微波-第五章下晶体管分为两大类一类为结型另一类是场效应晶

5.5

结型晶体管晶体管分为两大类，一类为结型晶体管，另一类是场效应晶体管。两类虽然都叫做晶体管，但其工作原理是不同的。结型晶

体管也称为双极型晶体管、双极结晶体管（Bipolar-Junction

Transistor），

上称作晶体管或晶体三极管，英文简称为

BJT。由于它的低成本结构、相对较高的工作频率、低噪声性能及高功率容量，BJT是目前最广泛运用的射频有源器件之一。其名称的由来是由于在这类晶体管中有两种极性的载流子-电子和空穴都参与器件的工作。本节介绍结型晶体管的工作原理、结构和等效电路、特性。1结型晶体管5.5.

1

工作原理1．基本工作过程尽管反向偏压可以很大，流过的电流总是很小的，因为反向电流是由P、N区的少子形成的。如果PN结加上的是正向偏压，即使电压较小，也可产生较大电流。P

N

N

P正、反向偏压PN结这时P区中的空穴注入到N区，产生少子注入，使N区空间电荷区边界处的空穴浓度大大提高，可见少子注入是增加N区空穴浓度的一种

。2结型晶体管PPNPNP型双极晶体管结构ECB将两个PN结的N区结一块，而且使后的N区较薄，薄到它的宽度可以比注入空穴的扩散长度小很多，则由左方正偏PN结注入到N区的空穴，可以被右方反偏PN结所“收集”。这样就构成了一个结型晶体管，称为PNP型晶体管W左方的PN结（正偏）叫发射结，右方的PN结（反偏）叫收集结或集电结，左方的P区叫发射区，右方的P区叫做收集区或集电区，中间的N区叫基区，三个电极分别称为发射极（E）、集电极（C）和基极（B）。34结型晶体管晶体管的基本工作原理：在工作状态下，发射结的作用在于向基区提供少子，收集结的作用在于收集从基区扩散过来的少子，结果是：发射结的电流能够控制集电结的电流。具体地说，在某一瞬间发射结注入的空穴多，则集电结的电流就大；反之，发射结注入的空穴少，集电结的电流就小。如果把一个信号加于发射结，使发射结电流随信号改变，则能在集电极的电流变化中把这个信号重现出来。为保证这一控制过程顺利进行，其结构上的先决条件使基区宽度W

小于少子扩散长度Lp

。如果三极管是由两层N区和一层P区构成的NPN结构，其工作原理与PNP管是完全类似的，区别仅在于发射结向基区注入的少子是电子。需要说明的是实际上常用的微波双极晶体管是硅NPN型。5结型晶体管PNP型双极晶体管的连接方式共基极连接PPNECBBEPNPB3.

连接方式共基极连接、共发射极连接和共集电极连接。三种连接方式都可以使发射结处于正偏、有注入少子作用，使集电结处于反偏、有收集作用。C

ECPNP共发射极连接共集电极连接6结型晶体管NPN型双极型晶体管电路符号ECBECPNP型BPPNPNP型双极晶体管各极电流构成0WEBCxICpICnCIVCBIBB1I

I

B2

I

B3I

EnIEpVEB7结型晶体管4.

等效电路RBRB

RC

RCRERERe

Cte基区体电阻基；区欧姆接触电

集阻电；区体电阻；集电极欧姆接阻触；电阻发射；结的结电发射区的体电阻；可忽略发发射射极结欧的姆势接垒触电电容阻；；RCDEC发射结的扩散电容；~

电流放大系数；集电结的结电阻；一般由于反偏较大可忽略若考虑封装因素在内，等效电路中还必须加上封装电容和封装引线电感；89晶体管的伏安特性曲线输入端与公共端之间的电流-电压关系称为输入特性；输出端与公共端之间的电流-电压关系称为输出特性。这些特性用曲线形式表示出来就是特性曲线。对应于三种连接方式，总共有三种输入特性曲线和三种输出特性曲线。晶体管的工作基础在于两个结之间的相互作用，因而会导致输入对输出、输出对输入存在相互之间的影响，所以还有一种转移特性曲线。输入特性发射极连接输入特性曲线VCE

为参数10VCE

0电路的输出端短路，由于发射结处于正偏，相当于发射结和集电结处于正偏下并联，其曲线与

PN结的正向伏安特性相似。VCE

0集电结处于反偏，集电结空间电荷区展宽，基区有效宽度将减小，基区内复合损失也将减小，就减

小，因而曲线向右移。发射极与基极短路，流过基极的将是集电结反向饱和电流EBV

0ICBO输出特性放大区在放大区，共发射极输出特性曲线比共基极情形时上翘更为显著。截止区饱和区击穿区1112晶体管的工作特性1）频率特性12Tf

B

CfTf

8R

Cmax2）功率特性一般来说，欲使晶体管输出较大的功率，可以通过提高集电结的反向耐压和增大集电极电流来实现，但这两方面都有限制。下面介绍晶体管在大信号下的特性改变和极限值。133）温度特性研究结果表明，温度对于晶体管的特性影响是相当大的，过高的温度还会导致“热击穿”，温度和散热处理是晶体管工作的一个重要方面。144）噪声特性155）开关特性PN结在正向偏置时，具有低阻抗，可流过很大的电流，在反偏时，具有高阻抗，仅有很小的反向漏电流流

过，这种特性称为“开关”特性。与PN结管类似，双极型晶体管也具有‘开关“特性”。只要在晶体管的输入端加上正、负脉冲，就能使晶体管在截止与饱和状态之间转换，起到开关作用。同样，由于晶体管也存在电荷，其开关状态的转换也不可能立刻完成，有一定的“开启时间”和“关闭时间”。一般来说，晶体管的开关速度跟不上微波频率的变化。与PIN管类似，利用这一点可以在晶体管输入端加上低频

的控制电压，以决定晶体管的通与断。16175.6

场效应晶体管场效应晶体管（Field

Effect

Transistor）， 上称作场效应管，英文简称为FET。场效应管也称为“单极型晶体管”，构成其工作的只有一种载流子，或是空穴，或是电子，形成的是多子电流。从原理上说，它是一种利用电场的作用，来改变多子电流流通通道的几何尺寸，从而改变通道导电能力的一种器件。场效应晶体管可以分为四类：结型场效应晶体管、金属绝缘栅型场效应晶体管、金属半导体场效应晶体管以及异质场效应晶体管。由于存在由栅极和绝缘体或负偏置PN结形成的大电容，

MOSFET和JFET具有较低截止频率，通常工作于低和中等频率范围内，在1GHz以下。GaAsMESFET可使用在60~70GHz范围内。而HEMT可工作超过100GHz。因为我们倾向于射频应用，所以将着重介绍后两种类型。结型晶体管5.6.1

金属半导体场效应晶体管1．基本结构与工作原理典型GaAs

MESFET的结构示意图如图所示。如果在栅极和源极之间加上负电压V_GS（栅压），使金半结处于反偏，这时空间电荷层将展宽，使沟道变窄，从而加大沟道电阻、减小I_D。因此控制栅压V_GS可以灵敏地改变耗尽层宽窄，从而调制沟道厚度，达到最终控制漏流I_D的目的。18结型晶体管2.

源、漏间电压电流关系－一般情况19结型晶体管3.源、漏间电压电流关系－短栅GaAsMESFET情况204.等效电路MESFET在电路中的符号见右下图。21晶体管的工作特性1）频率特性

CDGfT

2CGSgm0S22rDf

fT2

RG

RGS

Rmax2）功率特性PCM=VDS·I

D右图表示了MESFET的功率极限情况。233）噪声特性②噪声系数与工作频率的关系。可以求得描述MESFET最小噪声系数特性的常用近似表达式为T24fminF

1

2

P

R

1

C

2

f3）噪声特性25结型晶体管5.6.2

异质场效应晶体管异质场效应晶体管的典型代表是高电子迁移率晶体管（HEMT）。高电子迁移率晶体管也称为调制掺杂场效应晶体管，它利用不相似半导体材料诸如GaAlAs/GaAs异质结带隙能上的差别，可以大大突破MESFET的最高频率限制，而同时保持其低噪声性能和高功率额定值。1．基本结构图5.6-14给出了HEMT的基本结构。图中最上部的N+型GaAs层是为了提供一个良好的源极和漏极接触电阻，形成源极和漏极引线的欧姆接触；在栅极下形成金属引线与半导体的金半接触；最下部为半绝缘的GaAs衬底。在N型GaAlAs和非掺杂的GaAs之间加了一层非掺杂的GaAlAs薄层。26结型晶体管2.

工作原理HEMT的特性来源于其GaAlAs/GaAs异质结的特殊能带结构，当GaAlAs和GaAs紧密接触形成异质结后，其能带结构如图。由于电子载流子从掺杂GaAlAs和未掺杂GaAs层之间界面上的施主位置分离出来，进入到GaAs层一侧的量子势阱中，在那里它们被局限于非常窄（约10nm厚）的层内，在垂直于界面方向受到阻挡，只可能平行于界面作运动，由于这部分电子在空间上已脱离了原来施主杂质离子的

，在运动过程中所受杂质散射的作用大大减弱，因此载流子迁移率大为提高。27结型晶体管3.电压电流关系28294.特性HEMT最突出的特性即是其高工作频率和低噪声。与MESFET类似，HEMT的高频特性也取决于渡越时间和电子迁移率。可以看到，由于载流子的高迁移率，显然HEMT的特征频率和最高振荡频率远高于MESFET。目前工艺水平下，HEMT的工作频率已经可超过

100GHz。而目前正在开展的研究，如GaInAs/AlIn异质结、包含多个2DEG沟道的多层异质结构有望使其工作频率提高到更高的水平。5.7

SiGe

HBT与SiGe

MOSFET简介在

全球超过2500亿

的半导体市场中，90%以上的产品都是使用硅材料的器件与集成电路。相对其它半导体材料而言，硅具有廉价丰富、易于生长大尺寸、高纯度的晶体及热性能与机械性能优良等优点。然而正如前节所述，为满足微波频段的需要，几十年来微波器件与集成电路一直使用价值昂贵的GaAs或InP作衬底材料，并为此发展了一套全新的加工工艺和逻辑设计方法。这是因为传统上认为硅若作为微波器件与电路的衬底，有两个明显的缺陷：一是电子技术发展所依赖的两种重要晶体管—硅BJT和MOSFET的工作速度太低，达不到微波电路的频率要求；二是常用硅的电阻率太小（1～100

），将引起过高的介质损耗，使硅衬底微波传输线与无源元件的衰减比GaAs衬底平均高出一个数量级，不能投入实际使用。3031为了使硅材料的器件与集成电路达到微波电路的要求，同时又保持硅衬底电路在产量、成本及制作工艺方面的传统优

势，使硅衬底电路与目前在射频及微波电路中占主导地位的

Ⅲ-Ⅴ族化合物GaAs及InP技术展开竞争，解决