1
射频通信电路杜正伟东主楼 11区 216房间电话,62784107
E-mail,zwdu@mail.tsinghua.edu.cn
2
绪 论前期课：微波技术,电子线路内 容：微波电路理论，应用技术，
半导体知识，通信系统概念
3
本课的相关课程与技术相关课程：
电磁场 -- 基础课 电场磁场分布，电波传播微波技术 --无源电路 分布参数、传输线、微波网络、
滤波器、匹配,阻抗变换射频电路 --有源电路 放大、振荡、变频、滤波、收发信机有源电路定义：
中国习惯指含半导体器件的各种电路
英文书刊,active circuit 仅指 有高频能量增长的电路 如,放大器、振荡器
passive circuit 指 无能量增长的电路如,混频器、检波器、开关、限幅器信息工业领域：
信息采集 ---- 信息传输 ---- 信息处理
4
一,微波频段划分与应用领域
0.5 1 2 4 8 12.4 18 40 110 3000
0.1?μ?ê
2¨ 1
2¨ 2
P L S C X Ku K Ka V W
VHF UHF à32¨(SHF) oá?32¨(EHF)
GHz
ó￥ óê
26.5 50 75 300
oá?32¨
0.03-0.3 0.3-3 3-30 30-300 300-3000
微波频段,300MHz-300GHz(1m-1mm)； 1-1000GHz(30cm-0.3mm)
应用,RF集中在 18GHz以下； mm波段正在开发； 300GHz以上有源器件困难，处于探索阶段；进入光波，波长 1?m量级 (3?105GHz)--光通信领域
5
微波频段的主要应用领域
1,卫星通信与卫星电视广播
DBS-Direct Broadcast System
C波段 4/6GHz,下行 4 GHz,上行 6 GHz
Ku波段 12/15GHz，下行 12GHz，上行 15GHz
星间通信 36GHz
（低轨铱星 16GHz 19GHz）
微波有线电视 MMDS-Multichannel microwave Distribution Service 2.4GHz
2,微波中继通信 (与光缆、卫星三足鼎立 )
干线微波 2.1GHz,8GHz,11GHz
支线微波 6GHz,8GHz,11GHz,36GHz
农村多址 (一点多址 ) 1.5GHz,2.4GHz,2.6GHz
6
微波频段的主要应用领域 （续）
3,移动通信与个人通信蜂窝通信,模拟，数字 GSM，码分多址 (CDMA)
0.4GHz,0.9GHz,1.8GHz,2.4GHz,5.8GHz
寻呼 0.13GHz,0.15GHz,0.28GHz,0.41GHz
家电控制 2.45GHz,Bluetooth
4,雷达、气象、测距、定位雷达 远程警戒 P,L,S,C
精确制导 X,Ka
气象 1.7 GHz,0.1375GHz
汽车防撞、自动记费 36 GHz,60GHz
防盗 9.4 GHz
全球定位 GPS-Global Positioning System 1.57542 GHz C/A,1.2276 GHz P
7
微波频段的主要应用领域 （续）
5,射电天文 36GHz,94GHz,125GHz
6,计算机无线网 2.5 GHz,5.8 GHz,36GHz,
LMDS Multichannel microwave Distribution Service27GHz (28--38GHz)
超高速计算机，超高速数字电路
7,遥感、遥控工业控制、军事制导、探矿、森林防火、水灾监控、
农业资源
8,其他治疗癌症、杀虫、农业育种、生物
8
微波频段的电波传播特性
电波传播大气窗口 36GHz(8mm),94GHz(3.2mm)
电波传播衰减峰 22GHz(15mm),60GHz(5mm)
0.01
0.1
1
10
100
′ó
¤
dB/km
μ?ê /GHz
H 2 O
O 2
O 2
H 2 O
10 22 36 60 94 120 183140 220 300
9
第一章 微波晶体管放大电路 第二章 微波混频器第三章 微波振荡器 (书第四章 ) 第四章 微波控制电路 (书第五章 )
1,通信链路信息传输基本结构二,课内技术范围
×
μ?
2
2¨
÷
μí
éù
2?
′ó
÷
ì
μ
÷
a
μ÷
÷
μ÷
÷
D
μ
2?
′ó
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2?
′ó
÷
é?
±?
μ
÷
1￥
ê
2?
′ó
÷
2¨
÷
μ′?÷ μ′?÷
DD
é?
DD
10
本课程内容：
几种微波管,三极管 (晶体管 )、二极管几种电路,放大器、混频器、振荡器、控制电路外 加,外围电路 (包括匹配电路 )
11
2,有源器件
(1) 有源器件种类
* 半导体 小功率
* 真空器件 大功率
(2) 根据原材料和性能划分
GaAs FET HEMT
Si BJT MEMS
AlGaAs HBT HEMT PHEMT
InP HBT
Si-Ge HBT
12
三,电路结构形式
e r
E
TE2 ¨
e r
E
TE M? ￠ 3? TE M2 ¨
E
H
e r TEM? ￠ 3? TEM2 ¨
E
e r
e 0TEM? ￠ 3? TEM2 ¨
Microstrip 微带 Slot- line 槽线
Suspended 悬置微带线 Coplanar Waveguide (CPW)共面波导
13
电路结构形式
(1) Microstrip 微带线 MIC MMIC
基片金属薄膜电流分布趋肤效应特性阻抗
(2) Waveguide 波导 鳍状线
(3) Lumped 集中 (总 )参数 适于 1~3GHz
片式元件 自动焊 SMT
微组装
(4) 微波单片 (Monolithic)集成 MMIC
(5) 3DMIC 三维集成 MCM 第四代微波电路
E
H
e r
14
四、发展趋势
(1) MIC (2) MMIC
(3) MCM (4) SoC
(5) 微组装 (6) 新器件单片集成是最终方向五、设计技术计算机辅助设计：三次上机实验课
15
六、课程要求星期一下午交上周作业并取回上周所交作业顾洪明、庞云波：东主楼 11区 222房间电话,62781443
平时作业占课程总成绩的 20％
16
参 考 书
1,言华,微波固态电路,北京理工大学出版社,1995 (教材 )
2,高葆新等,微波集成电路 (中国集成电路大全 14分册 )，国防出版社,
1995
3,赵国湘,高葆新,微波有源电路,国防工业出版社,1990
4,Inder Bahl,Prakash Bhartia,Microwave Solid State Circuit Design,
A Wilcy-Interscience Publication,1988
5,顾其诤等,微波集成电路设计,人民邮电出版社,1978
6,清华大学编写组,微带电路,人民邮电出版社,1976
7,高葆新等,微波电路计算机辅助设计 (上下 ),清华大学出版社,
1986,1988
8.李润旗,李国定,高葆新,微波电路软件应用技术,国防工业出版社,
1996
17
RF Circuit Design Theory and Applications,2002
Radio-Frequency and Microwave Communication
Circuits,2001
The RF and Microwave Handbook,2001
18
第一章 微波晶体管放大电路
§ 1.1 微波晶体管种类与特性
§ 1.2 BJT硅双极型 微波晶体管
§ 1.3 微波场效应晶体管
§ 1.4 异质结微波晶体管 HEMT,PHEMT,HBT,SiGe HBT
§ 1.5 小信号微波晶体管放大器
§ 1.6 放大器噪声参数
§ 1.7 微波晶体管放大器设计
§ 1.8 微波功率放大器
19
§ 1.1微波晶体管种类与特性
BJT ------ Bipolar Junction Transistor 放大器、振荡器双极型晶体管,Si,0.1-3GHz,易匹配、价格低
MESFET - Metal Semiconductor Field Effect Transistor 振荡器、功放金属半导体场效应晶体管,GaAs,2-12GHz
HEMT --- High Electron Mobility Transistor LNA
高电子迁移率晶体管,GaAs,AlGaAs,2-40GHz
PHEMT -- Pseudo HEMT LNA
假沟道高电子迁移率晶体管,GaAs,AlGaAs,2-40GHz
HBT ------ Hetero Junction Bipolar Transistor 低相噪振荡器、功放异质结双极型晶体,GaAs,AlGaAs,2-20GHz
* SiGe HBT----- SiGe Hetero Junction Bipolar Transistor
硅 -锗 异质结双极型晶体管,Si,Ge,0.1-20GHz,成本低
* DGFET ---- Double Gate GaAs FET 可控放大器、混频器双栅 场效应晶体管,GaAs,2-20GHz
20
微波晶体管用途
低噪声放大器 (LNA)、功率放大器
振荡器
混频器、上变频器
开关、衰减器
21
§ 1.2 BJT硅双极型 微波晶体管
B B BE E
PN+? á
PN? á
N+ N+
P+
P D í? ù
N D í í a? ó 2 ˉ μ C
Si N+ 3? μ3
P+ P+
B
CE
b
c
e
Ib
Ic
特征频率功率增益最高振荡频率噪声系数
22
2,单向化功率增益
2'8 fcr
fG
cb
T
3,最高振荡频率 f max=f |G=1>fT 10~20GHz
cb
T
cr
ff
'8m a x?
1,特征频率 fT 5~10GHz
ff T? 0
ceV
b
c
I
I?
ec
TTf
12
载流子由 e向 c有渡越时间?ec。 f 升高,载流子尚未到 c时,输入电压已变化,使?下降 。?1时频率,
1ff T
b
c
e
Ib
Ic
B
E
CI b
C cr b '
I b
Z in
~
Z L
(1 5 W ) (0,0 7 pF )
Z o u tZ in
f=fT时,?=1。 但 Zin低,Zout高,故仍然有功率增益 。 只要 G>1就可能产生振荡 。
23
4,噪声系数 NF
噪声来源：
(1) 热噪声：主要由基极电阻 rb’ 引起
(2) 散粒噪声：主要是发射极、集电极电流的散粒噪声以及分配噪声 (发射极电流分成 Ic 和 Ib的随机起伏 )组成
(3) 闪烁噪声又称 1/f 噪声：主要由载流子复合引起
fk Tre bnb '2 4
fqIi ene 22
fqIi cnc 22
)(22 fFfqIi cn B
E
CI b
C cr b '
I b
Z in
~
Z L
(1 5 W ) (0,0 7 pF )
24
NF
ff 1
(100~200Hz)
f 2
(2~3GH z)
F min
1/ f éù
3dB/ ±μ 3ì
6dB/ ±μ 3ì
è?￠ é￠ á￡ éù
é￠ á￡ éù (2 )
)211(1m in hhF
2)('04.0
T
bc f
frIh?
最小噪声系数 (福井公式 )
转角频率：
f1,低噪声管在 100Hz以下
f2,f2?(0.2~0.3)fT?2~3GHz,f2以 6dB/倍频程上升室温 290K时噪声系数噪声功率仅由信号源产生的输出总输出噪声功率?NF
25
§ 1.3 微波场效应晶体管
V gs
-1V
°μ GaAs3? μ3
o 2?
1μ μà (í a?ó 2? ￡|
0.2mm
V ds
+3V
Source Gate Drain
I ds
m?2.0
*基片,0.1~0.3mm
*外延层,0.1~0.5?m
*栅极,肖特基势垒
*源极,欧姆接触
*漏极,欧姆接触电压控制特性短栅 FET的短沟道效应
FET的管芯等效电路
FET噪声
G
D
S
26
一、电压控制特性
Vgs控制 Ids
夹断电压 Vp (穿通电压 )
Vds < Vp
Vds = Vp
Vds > Vp
I d
V ds
V gs =0
V gs = -1.5
Vgs= -1
V gs = -0.5
V gs
-1V
°μ GaAs3? μ3
o 2?
1μ μà (í a?ó 2? ￡|
0.2mm
V ds
+3V
Source Gate Drain
I ds
m?2.0
27
ü 1è
1 =5000 ~ 8000
éü 1è
2 =100~ 200
E bE th E (V/cm)
V b
V (cm/s)
V=? E ( c m/ s )
GateSource Drain
1μ μà
E th
E
V
V th
V 0
二、短栅 FET的短沟道效应
1,GaAs的电子迁移率
1.43 eV
0.36 eV
′?
÷
1è
3ó 1è
k[100]
[000]
E(k)
2,短栅效应
1) 栅长在 1?m左右即出现短沟道效应
2) FET的工作频率一般在 20GHz
以下
28
R gs
C dgC gs
R s
C ds
D
S G
R ds
R g R
d
C dc
I ds =g m v gi
R g
C gs
R gs
C dg
C dc
G ds C ds
R d
R s
G D
S
V gi
I ds =g m v gi
三,FET的管芯等效电路 Cgs--栅源结电容
Cdg--栅漏部分耗尽层结电容
(Cgs + Cdg)--栅极与沟道间耗尽层总电容
Cdc--沟道中电荷偶极层的电容,
称为畴电容,在常被省略,
Rgs,Rds--沟道电阻
Cds--源极与漏极间的衬底电容
Rs,Rg,Rd--源极,栅极和漏极的分布参数电阻,包括体电阻引出端的欧姆接触电阻
gm--小信号跨导,与工作频率有关
29
几个基本参数：
* 跨导 gm=Ids /Vgi=
当漏电压 Vds一定时，栅压 Vgs对漏电流 Ids的控制能力。
sgsg
dsT
RRR
Rff
2m a x
实际封装管的上述值要下降总体上看,fT和 Cgs(栅长 )成反比
sgsg
ds
gs
m
RRR
R
C
g
fG
2
2 24
1
忽略 Cdg,Cdc,单向功率增益常数?dsV
gs
ds
dV
dI
* 输出端 短路共源电路 电流放大系数? = hfe
忽略 Rgs,Cdg,Cdc时,hfe=Id /Ig?gm /(j?Cgs)
* 特征频率 fT
忽略 Cdg,Cdc 时,f T? gm /(2?Cgs)
* 最高振荡频率 fmax
30
四,FET噪声噪声来源：
1,热噪声
沟道噪声,
G
S
D
R gs
C ds
C dg
C gs
g m v gi
G ds
2
nd
i
2
ng
i
2,高场扩散和谷际散射
3,闪烁噪声
PgfkTi mnd 02 4
栅源之间的感应栅极噪声,
Rg CfkTi
m
gs
ng
0
22
2 4?
沟道噪声通过栅电容 (Cgs,Cdg)耦合在栅极上的感应噪声。频率上升，
感应噪声加大。
P与直流偏压、器件内部结构有关
R与直流偏压、器件几何尺寸有关由于高场电子速度饱和效应和下能谷向上能谷跃迁的随机性产生的噪声由于 GaAs晶格的陷阱效应，它的 1/f噪声远高于 Si BJT中的 1/f 噪声。
31
Tf
fCPRF )1(21 2
m i n
最小噪声系数
P-- 因子,与直流偏压、器件内部结构有关,约为 1~3
R-- 因子,与直流偏压、器件几何尺寸有关
C-- 和 相关系数,C<1
22
*
ngnd
ngnd
ii
ii
jC?
2
ndi
2
ngi
ndi ngi
32
NF
ff B1 f B2 f F2f F1
3 dB/ ±μ 3ì
BJ T
FET 3 dB/ ±μ 3ì
6d B/ ±μ 3ì
BJT和 FET的噪声特性
f B1--0.1 kHz f B2--2 GHz
f F1--0.1 GHz f F2--20 GHz
33
§ 1.4 异质结微波晶体管 HEMT,PHEMT,HBT,GeSi-HBT
1,n-AlGaAs/GaAs 异质结
2,2DEG，没有杂质散射，迁移率高
3,沟道不掺杂，电场均匀，减弱短栅效应
4,隔离层使电子与施主隔开，提高迁移率
5,凹槽栅，可以做短栅
.
..
.,.,
...
...,..,.
.
.
.
..,
.,,.,,,,,.,
.,,.
....,,..,,,
....
.,,
.,.
..,.,
..,,,
.
.,,
.
..
.
.,
..
..,,,,
.,,.
..,,
.
..,.
S
G
D
n-A lGaAs (250A )
Ga As (1 5 0A)
0.2mm 半绝缘GaA s衬底
n + G a A s
沟道 异质结隔离层
(30 A)
2 D E G
n + G a A s
( 1 0 0 A )
A l G a A s
z
一,HEMT
34
二,PHEMT ( Pseudomorphic HEMT)
结构上和 HEMT相近似，区别是,
1,InGaAs层 代替 GaAs层做沟道称为“赝”层,2DEG浓度高
AlGaAs/InGaAs异质结界面导带不连续性更大,提高势阱内 2DEG聚集作用
2,InGaAs的电子饱和速度比 GaAs 高减弱短栅效应，减小渡越时间，更适于 0.1?m短栅毫米波器件 (用短栅时可获得更高频率 )
35
三,HBT
1,fT 高 比 BJT高 10倍迁移率，渡越时间
2,噪声小基区 rb’,复合噪声
3,击穿电压 BVce0高
GaAs 材料,E,C极轻掺杂
HBT,300~400V FET,20~30V
4,闪烁 (1/f )噪声低
FET 陷阱，振荡器 (相噪比 FET小 100~300倍 )
HEMT与 HBT中的异质结的区别：
HEMT HBT
GaAs不掺杂 GaAs P型重掺杂
2DEG不向 z方向运动 电子向 z方向运动
E
B
C
n+ GaAs μ? μ?
n- AlGaAs
n+ GaAs
p+ GaAs
n- GaAs
íê?á
òì?ê?á
B
1,双极型结构
2,基本材料用 GaAs
36
四,SiGe HBT
结构,掺锗提高异质结内建电场，克服隧道效应难点：工艺
1,功耗低：为 Si的 1/5~1/7
2,价格低：比 GaAs低一半
3,频率高,fT 可达 60~70GHz
4,模拟 /数字电路兼容五,MEMS (Micro-Electron Mechanical System)
1,3D MIC - 第 4代微波集成电路
2,开关，马达，移相，谐振器，陀螺，天线
3,复合智能系统
射频通信电路杜正伟东主楼 11区 216房间电话,62784107
E-mail,zwdu@mail.tsinghua.edu.cn
2
绪 论前期课：微波技术,电子线路内 容：微波电路理论，应用技术，
半导体知识，通信系统概念
3
本课的相关课程与技术相关课程：
电磁场 -- 基础课 电场磁场分布，电波传播微波技术 --无源电路 分布参数、传输线、微波网络、
滤波器、匹配,阻抗变换射频电路 --有源电路 放大、振荡、变频、滤波、收发信机有源电路定义：
中国习惯指含半导体器件的各种电路
英文书刊,active circuit 仅指 有高频能量增长的电路 如,放大器、振荡器
passive circuit 指 无能量增长的电路如,混频器、检波器、开关、限幅器信息工业领域：
信息采集 ---- 信息传输 ---- 信息处理
4
一,微波频段划分与应用领域
0.5 1 2 4 8 12.4 18 40 110 3000
0.1?μ?ê
2¨ 1
2¨ 2
P L S C X Ku K Ka V W
VHF UHF à32¨(SHF) oá?32¨(EHF)
GHz
ó￥ óê
26.5 50 75 300
oá?32¨
0.03-0.3 0.3-3 3-30 30-300 300-3000
微波频段,300MHz-300GHz(1m-1mm)； 1-1000GHz(30cm-0.3mm)
应用,RF集中在 18GHz以下； mm波段正在开发； 300GHz以上有源器件困难，处于探索阶段；进入光波，波长 1?m量级 (3?105GHz)--光通信领域
5
微波频段的主要应用领域
1,卫星通信与卫星电视广播
DBS-Direct Broadcast System
C波段 4/6GHz,下行 4 GHz,上行 6 GHz
Ku波段 12/15GHz，下行 12GHz，上行 15GHz
星间通信 36GHz
（低轨铱星 16GHz 19GHz）
微波有线电视 MMDS-Multichannel microwave Distribution Service 2.4GHz
2,微波中继通信 (与光缆、卫星三足鼎立 )
干线微波 2.1GHz,8GHz,11GHz
支线微波 6GHz,8GHz,11GHz,36GHz
农村多址 (一点多址 ) 1.5GHz,2.4GHz,2.6GHz
6
微波频段的主要应用领域 （续）
3,移动通信与个人通信蜂窝通信,模拟，数字 GSM，码分多址 (CDMA)
0.4GHz,0.9GHz,1.8GHz,2.4GHz,5.8GHz
寻呼 0.13GHz,0.15GHz,0.28GHz,0.41GHz
家电控制 2.45GHz,Bluetooth
4,雷达、气象、测距、定位雷达 远程警戒 P,L,S,C
精确制导 X,Ka
气象 1.7 GHz,0.1375GHz
汽车防撞、自动记费 36 GHz,60GHz
防盗 9.4 GHz
全球定位 GPS-Global Positioning System 1.57542 GHz C/A,1.2276 GHz P
7
微波频段的主要应用领域 （续）
5,射电天文 36GHz,94GHz,125GHz
6,计算机无线网 2.5 GHz,5.8 GHz,36GHz,
LMDS Multichannel microwave Distribution Service27GHz (28--38GHz)
超高速计算机，超高速数字电路
7,遥感、遥控工业控制、军事制导、探矿、森林防火、水灾监控、
农业资源
8,其他治疗癌症、杀虫、农业育种、生物
8
微波频段的电波传播特性
电波传播大气窗口 36GHz(8mm),94GHz(3.2mm)
电波传播衰减峰 22GHz(15mm),60GHz(5mm)
0.01
0.1
1
10
100
′ó
¤
dB/km
μ?ê /GHz
H 2 O
O 2
O 2
H 2 O
10 22 36 60 94 120 183140 220 300
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第一章 微波晶体管放大电路 第二章 微波混频器第三章 微波振荡器 (书第四章 ) 第四章 微波控制电路 (书第五章 )
1,通信链路信息传输基本结构二,课内技术范围
×
μ?
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DD
é?
DD
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本课程内容：
几种微波管,三极管 (晶体管 )、二极管几种电路,放大器、混频器、振荡器、控制电路外 加,外围电路 (包括匹配电路 )
11
2,有源器件
(1) 有源器件种类
* 半导体 小功率
* 真空器件 大功率
(2) 根据原材料和性能划分
GaAs FET HEMT
Si BJT MEMS
AlGaAs HBT HEMT PHEMT
InP HBT
Si-Ge HBT
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三,电路结构形式
e r
E
TE2 ¨
e r
E
TE M? ￠ 3? TE M2 ¨
E
H
e r TEM? ￠ 3? TEM2 ¨
E
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e 0TEM? ￠ 3? TEM2 ¨
Microstrip 微带 Slot- line 槽线
Suspended 悬置微带线 Coplanar Waveguide (CPW)共面波导
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电路结构形式
(1) Microstrip 微带线 MIC MMIC
基片金属薄膜电流分布趋肤效应特性阻抗
(2) Waveguide 波导 鳍状线
(3) Lumped 集中 (总 )参数 适于 1~3GHz
片式元件 自动焊 SMT
微组装
(4) 微波单片 (Monolithic)集成 MMIC
(5) 3DMIC 三维集成 MCM 第四代微波电路
E
H
e r
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四、发展趋势
(1) MIC (2) MMIC
(3) MCM (4) SoC
(5) 微组装 (6) 新器件单片集成是最终方向五、设计技术计算机辅助设计：三次上机实验课
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六、课程要求星期一下午交上周作业并取回上周所交作业顾洪明、庞云波：东主楼 11区 222房间电话,62781443
平时作业占课程总成绩的 20％
16
参 考 书
1,言华,微波固态电路,北京理工大学出版社,1995 (教材 )
2,高葆新等,微波集成电路 (中国集成电路大全 14分册 )，国防出版社,
1995
3,赵国湘,高葆新,微波有源电路,国防工业出版社,1990
4,Inder Bahl,Prakash Bhartia,Microwave Solid State Circuit Design,
A Wilcy-Interscience Publication,1988
5,顾其诤等,微波集成电路设计,人民邮电出版社,1978
6,清华大学编写组,微带电路,人民邮电出版社,1976
7,高葆新等,微波电路计算机辅助设计 (上下 ),清华大学出版社,
1986,1988
8.李润旗,李国定,高葆新,微波电路软件应用技术,国防工业出版社,
1996
17
RF Circuit Design Theory and Applications,2002
Radio-Frequency and Microwave Communication
Circuits,2001
The RF and Microwave Handbook,2001
18
第一章 微波晶体管放大电路
§ 1.1 微波晶体管种类与特性
§ 1.2 BJT硅双极型 微波晶体管
§ 1.3 微波场效应晶体管
§ 1.4 异质结微波晶体管 HEMT,PHEMT,HBT,SiGe HBT
§ 1.5 小信号微波晶体管放大器
§ 1.6 放大器噪声参数
§ 1.7 微波晶体管放大器设计
§ 1.8 微波功率放大器
19
§ 1.1微波晶体管种类与特性
BJT ------ Bipolar Junction Transistor 放大器、振荡器双极型晶体管,Si,0.1-3GHz,易匹配、价格低
MESFET - Metal Semiconductor Field Effect Transistor 振荡器、功放金属半导体场效应晶体管,GaAs,2-12GHz
HEMT --- High Electron Mobility Transistor LNA
高电子迁移率晶体管,GaAs,AlGaAs,2-40GHz
PHEMT -- Pseudo HEMT LNA
假沟道高电子迁移率晶体管,GaAs,AlGaAs,2-40GHz
HBT ------ Hetero Junction Bipolar Transistor 低相噪振荡器、功放异质结双极型晶体,GaAs,AlGaAs,2-20GHz
* SiGe HBT----- SiGe Hetero Junction Bipolar Transistor
硅 -锗 异质结双极型晶体管,Si,Ge,0.1-20GHz,成本低
* DGFET ---- Double Gate GaAs FET 可控放大器、混频器双栅 场效应晶体管,GaAs,2-20GHz
20
微波晶体管用途
低噪声放大器 (LNA)、功率放大器
振荡器
混频器、上变频器
开关、衰减器
21
§ 1.2 BJT硅双极型 微波晶体管
B B BE E
PN+? á
PN? á
N+ N+
P+
P D í? ù
N D í í a? ó 2 ˉ μ C
Si N+ 3? μ3
P+ P+
B
CE
b
c
e
Ib
Ic
特征频率功率增益最高振荡频率噪声系数
22
2,单向化功率增益
2'8 fcr
fG
cb
T
3,最高振荡频率 f max=f |G=1>fT 10~20GHz
cb
T
cr
ff
'8m a x?
1,特征频率 fT 5~10GHz
ff T? 0
ceV
b
c
I
I?
ec
TTf
12
载流子由 e向 c有渡越时间?ec。 f 升高,载流子尚未到 c时,输入电压已变化,使?下降 。?1时频率,
1ff T
b
c
e
Ib
Ic
B
E
CI b
C cr b '
I b
Z in
~
Z L
(1 5 W ) (0,0 7 pF )
Z o u tZ in
f=fT时,?=1。 但 Zin低,Zout高,故仍然有功率增益 。 只要 G>1就可能产生振荡 。
23
4,噪声系数 NF
噪声来源：
(1) 热噪声：主要由基极电阻 rb’ 引起
(2) 散粒噪声：主要是发射极、集电极电流的散粒噪声以及分配噪声 (发射极电流分成 Ic 和 Ib的随机起伏 )组成
(3) 闪烁噪声又称 1/f 噪声：主要由载流子复合引起
fk Tre bnb '2 4
fqIi ene 22
fqIi cnc 22
)(22 fFfqIi cn B
E
CI b
C cr b '
I b
Z in
~
Z L
(1 5 W ) (0,0 7 pF )
24
NF
ff 1
(100~200Hz)
f 2
(2~3GH z)
F min
1/ f éù
3dB/ ±μ 3ì
6dB/ ±μ 3ì
è?￠ é￠ á￡ éù
é￠ á￡ éù (2 )
)211(1m in hhF
2)('04.0
T
bc f
frIh?
最小噪声系数 (福井公式 )
转角频率：
f1,低噪声管在 100Hz以下
f2,f2?(0.2~0.3)fT?2~3GHz,f2以 6dB/倍频程上升室温 290K时噪声系数噪声功率仅由信号源产生的输出总输出噪声功率?NF
25
§ 1.3 微波场效应晶体管
V gs
-1V
°μ GaAs3? μ3
o 2?
1μ μà (í a?ó 2? ￡|
0.2mm
V ds
+3V
Source Gate Drain
I ds
m?2.0
*基片,0.1~0.3mm
*外延层,0.1~0.5?m
*栅极,肖特基势垒
*源极,欧姆接触
*漏极,欧姆接触电压控制特性短栅 FET的短沟道效应
FET的管芯等效电路
FET噪声
G
D
S
26
一、电压控制特性
Vgs控制 Ids
夹断电压 Vp (穿通电压 )
Vds < Vp
Vds = Vp
Vds > Vp
I d
V ds
V gs =0
V gs = -1.5
Vgs= -1
V gs = -0.5
V gs
-1V
°μ GaAs3? μ3
o 2?
1μ μà (í a?ó 2? ￡|
0.2mm
V ds
+3V
Source Gate Drain
I ds
m?2.0
27
ü 1è
1 =5000 ~ 8000
éü 1è
2 =100~ 200
E bE th E (V/cm)
V b
V (cm/s)
V=? E ( c m/ s )
GateSource Drain
1μ μà
E th
E
V
V th
V 0
二、短栅 FET的短沟道效应
1,GaAs的电子迁移率
1.43 eV
0.36 eV
′?
÷
1è
3ó 1è
k[100]
[000]
E(k)
2,短栅效应
1) 栅长在 1?m左右即出现短沟道效应
2) FET的工作频率一般在 20GHz
以下
28
R gs
C dgC gs
R s
C ds
D
S G
R ds
R g R
d
C dc
I ds =g m v gi
R g
C gs
R gs
C dg
C dc
G ds C ds
R d
R s
G D
S
V gi
I ds =g m v gi
三,FET的管芯等效电路 Cgs--栅源结电容
Cdg--栅漏部分耗尽层结电容
(Cgs + Cdg)--栅极与沟道间耗尽层总电容
Cdc--沟道中电荷偶极层的电容,
称为畴电容,在常被省略,
Rgs,Rds--沟道电阻
Cds--源极与漏极间的衬底电容
Rs,Rg,Rd--源极,栅极和漏极的分布参数电阻,包括体电阻引出端的欧姆接触电阻
gm--小信号跨导,与工作频率有关
29
几个基本参数：
* 跨导 gm=Ids /Vgi=
当漏电压 Vds一定时，栅压 Vgs对漏电流 Ids的控制能力。
sgsg
dsT
RRR
Rff
2m a x
实际封装管的上述值要下降总体上看,fT和 Cgs(栅长 )成反比
sgsg
ds
gs
m
RRR
R
C
g
fG
2
2 24
1
忽略 Cdg,Cdc,单向功率增益常数?dsV
gs
ds
dV
dI
* 输出端 短路共源电路 电流放大系数? = hfe
忽略 Rgs,Cdg,Cdc时,hfe=Id /Ig?gm /(j?Cgs)
* 特征频率 fT
忽略 Cdg,Cdc 时,f T? gm /(2?Cgs)
* 最高振荡频率 fmax
30
四,FET噪声噪声来源：
1,热噪声
沟道噪声,
G
S
D
R gs
C ds
C dg
C gs
g m v gi
G ds
2
nd
i
2
ng
i
2,高场扩散和谷际散射
3,闪烁噪声
PgfkTi mnd 02 4
栅源之间的感应栅极噪声,
Rg CfkTi
m
gs
ng
0
22
2 4?
沟道噪声通过栅电容 (Cgs,Cdg)耦合在栅极上的感应噪声。频率上升，
感应噪声加大。
P与直流偏压、器件内部结构有关
R与直流偏压、器件几何尺寸有关由于高场电子速度饱和效应和下能谷向上能谷跃迁的随机性产生的噪声由于 GaAs晶格的陷阱效应，它的 1/f噪声远高于 Si BJT中的 1/f 噪声。
31
Tf
fCPRF )1(21 2
m i n
最小噪声系数
P-- 因子,与直流偏压、器件内部结构有关,约为 1~3
R-- 因子,与直流偏压、器件几何尺寸有关
C-- 和 相关系数,C<1
22
*
ngnd
ngnd
ii
ii
jC?
2
ndi
2
ngi
ndi ngi
32
NF
ff B1 f B2 f F2f F1
3 dB/ ±μ 3ì
BJ T
FET 3 dB/ ±μ 3ì
6d B/ ±μ 3ì
BJT和 FET的噪声特性
f B1--0.1 kHz f B2--2 GHz
f F1--0.1 GHz f F2--20 GHz
33
§ 1.4 异质结微波晶体管 HEMT,PHEMT,HBT,GeSi-HBT
1,n-AlGaAs/GaAs 异质结
2,2DEG，没有杂质散射，迁移率高
3,沟道不掺杂，电场均匀，减弱短栅效应
4,隔离层使电子与施主隔开，提高迁移率
5,凹槽栅，可以做短栅
.
..
.,.,
...
...,..,.
.
.
.
..,
.,,.,,,,,.,
.,,.
....,,..,,,
....
.,,
.,.
..,.,
..,,,
.
.,,
.
..
.
.,
..
..,,,,
.,,.
..,,
.
..,.
S
G
D
n-A lGaAs (250A )
Ga As (1 5 0A)
0.2mm 半绝缘GaA s衬底
n + G a A s
沟道 异质结隔离层
(30 A)
2 D E G
n + G a A s
( 1 0 0 A )
A l G a A s
z
一,HEMT
34
二,PHEMT ( Pseudomorphic HEMT)
结构上和 HEMT相近似，区别是,
1,InGaAs层 代替 GaAs层做沟道称为“赝”层,2DEG浓度高
AlGaAs/InGaAs异质结界面导带不连续性更大,提高势阱内 2DEG聚集作用
2,InGaAs的电子饱和速度比 GaAs 高减弱短栅效应，减小渡越时间，更适于 0.1?m短栅毫米波器件 (用短栅时可获得更高频率 )
35
三,HBT
1,fT 高 比 BJT高 10倍迁移率，渡越时间
2,噪声小基区 rb’,复合噪声
3,击穿电压 BVce0高
GaAs 材料,E,C极轻掺杂
HBT,300~400V FET,20~30V
4,闪烁 (1/f )噪声低
FET 陷阱，振荡器 (相噪比 FET小 100~300倍 )
HEMT与 HBT中的异质结的区别：
HEMT HBT
GaAs不掺杂 GaAs P型重掺杂
2DEG不向 z方向运动 电子向 z方向运动
E
B
C
n+ GaAs μ? μ?
n- AlGaAs
n+ GaAs
p+ GaAs
n- GaAs
íê?á
òì?ê?á
B
1,双极型结构
2,基本材料用 GaAs
36
四,SiGe HBT
结构,掺锗提高异质结内建电场，克服隧道效应难点：工艺
1,功耗低：为 Si的 1/5~1/7
2,价格低：比 GaAs低一半
3,频率高,fT 可达 60~70GHz
4,模拟 /数字电路兼容五,MEMS (Micro-Electron Mechanical System)
1,3D MIC - 第 4代微波集成电路
2,开关，马达，移相，谐振器，陀螺，天线
3,复合智能系统
