈沖雷達中。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 的正溫度系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。特征頻率fT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|hfe|=1的頻率。分析可知，晶體管的特征頻率與其結構參數密切相關。為了提高fT，應對晶體管的設計和工藝采取一些措施，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征頻率不可能很高。當要求頻率更高時，場效應管將顯得更加優越。
2.2 場效應晶體管（FET）
FET 屬于電子半導體器件，源極和漏極之間形成溝道，溝道內的載流子傳導受控于柵極電壓形成的溝道電場。JFET 主要應用于分立元件電路，小信號應用M O S 管，功率放大用L D M O S 和G a A sMESFET ，其中GaAs MESFET 可用于低功率放大，也可用于高功率放大。金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）用絕緣柵構建而成，大多是采用雙向擴散工藝生產的。由于絕緣柵不傳導直流電流，偏置容易，負溫度系數使漏電流隨溫度升高而減小，防止了熱擊穿并允許多個管子并聯。基極無電荷存儲加快了開關速度， 消除了副諧波振蕩。縱向射頻功率MOSFET 應用于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 主要應用于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28 V，頻率2 GHz，可獲得輸出功率120W。和該頻率范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900 MHz和2 GHz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）。基于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（GaAs MESFET）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。GaAs MESFET 廣泛應用于微波功率放大，封裝形式2 GHz 頻率上達到200 W，20 GHz 上達到40 W。與MOSFET 或JFET 相比，有較低的夾斷電壓，通常工作于5～10 V。大多數MESFET 是耗盡型器件，需要負柵極偏壓。由于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布電容Cgs，柵源分布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。
2.3 HFET/HEMT）
異質結是20世紀80年代發展起來的新型半導體材料，其工作頻率已進入毫米波段，且噪聲低、功率大，是微波功率所必需的器件。異質結是由兩種不同的半導體材料構成的結，微波波段的異質結通常是AlGaAs/GaAs 或InGaAs/GaAs。HFETs 和HEMT 是屬于異質結MESFET，其結構是在半絕緣GaAs 襯底上生長一層未摻雜的GaAs，再生長一層n-AlGaAs，形成異質結，然后在AlGaAs 上分別制作肖特基結和歐姆接觸，引出源、柵、漏三個電極。在異質結中G a A s 一側有一層二維電子氣（2 D E G ），由于G a A s 中不含電離施主，電子所受的散射將大大減小，從而導致很高的遷移率，進而改善了高頻性能。
贗配H E M T（P H E M T）通過采用I n G a A s 溝道進一步改善了基本的HEMT。就GaAs 來說，In所增加的遷移率增加了帶隙的不連續性，進而增加了大量的二維電子氣內載流子。然而，InGaAs 溝道和GaAs 基片之間的晶格失配也會增加，這限制了In 的含量只能達到22%。使用PHEMT 功率放大器效率45 GHz 后開始下降，PHEMT 可以應用的頻率高達80 GHz。功率輸出從L 波段的40 W 到V 波段的100 mW。InP HEMT 是將AlInAs/GaInAs 異質結置于InP 襯底上，晶格匹配程度較高，允許In的含量達到約50%。遷移率更高，依次增加了電子速度、導帶不連續性、二維電子氣和高跨導。InP HEMT 通常比PHEMT 和GaAs HEMT 的效率提高兩倍。
變質H E M T （M H E M T ）是使高I n 含量的溝道建立在GaAs 襯底上。高的電子遷移率和高峰值飽和速率能夠產生比P H E M T 器件更高的增益。M H E M T 由于相當低的擊穿電壓（＜ 3 V ）一般在較低功率應用。
2.4 異質結雙極晶體管（HBT）
通常情況下，HBT 是基于混合物半導體材料AlGaAs/GaAs。AlGaAs 發射結做的盡可能窄以減小基極電阻。基極是p 型摻雜 GaAs 薄層，勢壘由異質結（A l G a A s / G a A s）產生，因此，基極摻雜可以減小其電阻。目前，AlGaAs/GaAs HBT能夠產生幾瓦的功率輸出，廣泛地應用在無線手機中，同時GaAs HBT 也應用在頻率X 波段MMIC 電路中，甚至高達20 GHz 功率放大器中。
SiGe HBT 是使用SiGe 襯底，增加了工作頻率，減小了基底電阻。然而，和GaAs HBT 相比其效率和夾斷電壓較低。報道的SiGe HBT 在L 波段輸出功率超過了200 W。
InP HBT 使用InP 襯底，進一步提高了遷移率，從而提高了高頻性能。另外，InP HBT 有低的開啟電壓和膝電壓，這能夠產生高的增益和效率。集電結中的InP 增加了擊穿電壓，能夠產生高的輸出功率。目前為止，已經展示了頻率為20 GHz大約0.5 W的功率輸出，但是可以預料工作在50～60 GHz 是有可能的。
2.5 寬帶隙晶體管
SiC MESFET的寬帶隙能夠產生高的遷移率和大的夾斷電壓。因此，SiC MESFET 具有和GaAsM E S F E T 一樣的頻率響應，但是夾斷電壓是S iLDMOS 的兩倍。產生10 W/mm 的功率密度，是GaAs MESFET 的10 倍。SiC 襯底的高熱電導率尤其適用于高功率應用。SiC MESFET 通常工作在48V 的供電電壓下。當前可以得到10 W功率輸出的器件，60 W 或者更高已經在實驗室得到驗證。
3 射頻微波晶體管的歷史進程
自從1947年發明了雙極結型晶體管以后，器件工程師投入了很大精力，以提高射頻晶體管的速度和工作頻率。50年代開發了第一個頻率為1 GHz左右Ge BJT。之后，Si 基和GaAs 基 BJT 在高頻段獲得應用。1970 年，性能好的Si BJT 在頻率為1，2 和4 GHz 提供的最小噪聲系數分別為1.3，2.6 和4 dB，而頻率分別為1.2，2 和4 GHz 提供的輸出功率分別為100，20 和5 W。1968 年，對GaAsBJT 的研究興趣變淡，更多轉到了GaAs FET 上。1966 年，C.Mead 提出了第一個GaAs MESFET，并奠定了在射頻電子領域的應用。一年后，報道了fmax 為3 GHz 的晶體管。1970 年，fmax 達到30 GHz左右，超過了當時其他類型的晶體管。1973 年頻率達到100 GHz。70年代中期，低噪聲和功率GaAsM E S F E T 獲得了商用。
80年代后，隨著頻率范圍和要求的提高， IIIVHEMT 和III-V HBT 獲得發展。70 年代后期，貝爾實驗室通過實驗將未摻雜的GaAs 和n 型摻雜的AlGaAs 組成外延生長異質結構，證實了二維電子氣（2DEG）的存在。2DEG 的電子遷移率比GaAs的要高很多。因此，工程師對利用高電子遷移率的2DEG開發晶體管結構產生了較大的興趣并進行了大量的研究。早期的HEMT 是由AlGaAs/GaAs 異質結材料組成，具有比GaAs MESFET 好的射頻性能，尤其是在最小噪聲系數和輸出功率方面，但是性能的改善并沒有達到預期效果。這樣，80 年代中期，引入了AlGaAs/InGaAs 異質結，這個時期有兩種主要類型的H E M T ，分別是A l G a A s /InGaAs/ GaAs 和InAlAs/InGaAs/InP HEMT。對于In0.2Ga0.8As 異質結，就形成了GaAs PHEMT。GaAs PHEMT 在90 年代早期開始商用化，目前廣泛應用于低噪聲和功率放大。InP HEMT 比GaAspHEMT 性能更優，并隨著技術的成熟得到更廣泛的應用。
雙極晶體管的異質結想法幾乎和雙極晶體管同時出現。1948 年，W.Skockldy 闡述了由寬帶隙發射極和窄帶隙基區組成雙極晶體管的優勢。這種結構，HBT 能獲得高的fT 和fmax。隨著外延生長技術的改進，尤其是分子束外延（M B E ），能獲得高質量的異質結構。80 年代早期出現了GaAs HBT，目前具有AlGaAs 和InGaP 發射極的GaAs HBT 已經商用化并大量用于無線通信的功率放大。在開發InP HBT 上也投入了大量的工作，InP HBT 具有比GaAs HBT 更高的fT 和fmax。另外，出于對成本的考慮，在滿足性能的情況下，用硅基器件代替化合物半導體器件是研究的一個方向，因此使用硅基開發了SiGe HBT器件，由SiGe 基極層嵌入到Si發射結和Si集電結之間形成。1987年開發了第一個SiGeHBT，目前先進的SiGe HBT 的fT 和fmax 能達到200GHz。
90 年代晶體管的研究朝三個方向方向發展：一個是Si MOSFET，主要是連續尺度縮小和短柵SiMOS 工藝的日益成熟使得其在GHz 較低段成為主要應用對象，比如頻率為2.5 GHz 的LDMOSFET 和小信號RFCMOS 電路已經獲得商用。第二個方向是寬帶隙半導體的研究，如SiC 和III 氮化物，以大功率輸出為目的，主要器件有SiC MESFEF 和AlGaN/GaN HEMT，SiC MESFET 已經獲得商用化，fT 和fmax 超過100 GHz 的AlGaN/GaN HEMT 同時具有高輸出功率密度也被報道。第三個方向是變質HEMT（G a A s M H E M T ）的研究。
經過RF 晶體管近40 多年的發展，工作頻率連續提高，這主要是通過縮小關鍵器件的尺寸，引入異質結和利用新型半導體材料獲得的。最近幾年的研究，也是在以前研究的基礎上，不斷改進工藝，優化結構，加入新型材料以及降低成本。Yi-FengWu等人報道了頻率為8 GHz、功率密度為9.8 W/mm 的AlGaN/GaN HEMT。K. K. Chu 等人實現了獨立的GaN介質上功率密度為9.4W/mm的AlGaN/GaN HEMT，其中工作電壓為50V，工作頻率為10GHz，相應的功率附加效率為40%。J. S. Moon報道了用于厘米波高性能的凹陷柵AlGaN/GaNH E M T，工作頻率3 0 G H z，連續波功率密度為5.7W/mm，PAE 為45%，漏極效率為58%，Vds 為20 V。A. Minko等人則驗證了一種以高阻抗硅為基底的0.17 μ m T 型柵長度的AlGaN/GaN HEMT。Keith Nellis等人對線性手機功率放大器雙極技術進行比較，分別為GaAs HBT，Si BJT，SiGe HBT和InP HBT。Zoran Radivojevic等人[6]提出了為了改善LDMOS 性能的新型材料層狀銅，提高了器件的熱性能和熱傳導率。
4 展望與結論
通過以上對射頻微波晶體管的回顧，可以看到，各種類型、不同頻率、不同性能的晶體管不斷地被開發研制成功。與過去相比，在設計放大器時，有了更多的選擇，但選擇的難度也加大了。過去這種技術很多是應用到軍事上，設計時只考慮性能而不考慮成本，而目前更多的用于民用，需要在滿足性能的情況下獲得最低的成本。從技術發展的形勢看，晶體管的研究和應用主要從幾個方面發展：大用戶市場（工作頻率在2.5 GHz 以下），以Si MOSFET，Si CMOS，BiCOMS，SiGe HBT等為主要發展和研究對象，主要是其低成本的優勢，這主要利用先進的工藝技術克服硅基半導體所固有的缺陷，改進性能，滿足該類晶體管的放大要求。文獻都對CMOS晶體管及其放大器進行了比較和報道。在頻率2.5 GHz 以上，主要應用和研究對象屬于GaAs 基晶體管，包括有（MESFET，H E M T ，H B T 等）。超過4 0 G H z 頻率高性能的應用主要采用InP 基晶體管。后兩種晶體管通常采用異質結構、In 含量的摻雜濃度、以及柵極尺寸等來改善晶體管的性能，比如功率密度、晶體管特征頻率等。文獻報道了工作頻率在100GHz左右的H E M T 。從材料價格考慮，以上三種是逐步增大。以寬帶隙半導體（S i C ，G a N ）作為基底的晶體管也取得了進展，K. K. Chu 等人報道了這種類型的晶體管。作為一個放大器設計或者是系統設計工程師，應該對射頻微波晶體管有一個全面的了解，在選擇晶體管或者射頻微波放大器時，主要考慮的因素有工作頻率、性能要求及成本，有時基本滿足性能要求的情況下，成本是第一要考慮的。要根據實際情況作出恰到好處的選擇。隨著工藝技術的提高，Si基晶體管與相應的放大器適用頻率和應用范圍會不斷擴大，越來越多的性能極佳、成本較低的Si基晶體管被研制出來。適用更高性能、更高頻率的晶體管也會獲得進一步的發展，成本也會隨著工藝的日益成熟而下降。
隨著第三代移動通信系統的迅速發展，通信設備中的半導體器件的選擇成為主要的問題。幾年前，無線通信設備所用的半導體器件多為G a A sMESFET。目前無線通信系統用的器件種類繁多，包括異質結雙極晶體管、贗配高電子遷移率晶體管、各類鍺-硅器件和橫向擴散金屬-氧化物半導體（L D M O S ）器件等。最近兩年，很多半導體公司如freescale 對LDMOS 器件做了大量的研究，已對GaAs 和Si 雙極器件構成很大威脅，并已成為基站功率放大器的重要選擇。移動電話領域的主導器件仍是MESFET 功率放大器，但最新統計數字顯示，MESFET 無線功率器件的市場份額正在逐漸減少。可能取代MESFET 用于下一代手機，最有競爭實力的應是GaAs HBT。SiGe 是另一種具有多種不同形式的工藝技術。SiGe 具有極佳的噪聲系數，可以在一塊芯片上集成低噪聲放大器和中頻／混頻器芯片。在低噪聲放大器、中頻、混頻器和VCO 領域，SiGe 有望與GaAs 展開競爭。
作者：南敬昌，黎淑蘭，劉元安，唐碧華
來源：趨勢與展望
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