第2章 射频元器件及电路模型 无线通信射频电路技术与设计[文光俊]

1第2章射频元器件及电路模型教学重点本章重点介绍了电感器、电容器、电阻器等无源集总元件的物理结构、射频特性及等效电路模型；射频二极管、双极型晶体管、场效应晶体管的等效电路模型、模型与应用；并对比分析了双极型和场效应两类晶体管的频率、功率和噪声性能。教学重点教学重点掌握：双极型晶体管、场效应晶体管的物理结构、射频特性等效电路模型。了解：电感器、电容器、电阻器等无源集总元件的物理结构、射频特性及等效电路模型。熟悉：各类射频二极管的等效电路模型、功能与应用。能力要求2本章目录第一节无源集总元件第二节射频二极管第三节双极型晶体管第四节场效应晶体管第五节双极型器件和场效应器件的比较3知识结构射频元器件及电路模型双极型器件和场效应器件的比较双极型器件和场效应器件的功率与线性度性能无源集总元件射频二极管双极型晶体管场效应晶体管无源元件的射频特性异质结双极型晶体管电阻器电感器电容器肖特基二极管PIN二极管变容二极管IMPATT二极管耿氏二极管其它二极管MESFET工作特性高电子迁移率晶体管PHEMT技术金属氧化物场效应管CMOS技术BiCMOS技术双极型晶体管工作特性双极型器件和场效应器件的ft和fmax双极型器件和场效应器件的噪声性能4§2.1无源集总元件2.1.1电阻器1、MMIC中的电阻器单片射频/微波集成电路中，电阻器主要通过在半导体基片的掺杂区域沉积一层阻性材料如NiCr、TaN金属膜或多层多晶硅等进行生产，其结构及RF等效电路如下图所示：电阻器的结构图电阻器的简化RF等效电路5§2.1无源集总元件2、HMIC中的电阻器混合集成电路中，常见的电阻器有线绕电阻、碳质电阻、金属膜电阻和薄膜片状电阻等类型。其中，由于薄膜片状电阻具有体积小、可以作为贴片器件等优点，使得它广泛应用于现今的RF和MW电路中。贴片电阻的结构示意图表贴电阻器的等效电阻6§2.1无源集总元件2.1.2电容器电容器是射频/微波电路设计必备的元器件，广泛应用于隔直、匹配、耦合、旁路、滤波、调谐等电路。1、MMIC中的电容器（1）金属-绝缘层-金属（MIM)电容器通常在两个金属板间填充一层电介质材料夹层便可形成金属-绝缘层-金属电容器。金属-绝缘层-金属电容器的结构图电容器的集总元件式等效电路7§2.1无源集总元件（2）交指型电容器交指型电容器由一组平行的交错排列的薄导带构成。交指型电容器的电容量随着交指长度呈近似线性关系。其结构如下图所示：图2.7结构版式布局图2.8电容器与交指长度的函数关系8§2.1无源集总元件2、HMIC中的电容器在混合集成电路中，片状电容得到了广泛的应用。陶瓷电容是一种常见的贴片电容器，它由其间交叠着的若干金属电极矩形陶瓷介质和金属接触片组成，其结构如下图所示：陶瓷电容器的结构9§2.1无源集总元件2.1.3电感器电感器在射频/微波电路设计中常用于偏置、反馈和匹配等电路，是一种重要的元器件。1、MMIC中的电感器在单片微波集成电路中，最常见的是螺旋电感器，它具有结构紧凑、面积相对较小、电感量较大、自谐振频率高、品质因素高等特点。图2.10螺旋电感器示意图图2.11螺旋电感器的RF等效电路10§2.1无源集总元件2、HMIC中的电感器在混合集成电路设计中，电感器常用于晶体管的偏置电路。最常用的电感器是用漆包线在圆柱体上绕制而成。考虑线绕电感器的寄生参数效应，线圈的导线不是理想的，需要考虑其损耗，并且相邻绕线间存在的分离移动电荷会产生寄生电容效应。图2.12电感器一种简化等效电路图2.13空心螺旋管电感器11§2.1无源集总元件2.1.4无源元件的射频特性电阻、电容和电感是最为常见的三种无源元件，广泛应用于射频/微波电路设计中。在频率较低的情况下，这些元件可近似为理想元件，而在射频/微波频段，必须考虑这些元件的寄生参数效应。500欧金属膜电阻的阻抗绝对值随频率的变化关系12§2.1无源集总元件47pF电容的阻抗绝对值与频率的关系RFC阻抗绝对值随频率的变化关系13§2.2射频二极管2.2.1肖特基二极管肖特基二极管是以贵金属为正极，以N型半导体为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。Si基肖特基二极管的截面图电流-电压特性方程为：反向饱和电流为：AS-s(1)VIRIIe*2bS(exp[])qVIARTkT14§2.2射频二极管附加有绝缘环的肖特基二极管典型肖特基二极管的电路模型15§2.2射频二极管2.2.2PIN二极管PIN二极管的I-V特性的数学表达与电流的大小和方向有关。对轻掺杂N型本征层在PIN二极管两端的电压为正向电压时，流过PIN二极管的电流为：经台面处理技术加工成的PIN二极管结构PIN二极管的简化结构AT2/(2)iDP()(1)VVqnWIAeN16§2.2射频二极管PIN二极管在衰减器电路中既用于串联又用于并联的情况PIN二极管工作时需DC回路提供偏置电压，而DC回路必须与射频信号通路分开，因此可用一射频线圈RFC，RFC在DC电路中短路而在高频下开路。与此相反，电容在DC电路中开路而在高频下短路。串联设置下偏置PIN二极管的衰减器电路并联设置下的偏置二极管的衰减器电路17§2.2射频二极管2.2.3变容二极管变容二极管是利用PN结电容与其反向偏置电压依赖关系及原理制成的二极管。它是一种非线性元件，它通常用做可变电抗电路元件，主要产生三种基本不同的电路功能：谐波产生、微波信号调谐和调制、参量放大和上变频。变容二极管的简化电路模型及其电容特性18§2.2射频二极管2.2.4IMPATT二极管IMPATT是仅有的实用固态器件，其典型的工作频率为10-300GHz，且具有比较高的功率，其效率可达15%。IMPATT二极管的特性IMPATT二极管的电路表示19§2.2射频二极管2.2.5耿氏二极管耿氏二极管广泛用于低成本的电路中，这种二极管具有转移电子效应。耿氏二极管能产生几百毫瓦的连续波功率，频率从1GHz到100GHz,效率从5%到15%。2.2.6其他二极管（1）TRAPATT二极管中位于能带隙内的能级具有俘获电子的能力，利用这种势阱可获得更高的效率，直到75%。（2）BARRITT二极管主要应用在雷达的混频器和检波电路中。它本质上是一个渡越二极管，其二极管的效率较低，只有5%或更小。20§2.3双极型晶体管2.3.1双极型晶体管工作特性双极型晶体管是一个具有基极、发射极和集电极三端钮的器件，其结构如下图所示。其中的基极、发射极和集电极区域构成一个NPN（或者PNP）半导体，器件含有两个背靠背的PN结。双极型晶体管的结构图双极型晶体管的横截面结构图21§2.3双极型晶体管1、直流工作特性在直流偏压条件下，双极型晶体管可用作放大器。根据需要的不同，可对双极型晶体管进行不同的配置。共基双极型晶体管放大器双极型晶体管的共发射极配置在绝大多数半导体材料中，电子的迁移率远高于空穴的迁移率，而在实际应用中，通常需要获得高水平的电流增益，因此NPN双极型器件是首选。22§2.3双极型晶体管要获得高的电流增益，可通过增大电子迁移率、最大化发射极中的掺杂物浓度、最小化基极中的掺杂物浓度或减小基极宽度。在硅材料中，能量带隙减小量如式（1）所示，能量带隙减小将导致注入到发射极的空穴浓度增加。因此，能量带隙变窄按式（2）所述的指数规律降低。（1）（2）1222dgssB316qNqEkTgB-ndeepabEkTDNxeDNW23§2.3双极型晶体管双极型晶体管共基极配置的特性双极型晶体管共发射极配置的特性2.RF工作特性双极型晶体管的简化集总元件式等效电路24§2.3双极型晶体管上图所示的集总元件式等效电路表示的双极型器件，其MAG（最大可用增益，即为一个器件输入和输出二端口都满足最佳匹配条件时的前向功率增益）为：最高工作频率fmax是MAG降低到单位1时的频率，其表达式为：因此，要得到较大的fmax,器件必须满足ft高、电容小和基极电阻小的特点。反之，要求器件的垂直结构具有基极掺杂浓度高、基极宽度小和电流增益大的特点。T2cb8ffMAGCr12Tmaxcb8ffCr25§2.3双极型晶体管3.噪声系数分析双极型晶体管的最小噪声系数为：2boptmin2e0b1(1)rRfFrf其中：2221/2ebeoptbopt20b(2)[(1)]rrrfRrXf22TEeopt20b2(1)fCrfXf220220bb1[(1)(1)]ffaff26§2.3双极型晶体管2.3.2异质结双极型晶体管（HBT）异质结双极型晶体管（HBT）的制造采用发射极比基极有更宽禁带的半导体，因而发射极比基极有更宽的能量带隙。绝大多数HBT结构是通过诸如CVD或者MBE等晶体外延生长技术实现的，下图是这类器件的能带图。异质结双极型晶体管的能带结构图bgcvEEE这些能量带隙不连续，，它们在价带和导带之间分离开。共发射极电流增益：gBndeePabEkTDNxeDNW27§2.4场效应晶体管2.4.1MESFET工作特性MESFET由外延生长在一块半绝缘衬底上的优质半导体高导电层组成，其横截面结构如下图所示。这种晶体管含有两个欧姆接触极（源极和漏极），第三个电极（栅极）由放在这两个欧姆接触之间的一个整流（肖特基）基础构成。MESFET器件的横截面结构图28§2.4场效应晶体管1.MESFET的直流工作特性mgDSVGSVDSImgFET的增益机构都包含在了跨导之中，在给定漏极电压下，栅极电压对沟道电流的调制即为FET的跨导，它包含了FET的所有增益，其表达式为：DSDSmGSVIgV常量MESFET示意图MESFET的输出特性29§2.4场效应晶体管2.MESFET的射频工作特性在电路设计中，设计师所关心的是从RF测量值所推演出的MESFET的等效电路。集总元件式MESFET的横截面结构图30§2.4场效应晶体管2TsisTgdgisds442ffMAGRRRfCRRRRTmax12gisTggdds22ffRRRfRCR最大可用增益：最大振荡频率：MESFET的集总元件式等效电路31§2.4场效应晶体管3.噪声系数分析下图是GaAsMESFET的噪声等效电路，它可用来计算GaAsMESFET的噪声系数性能。最小噪声系数：GaAsMESFET的噪声等效电路22minmiTT2(1)2(1)()1fPfFPRCgPRCfRf其中：2nd0m4ikTfgP1dsm()PRg22gs2ng0m4WCRikTfg*ndnd22ngndigiCigi32§2.4场效应晶体管2.4.2高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管（HEMT）具有很高的频率特性和很低的噪声性能，这主要是因为其产生的二维电子气（2DEG）有很高的迁移率。这种器件能用于微波和毫米波功率应用中，且在高于X波段时其性能要优于MESFET。AlGaAs/GaAsHEMT的横截面结构及其导带外形结构33§2.4场效应晶体管1.HEMT的直流工作特性HEMT的输出特性与GaAsMESFET的输出特性非常相似，如图所示其输出特性可分为线性区域和饱和区域两部分。HEMT的输出特性在线性区域内：DSDS2DVIqnWs在饱和区域内：DS2DeffIqnvW34§2.4场效应晶体管2.HEMT模型DSI右图是等效电路元件值与栅极-源电压函数关系图，其中为沟道电流，从图中可看出它及沟道2DEG密度在正向偏置的作用下从夹断点变化到最大值。HEMT的函数关系3.HEMT的噪声特性HEMT具有优秀的噪声特性和晶体管中最低的噪声系数。几种HEMT器件在特定频率下的噪声系数值35§2.4场效应晶体管2.4.3PHEMT模型“赝同晶”（PHEMT）：器件的沟道由铟浓度在20％-30％之内的InGaAs构成，如下图所示。这样一来，沟道的晶格常数比GaAs