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微波器件与固体电路作业电技201521901012任利鹏一．微波电路设计涉及到以下方面，简要叙述（一）材料技术（1）砷化镓砷化镓是一种重要的半导体材料。属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体。属闪锌矿型晶格结构，砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。GaAs电路可以运用在移动电话、卫星通讯、微波点对点连线、雷达系统等地方。GaAs曾用来做成甘恩二极管、微波二极管和耿氏二极管)以发射微波。（2）硅单晶硅是重要的半导体材料。广泛应用的二极管、三极管、晶闸管、场效应管和各种集成电路都是用硅做的原材料。（3）异质结异质结，是指半导体异质结构一般是由两层以上不同材料所组成，它们各具不同的能带隙。这些材料可以是GaAs之类的化合物，也可以是Si-Ge之类的半导体合金。高速电子迁移率晶体管，就是利用半导体异质结构中杂质与电子在空间能被分隔的优点，因此电子得以有很高的迁移率。在此结构中，改变闸极(gate)的电压，就可以控制由源极(source)到泄极(drain)的电流，而达到放大的目的。因该组件具有很高的向应频率(600GHz)且低噪声的优点，因此广泛应用于无限与太空通讯，以及天文观测。（4）外延生长在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。对外延片检查主要包括：表面质量（不应有突起点、凹坑等）、导电类型、电阻率、外延层厚度、外延片（片中和各片间的均匀性）和缺陷密度（包括层错、位错、雾状微缺陷或小丘）等。（二）器件技术（1）BJTBJT：BJT是双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor—BJT）的缩写，又常称为双载子晶体管。它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件，有PNP和NPN两种组合结构。极结型晶体管，外部引出三个极：集电极，发射极和基极，集电极从集电区引出，发射极从发射区引出，基极从基区引出（基区在中间）；BJT有放大作用，主要依靠它的发射极电流能够通过基区传输到达集电区而实现的，为了保证这一传输过程，一方面要满足内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小，另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置（加正向电压）、集电结要反偏置；BJT种类很多，按照频率分，有高频管，低频管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半导体材料分，有硅管和锗管等；其构成的放大电路形式有：共发射极、共基极和共集电极放大电路。（2）HBTHBT:一种由砷化镓(GaAs)层和铝镓砷(AlGaAs)层构成的双极晶体管。异质结是两种带隙宽度不同的半导体材料构成的结，和导电类型不同的结（PN结）无关。多数情况两类相结合，有时不重合。由宽带隙半导体材料制作发射区，以窄带隙材料制作基区的双极型晶体管成为异质结双极型晶体管。工作原理:同质结双极管存在的主要问题：为提高电流增益，要求发射区重掺杂、基区轻掺杂，与为提高频率，又要求减小发射结电容、减少基区电阻而互相矛盾。为了解决该矛盾的根本途径是采用宽带隙半导体材料作成发射区，窄带隙材料作基区。由于降低了电子从发射区注入到基区的势垒，同时提高了空穴由基区向发射区反注入的势垒，提高了注入效率，进一步提高了电流增益，使器件在保持较高电流增益的条件下，提高晶体管的速度和工作频率。特点:HBT与结构相近的同质结晶体管相比，具有以下特点：特征频率fT高；最高振荡频率fmax高；厄利（Early）电压较高（因基区掺杂浓度高，耗尽区不易在基区内扩展）；基区穿通电压较高；当输出功率大导热差时，Ic-UCE特性常出现负阻效应。应用领域:微波、毫米波放大和震荡移动通信化合物超高速数字电路低温电路（Si/SiGeHBT），高温电路（AlGaN/GaNHBT）超高增益放大电路（PET和MISTJET)。（3）MESFETMESFET（Metal-SemiconductorFET），即金属-半导体[接触势垒]场效应晶体管。MESFET是一种由Schottky势垒栅极构成的场效应晶体管。它与p-n结型栅场效应晶体管相比，只是用金属-半导体接触势垒代替了p-n结栅，则热稳定性较差、漏电流较大、逻辑摆幅较小、抗噪声能力较弱；但是金属-半导体接触可以低温形成，而且不仅可用Si，而且也能采用GaAs材料来制造出性能优良的晶体管。MESFET的工作原理与JFET基本相同,但是有两点差异:a）在短沟道(0.5~2μm)GaAs-MESFET中,速度饱和模型能较好地描述I-V特性(虽然饱和机理是由于谷间跃迁而引起的速度饱和，但与Si和SiC等的MESFET相同，都将产生偶极畴并使电流饱和)；b）对于栅长0.5μm的GaAs-MESFET,由于GaAs中电子的能量弛豫时间动量弛豫时间，则电子的输运将是瞬态的,有明显的速度过冲效应(对短沟道Si器件,无明显的速度过冲)。（4）MOSFET金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effecttransistor）。MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型”的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS、PMOS等。（5）HEMTHEMT（HighElectronMobilityTransistor），高电子迁移率晶体管。这是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管(SDHT)等。这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。FET-IC实现超高频、超高速的困难（提高载流子迁移率的重要性）因为一般的场效应集成电路为了达到超高频、超高速，必须要减短信号传输的延迟时间τd∝CL/(μnVm)和减小器件的开关能量(使IC不致因发热而损坏)E=(Pdτd)≈CLVm2/2，而这些要求在对逻辑电压摆幅Vm的选取上是矛盾的，因此难以实现超高频、超高速；解决的一个办法就是，首先适当降低逻辑电压摆幅,以适应IC稳定工作的需要，而要缩短τd则主要是着眼于提高电子的迁移率μn，这就发展出了HEMT。（三）电路技术1阻抗匹配（impedancematching）信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。否则，便称为阻抗失配。有时也直接叫做匹配或失配。大体上，阻抗匹配有两种，一种是透过改变阻抗力（lumped-circuitmatching），另一种则是调整传输线的波长（transmissionlinematching）。2滤波（Wavefiltering）是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波分为经典滤波和现代滤波。滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。是根据观察某一随机过程的结果，对另一与之有关的随机过程进行估计的概率理论与方法。滤波是信号处理中的一个重要概念，滤波分经典滤波和现代滤波两种。经典滤波的概念，是根据傅立叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。3网络分析（networkanalysis)在激励和网络已知的情况下计箅网络响应的方法,也称电路分析。其最基本的计算法则是基尔霍夫电压定律（KVL)和电流定律(KCL)，再加上网络中各元器件的电流电压关系（简记作VCR)，就可以得出足够的网络方程(通常是微积分方程组)来求出所需的响应。依照激励源和网络种类以及所需求解响应的不同，有多种不同的分析方法。直接求解网络微积分方程的方法属于时域分析或时域解，这里激励和响应都是时间t的函数；采用拉普拉斯变换或傅里叶变换来求解网络方程的方法属于频域分析或频域解，这里网络方程变换成了代数方程，其中激励和响应都是复频率变量s或jω的函数。（四）无线通信系统简易无线通信系统由正弦波信号源部分、发射部分和接收部分组成。无线通信系统（WirelessCommunicationSystem）：也称为无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息和数据传输的系统。它根据工作频段或传输手段分类,可以分为中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。无线通信系统包括：发送设备、接收设备、传输媒体。发送设备（1）变换器（换能器）：将被发送的信息变换为电信号。例如话筒将声音变为电信号。（2）发射机：将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。（3）天线：将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。传输媒体——电磁波无线电波是一种频率相对较低的电磁波。对频率或波长进行分段，分别称为频段或波段。电磁波从发射机天线辐射后，不仅电波的能量会扩散，接收机只能收到其中极小的一部分，而且在传播过程中，电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射；或在大气层中产生折射或散射，从而造成强度的衰减。根据无线电波在传播过程所发生的现象,电波的传播方式主要有绕射（地波），反射和折射（天波），直射（空间波）。决定传播方式的关键因素是无线电信号的频率。接收设备（1）接收天线：将空间传播到其上的电磁波转化为高频电振荡（2）接收机：高频电振荡转化为电信号（3）变换器（换能器）：将电信号转化为所传送信息为了解决无线通信系统中存在的问题，发射机和接收机借助线性和非线性电子线路对携有信息的电信号进行变换和处理。除放大外，最主要有调制、解调。1.调制：由携有信息的电信号去控制高频振荡信号的某一参数，使该参数按照电信号的规律而变化。调制信号：携有信息的电信号。载波信号：未调制的高频振荡信号。已调波：经过调制后的高频振荡信号。调幅、调角（调频、调相）。2.解调：调制的逆过程，将已调波转换为载有信息的电信号。3.调制的作用：（1）显著减小天线的尺寸；(声音30～3000Hz，天线要几百km)；如果天线高度为辐射信号波长的四分之一，更便于发挥天线的辐射能力。于是分配民用广播的频段为535-1605KHz（中频段），对应波长为187-560m，天线需要几十米到上百米；而移动通信手机天线只不过10cm，它使用了900MHz频段。这些广播与移动通信都必须进行某种调制，而将话音或编码基带频谱搬移到应用频段。（2）将不同电台发送的信息分配到不同频率的载波信号上，使接收机可选择特定电台的信息而抑制其它电台发送的信息和各种干扰。在无线通信系统中，发射机组成包括以下几个部分：（1）振荡器：产生fosc的高频振荡信号，几十kHz以上。（2）高频放大器（倍频器）：一或多级小信号谐振放大器，放大振荡信号，使频率倍增至fc，并提供足够大的载波功率。（3）低频放大器：多级放大器组成，前几级为小信号放大器，用于放大微音器的电信号；后几级为功放，提供功率足够的调制信号。（4）高频功放及调幅器：实现调幅功能，将输入的载波信号和调制信号变换为所需的调幅波信号，并加到天线上。二．有源（固体）器件在微波范围内的应用：（一）二极管的分类与典型型号与其频率范围