RF微波功率晶体管使用的半导体材料

2020-05-20

在EMC领域的功率放大器中使用了不同类型的晶体管。下面简要描述典型的晶体管及其工作特性。由于不同种类的半导体材料具有不同的特性，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的半导体材料主要包括以下材料。

 双极结型晶体管（BJT）

      双极结型晶体管 BJT是三极管，一种具有三个端子的电子设备，由具有三种不同掺杂程度的半导体制成。晶体管中的电荷流动主要归因于PN结处载流子的扩散。漂移运动。

      这种晶体管的操作涉及电子和空穴的流动，因此它被称为双极型，因此也被称为双极型载流子晶体管。常用的晶体管和硅晶体管可以通过电流来控制。在一定范围内，双极晶体管具有近似线性的特性。该范围称为“放大面积”，集电极电流大约等于基极电流的N倍。甲双极晶体管是一种相对复杂的非线性器件。如果偏置电压分配不当，则会使输出信号失真。即使在特定范围内工作，其电流放大系数也会受到温度等因素的影响。双极晶体管的最大集电极耗散功率是器件在一定温度和散热条件下可以工作的最大功率。 

 如果实际功率大于该值，则晶体管的温度将超过最大允许值，从而导致器件性能下降，甚至造成物理损坏。它可以在高达28伏的电压下工作，并且可以在高达数GHz的频率下工作。为了防止由于热击穿而导致的突然故障，必须精心设计晶体管的偏置电压，因为一旦触发热击穿，整个晶体管将立即被破坏。因此，采用这种晶体管技术的放大器必须具有保护电路，以防止发生这种热击穿。

      金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）

      MOSFET FET是单极性晶体管，仅可与单一类型载流子的漂移一起使用。根据沟道极性的不同，金属氧化物半导体场效应晶体管可分为富电子型N沟道型和空穴型P沟道型，通常被称为N型氧化金半场效应晶体管。NMOSFET和P型MOSFET没有BJT的致命缺点，例如热失控。

     为了适合大功率工作，在1970年代后期，开发了一种具有垂直沟道的绝缘栅场效应晶体管，即VMOS晶体管，称为V沟道MOS场效应晶体管。 MOSFET之后新开发的高效功率。该器件具有出色的特性，例如高耐压，大工作电流和高输出功率。垂直MOS场效应晶体管（VMOSFET）的沟道长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器件可以在UHF频段提供高达1 kW的功率，甚高频（VHF）频段的功率为数百瓦，并且可以通过12V，28V或50V供电。某些VMOS器件可以在100V以上的电压下运行。

     横向扩散MOS（LDMOS）

     横向双扩散MOSFET（LDMOS）：

 这是一个横向导电MOSFET，可减小沟道长度。通过两次扩散制造的器件称为LDMOS。在高压功率集成电路中，经常使用高压LDMOS来满足高压电阻和功率控制的要求。射频电源电路。

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

      LDMOS晶体管对饱和区具有较低且不变的互调电平。与双极晶体管不同，互调电平很高，并且随功率电平而变化。该主要特性使LDMOS晶体管具有较高的性能。双极晶体管的功率良好且呈线性。LDMOS晶体管具有更好的温度特性。温度系数为负，从而防止了散热的影响。

      由于这些特性，LDMOS特别适用于UHF和较低频率。晶体管的源极连接到基板的底部并直接接地，消除了键合线电感的影响，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。

      与其他器件相比，LDMOS的高击穿电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晶体管还普遍用于频率范围为80MHz至1GHz的许多EMC功率放大器中。

      已经存在输出功率超过1.7 GHz的LDMOS器件，并且半导体制造商正在开发具有更高频率范围且可以在3.5 GHz或更高频率下运行的大功率LDMOS器件。

   GaAs金属半导体场效应晶体管（GaAs MESFET）

      砷化镓，化学晶体化的砷化镓，是重要的半导体材料。具有高电子迁移率（是硅的5到6倍），1.4eV的较宽禁带宽度（硅为1.1eV），低噪声等的III-V族化合物半导体，GaAs比相同的Si更适合零件。在高频和大功率应用中工作。由于这些特性，GaAs器件用于无线通信，卫星通信，微波通信，雷达系统等中，并且可以在高达Ku频段的更高频率下工作。

      与LDMOS相比，击穿电压更低。通常由12V电源供电，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是电磁兼容微波功率放大器设计的常见选择，并普遍用于80MHz至6GHz频率范围的放大器中。

GaAs双高电子迁移率晶体管（GaAs pHEMT）

      GaAs pHEMT是一种改进的结构，用于高电子迁移率晶体管（HEMT），也称为赝调制掺杂异质结场效应晶体管（PMODFET），具有更高的电子面密度（约高2倍）；这里的电子迁移率也更高（比GaAs高9％），因此PHEMT的性能优越。PHEMT具有双异质结结构，不仅可以提高器件阈值电压的温度稳定性，而且可以提高器件的输出伏安特性，  从而使器件具有更大的输出  电阻，更高的跨导和更大的电流处理能力以及更高的工作频率，更低的噪声等。利用这种材料，可以实现频率高达40 GHz且功率为几瓦的功率放大器。

      在EMC领域，这种材料可用于实现功率为200 W的1.8 GHz至6 GHz功率放大器。

      氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）

      氮化镓（GaN）HEMT是新一代的RF功率晶体管技术。与GaAs和基于Si的半导体技术相比，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器件的功能强大10倍，击穿电压为300伏，并且可以在更高的工作电压下工作，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器件的成本约为LDMOS的5倍，并且已在EMC领域普遍用于80MHz至6GHz功率放大器。