04-微波有源器件.ppt

金属半导体场效应晶体管
图2-21 MESFET晶体管
金属半导体场效应晶体管（metal semiconductor field-effect transistor MESFET）是微波场效应器件中用得最多的器件，也叫做肖特基势垒晶金属半导体场效应晶体管
图2-21 MESFET晶体管
金属半导体场效应晶体管（metal semiconductor field-effect transistor MESFET）是微波场效应器件中用得最多的器件，也叫做肖特基势垒晶体管（SBT）肖特基势垒场效应晶体管（SBFET）。用外延法生长的有源层是掺杂硫或锡离子的N型GaAs，栅电极用蒸发铝得到，源和漏是金-锗合金，见图2-21。
31
高电子迁移率晶体管HEMT
微波JFET另一形式是高电子迁移率晶体管HEMT（high-electron mobility transistor HEMT）。HEMT也叫做TEGFET（two-dimensional electron GaAs FET）或异质结FET（heterojunction FET, HFET）见图2-22。这类器件在60GHz增益可达到11dB，，，，发射极每mm功率密度，10GHz时到2W（连续波）。为了减少渡越时间提高工作频率HEMT必须做得很薄，要用离子注入、分子束外延、MOCVD工艺制作。在10GHz时，功率密度已达到2W/mm，输出功率电平达到4-6W。
图2-22 (A) HEMT transistor；
(B) HFET transistor
32
等效电路与工作特性曲线
①等效电路
图2-23表示微波场效应晶体管的结构与等效电路关系。
(a)是结构示意图，(b)是其等效电路，gm表示跨导，cgs、cgd、cds分别表示栅源，栅漏、以及衬垫电容。Rg、Rd、Rs、Rj和Rds分别表示栅、漏、源、本征沟道和输出电阻，Ids表示漏源电流。Lg、Ld和Ls分别表示栅、漏、源电极电感。
图2-23 微波FET结构与等效电路关系
33
等效电路与工作特性曲线
②工作特性曲线
FET的工作基础是用加在栅源之间的电压（Vgs），改变栅极肖特基势垒的宽度，从而改变漏源电流（Ids）和电压（Vds）。
由此可以得到两组特性曲线：
一组以Vds为参变量的Ids~ Vgs曲线，示于图2-24（a）；
又一组以Vgs为参变量的Ids~ Vds特性曲线示于图2-24（b）。
由两组曲线我们可以看到，当Vgs有很小变化时，Ids有较大变化，这就构成了信号的放大，
实践证明： ~ –3伏范围，Vds在2到5伏范围；
 功率FET，Vgs在–1到–5伏范围，Vds在5~10伏范围。
图2-24 Lds~ Vgs、Ids~ Vds特性曲线
34
FET主要参量
（1）截止频率，定义为：当电流增益为一时的工作频率

显然，增大电子饱和速度vs（即增加电子迁移率）减少栅长L可提高FET管的截止频率。
（2）最大振荡频率（或最大可用增益0dB频率）

式中
显然为增大fmax，应减小栅极、本征体、源极电阻，增加衬垫电阻Rds，同时减小漏栅之间电容。
（3）在频率f时最大可用增益
由上式可以看出，f每增加倍频程，增益降6dB，为了增加Gmax必须提高fT，减小各种电阻以及源长度Ls。
35
FET主要参量
（4）单向增量（反向传输为零）

（5）最小噪声系数

为了减小管子的噪声，应减小栅、源电阻和提高截止频率。
上面各式中，vs表示饱和速度（107cm/s在300K，砷化镓），L是栅长，单位m，Kf，K1。
（6）1dB压缩点
表示管子工作的最大线性范围的输入功率，当输出功率偏离线性负1dB时的输入功率或相应输出功率。
上述微波场效应管特性只与管子本身的结构和频率有关，是管子的固有特性，与外电路无关。
由上面的特性显然可以看出我们在电路中选管应根据频率的需要尽量选fT，fmax，Gm大，Fmin小的管子。
36
选择BJT还是FET？
电路设计时选择BJT还是FET取决于应用。例如在射频接收机前端，噪声系数特别重要，而在其它场合，功率增益和输出功率更重要。显然对于接收机前端，增益和噪声都重要。陆上微波通信，应用抛物面天线，与天线直接的第一级放大器就用低噪声放大器，图2-25给出各类器件噪声系数，可作为选择低噪声放大管的依据。
图2-25 噪声系数与频率关系
37
选择BJT还是FET？
注意，增益有三种定义：最大可得增益（Maximum allowabl