微波功率器件材料的发展和应用前景
发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:389
| 1 概述 有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、晶体管称为微波器件。微波即波长介于1m~1mm之间的电磁波，相应频率在300mhz~300ghz之间，表1是常用波段的名称及相应的频率范围。 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，即在微波功率产生及放大，控制、接收三个方面。而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，三端微波器件取得令人瞩目的成就，使得mesfet(肖特基势垒场效应晶体管)、hbt(异质结双极型晶体管)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(单片集成电路)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。 微波器件已广泛应用于微波通讯系统、遥测系统、雷达、导航、生物医学、电子对抗、人造卫星、宇宙飞船等各个领域。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2是几种主要的三端微波器件目前的概况。 2 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。而在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]。 2.1 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、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[2]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器件的工艺兼容性，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电路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被看做是第二代器件材料，受到广泛重视。由于si和ge有高达4.2％的晶格失配[3]，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。 2.2 器件的设计 功率微波晶体管不仅工作频率高，而且承受的功率大，即要求有大的电压和电流容量。提高电流容量需增加发射极总周长，并防止大电流下的发射结注入效率下降、有效基区扩展效应、发射极电流集边效应等。从频率和功率两方面考虑则可用增益带宽乘积[2]来表示： 其中gtm是增益，f是带宽，f t是特征频率，le为发射极寄生电感，rb是基区电阻，cc是集电极电容。故要进一步缩小图形，减小结面积ac以减小电容cc，由晶
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