微波功率器件的特性和设计要点详细说明

　　由Ge、Si、Ⅲ-V化合物半导体等材料制成的，工作在微波波段的二极管、晶体管称为。微波即波长介于1m~1mm之间的电磁波，相应频率在300MHz~300GHz之间。微波半导体器件在微波系统中能发挥各方面性能，归纳起来为微波功率产生及放大、控制、接收3个方面。对微波功率器件要求有尽可能大的输出功率和输出效率及功率增益。 进入20世纪90年代后，由于 MOCVD（金属有机化学气相淀积）和MBE（分子束外延）技术的发展，以及化合物材料和异质结工艺的日趋成熟，使三端微波器件取得令人瞩目的成就，使得HBT（异质结双极型晶体管）、MESFET（肖特基势垒场效应晶体管）以及HEMT（高电子迁移率晶体管）结构的各种器件性能逐年提高。与此同时，在此基础上构成的MMIC（单片集成威廉希尔官方网站 ）已实用化，并进人商品化阶段，使用频率基本覆盖整个微波波段，不仅能获得大功率高效率而且，噪声系数小。随着微波半导体器件工作频率的进一步提高，功率容量的增大，噪声的降低以及效率和可靠性的提高，特别是集成化的实现，将使微波电子系统发生新的变化。表1列出了几种主要的三端微波器件目前的概况。

　　1 HBT功率微波器件的特性及设计要点

　　微波双极型晶体管包括异质结微波双极型晶体管和Si 微波双极型晶体管。Si器件自20世纪60年代进入微波领域后，经过几十年的发展，性能已接近理论极限，并且其理论和制造已非常成熟，这可为后继的第二代、第三代器件借鉴。HBT主要由化合物半导体或合金半导体构成，需要两种禁带宽度不同的材料分别作为发射区和基区，宽带隙材料作发射区，窄带隙材料作基区。当为DHBT（双异质结双极型晶体管）时，集电区与基区材料带隙也不相同。为更加有效地利用异质结晶体管的特性，其结构也不再是普通的平面结构，而是采用双平面结构。

　　1.1 材料的选取及特性

　　虽然大部分微波功率器件被Ⅲ-V化合物功率器件占据，但Ⅲ-V化合物HBT在目前也存在着可用频率范围小、材料制备及工艺成本高，器件在这些材料上的集成度不高，机械强度小以及在大功率情况下热不稳定现象严重，并可能造成发射结陷落和雪崩击穿，以及晶格匹配和热匹配等问题。 InP自身具有良好的特性，与GaAs相比，击穿电场、热导率、电子平均速度均更高，而且在异质结InAlAs／InGaAs界面处存在着较大的导带不连续性、二维电子气密度大，沟道中电子迁移率高等优点，决定了InP基器件在化合物半导体器件中的地位和优异的性能。随着近几年对InP器件的大力开发和研制，InPHBT有望在大功率、低电压等方面开拓应用市场，拥有更广的应用领域。 1987年Lyer.S.S和Patton.G.L等首次发表了用MBE技术成功地研制出Si0.88Ge0.l2基区HBT，使SiGe合金受到关注。由于近年来的研究，基于SiGe的HBT器件很好地解决了材料问题， 因其与SiCMOS器件工艺的兼容性，使得SiGe HBT能够高度集成，而且由于材料的纯度与工艺的完善，使其具有比Ⅲ-V化合物HBT更小的1/f噪声。SiGe合金的带隙可根据组分的变化自由调节，且其电子、空穴的迁移率比Si中的高，由于比硅单晶器件有更好的性能，SiGe与目前的硅超大规模集成威廉希尔官方网站 制造工艺的兼容性使其在成本与性价比方面具有极大的优势，因此SiGe被看作是第二代器件材料，受到广泛重视。由于Si和Ge有高达 4.2％的晶格失配，则必须在低温下才能生长出高质量的SiGe/Si异质结，并且Ge组分越小热稳定性就会越好。