下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
自20世纪60年代以来，微波功率晶体管的设计和制造水平不断提高，在不断提高输出功率的同时，工作频率也不断扩展。随着微波功率晶体管迅速进入实用阶段，雷达发射机技术也不断取得新的突破，于是全固态雷达发射机应运而生。
全固态雷达发射机基本上分为两大类：一类是高功率集中放大式发射机；另一类是微波固态放大技术与相控阵技术相结合的分布式有源相控阵雷达发射机。早期的全固态雷达发射机主要工作在短波、VHF和UHF波段，随着全固态雷达发射机的成功运用和雷达系统的需要，工作频率逐步扩展至L波段。微波功率晶体管放大器的输出功率，相对于电真空器件放大器的输出功率要低得多，全固态雷达发射机必须采用多管并联、多级串联和高功率合成技术，或采用多辐射单元的有源相控阵空间合成技术。
固态放大器常用的第一代半导体及第二代半导体固态微波功率晶体管有两大类：一类为硅微波双极晶体管，工作频率从短波至S波段，硅微波双极晶体管单管功率，L波段及以下波段为几百瓦，窄脉冲器件可达千瓦，S波段为几百瓦；另一类为场效应晶体管（FET），它按其工艺、材料和工作频率的不同又分为两种：一种是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），另一种是砷化镓场效应晶体管（GaAsFET）。MOSFET早期的工作频率在500MHz以下，随着工艺的不断改进，工作频率也得以提高，功率可达300W。MOSFET在移动通信基站中被广泛应用，其优点为线性度好、增益高、效率高和热稳定性好。为了进一步提高它的线性度，又成功研制出移动通信系统专用的LDMOSFET，这是一种横向扩散的MOSFET，既改善了线性度，又提高了增益和输出功率。GaAsFET工作频率可达30~100GHz，输出功率也在不断地提高，其C波段、X波段单管（多芯）的输出功率可达数十瓦。这是一种应用非常广泛的固态微波功率器件，在C波段、X波段采用GaAsFET做成的功率放大器组件，可组成C波段、X波段全固态有源相控阵雷达发射机。
自20世纪80年代以来，出现了一批采用新工艺制造的新器件，如异质结双极晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、拟晶态高电子迁移率晶体管（PHEMT）和双异质结拟晶态高电子迁移率晶体管（DH-PHEMT）等。同时，传统工艺的微波固态功率器件也采用了新材料，如锗化硅、磷化铟、氮化硅等，使器件功率和工作频率得以进一步提高。这些晶体管的优点是：①具有高功率密度和高效率，典型电流密度在300~325mA/mm 2 之间，效率在40％左右；②工作频率较高，可达到毫米波波段（约75GHz）；③输出功率大，S波段最大输出功率可达230W，效率达40％。
固态雷达发射机由多个功率放大器组件直接合成，或在空间合成得到所需要的输出功率，其使用的功率晶体管从几个到成千上万个不等。即使有少数功率晶体管失效，对整机的输出功率也没有太大的影响，因而使发射机具有故障弱化特性。固态发射机还具有工作电压低、可靠性高、维修性好、全寿命周期费用低和机动性好等优点，已广泛应用在地面、车载、舰载、机载和星载等雷达领域。
与高功率真空管发射机比，固态雷达发射机虽具有上述一些优点，但同时也存在一些局限性，如在高功率情况下，固态雷达发射机的成本会高于真空管雷达发射机。
微波功率晶体管是固态放大器的心脏，因此微波固态放大器的设计者应对微波功率晶体管特性有所了解。下面简要介绍常用的微波功率晶体管的特性。
双极型微波功率晶体管普遍采用硅芯片材料，具有外延层双扩散n-p-n平面型结构。平面n-p-n管结构示意图如图3.1所示。
图3.1 平面n-p-n管结构示意图
平面n-p-n管是在低阻衬底n + 型硅片上，生成一薄的n − 型高阻外延层（其电阻率和厚度主要由击穿电压决定），然后用标准平面工艺，在硅片上生成氧化层。通过光刻等技术，在外延层上制作所要求电极图形的P型扩散基区及高浓度n + 型扩散发射区，并在它上面制作欧姆接触电极（基极，发射极）。这样就形成了n + -n − -pn + 结构的外延平面管芯。它的集电极直接由芯片背面引出。平面型管芯结构的优点是：性能稳定，在较小有效面积下，利用了较大的接触面积，从而降低了引线电感和接触电阻；采用氧化光刻技术可制成复杂的电极图案。在微波功率晶体管中常用三种电极图案结构，即重叠结构、叉指结构和矩阵结构，其目的在于获得发射极周长对结面积之比的最大值（这一比值决定了晶体管所能达到的最大工作电流），并使集电极至基极的电容和时间常数 R bb × C c 达到最小值（ R bb 是基极扩散电阻， C c 是集电极结电容）。工作频率越高，其发射极和基极的线宽越小，为微米量级，更高要求时达0.1μm量级的基区宽度，这就接近了光刻技术的极限。因此，要用浅结扩散技术和离子注入技术等加工方法。
微波功率晶体管的性能参数如下。
（1）极限工作电压，结击穿电压及最高工作电压。
微波功率晶体管极限工作电压（ V C ），是指发生下列三种情况之一时所加最小电压值：p-n结发生击穿或完全损坏；微波功率晶体管参数发生显著变化，不能正常工作；微波功率晶体管参数发生缓慢且不可恢复的变化。
结击穿电压（ V B ）集电结或发射结击穿统称为结击穿，是指集电结或发射结在加上反向电压下发生击穿现象时的电压值。通常将p-n结反向电流达到一定值时的反向电压称为击穿电压。假设基极开路时，集电极与发射极之间的击穿电压为BV CEO ，发射极开路时，集电极与基极之间的击穿电压为BV CBO 。两者之间存在下述的经验关系式
（3.1）
式（3.1）中， n 是与晶体材料和微波功率晶体管类型相关的常数，对于平面n-p-n硅管， n = 2.5~4； f T 为微波功率晶体管特征频率， f 为工作频率。
显然BV CEO ＜ BV CBO ，如果基极不开路（实际应用均如此），基极和发射极之间有一定电阻，则集电极与发射极之间击穿电压BV CER 在BV CEO 与BV CBO 之间，即BV CEO ＜ BV CER ＜ BV CBO 。
最高工作电压（ U M ）是指微波功率晶体管能长期安全工作的最高电压。为了防止可能出现的偶然不稳定因素，保持微波功率晶体管长期、可靠、稳定地工作， U M 必须远小于 U C ，一般 U M ≈0.6 U C 。
（2）极限工作温度、最高结温度及最高储存温度。
微波功率晶体管的极限工作温度 T f 是指保持微波功率晶体管能长期正常工作的最高温度。 T f 指能测试到的微波功率晶体管法兰处温度。一般 T f 在90℃±5℃（对于硅管）的范围内，当超过此温度时微波功率晶体管内部温度会超过所允许的结温 T j （温升由结到壳的热阻决定），这时微波功率晶体管性能会下降甚至完全损坏。
最高结温 T jm 是指微波功率晶体管正常工作时所允许的最高p-n结温度（主要指集电极p-n结温度，此处电流最大，热量在该处产生）。对于锗管来说， T jm 一般在70℃~120℃之间；对于硅管来说， T jm 一般在150℃~250℃之间。人们常用的硅微波双极管 T jm 为200℃。最高储存温度 T sm 是指保证微波功率晶体管在未加电时不受破坏的可长期保存的最高温度。一般情况下， T sm 不允许超过 T jm ，否则微波功率晶体管性能会变差或发生不可恢复的恶化。
（3）热阻和集电极最大耗散功率。
热阻 R T 是微波功率晶体管的重要参数，它表示了微波功率晶体管工作时所产生的热量向外扩散的能力，单位为“℃/W”；定义是当微波功率晶体管耗散功率为1W时，管内温度上升多少（℃）。 R T 越小，微波功率晶体管散热能力就越强。热阻定义为
（3.2）
式（3.2）中， T j 为热源温度（即集电结温度）， T f 为管壳（法兰）温度， P C 为微波功率晶体管工作时的集电极耗散功率。
微波功率晶体管在固态放大器中工作时的热阻由三部分组成
（3.3）
式（3.3）中， R Ti 为热流由热源（集电结）流向微波功率晶体管法兰的那部分热阻，称微波功率晶体管热阻（内热阻）； R TC 为热流由微波功率晶体管法兰流至放大器散热器的热阻，称接触热阻； R TO 为散热器向周围环境散发热量的热阻，称外热阻。
集电极最大耗散功率 P CM 是指在一定环境温度下，当 T f = T a （环境温度）时，集电结温度达到允许的最高值，即 T j = T jm 时集电极耗散的功率。由式（3.2）可得
（3.4）
一般手册上给出的数据是在一定散热条件下测得的（即一定的管壳温度
T
f
或环境温度
T
a
），如果实际的管壳温度
或环境温度
不是手册上所规定的温度，则此时所允许集电极最大功耗可按下式计算
（3.5）
（4）饱和电阻和集电极最大电流。
微波功率晶体管的饱和电阻 R CES 是微波功率晶体管处于饱和状态下集电极与发射极之间的电阻（在一定的集电极电流下），用公式表达为
（3.6）
式（3.6）中， U CES 为微波功率晶体管饱和状态下集电极与发射极之间的压降，称为微波功率晶体管饱和压降（在一定的集电极电流下）。
为使微波功率晶体管能适应低电压、大电流的工作状态，扩大微波功率晶体管动态范围，提高集电极效率，保证微波功率晶体管的可靠性，必须尽量减小 R CES 值。虽然是在一定的集电极电流下， R CES 和 U CES 值还是越小越好，但要注意微波功率晶体管的 R CES 和 U CES 的值在低频段值小、高频段值大这一特征。大多数微波功率晶体管的 U CES 小于3V，但在微波频率下却会超过5V。
通常希望微波功率晶体管工作在低电压、大电流状态，微波功率晶体管饱和电阻是限制最大工作电流的主要因素。当工作电压增大时，微波功率晶体管电流放大倍数（ α 或 β ）将随电流增加而下降，并且限制工作电流的增加。工作电压增加到一定值时， P CM 值成为限制最大工作电流的决定因素。进一步增加工作电压，就会产生二次击穿现象。微波功率晶体管实际所达到的最大工作电流小于所允许的值。
（5）特征频率 f T 。
特征频率 f T 定义为微波功率晶体管的电流放大倍数 β 下降为1时的工作频率，它是表示微波功率晶体管放大能力的一个重要参数。 f T 在微波频率低端是一个重要参数。当频率高于2GHz时，对共基极电路意义就不大了。由于它与电流有关，所以必须考虑 f T 随电流变化的关系。
（6）功率增益 G P 。
功率增益 G P 是微波功率晶体管的重要参数之一。硅微波双极晶体管受材料和工艺等因素限制（ G P 值不会很高），同时还受增益带宽乘积的限制（如果要求带宽，则 G P 就低些），并随工作频率的增加而下降。在微波功率晶体管中，由于受多种宽带工作因素的影响，它不遵循每一倍频程下降6dB的规律，而通常是每一倍频程下降3~5dB，所以设计放大器时要考虑此特点。
（7）输出功率 P o 。
硅微波功率晶体管的输出功率 P o 不但与工作频率和工作状态相关，也依赖于微波功率晶体管散热状态和电流分布的均匀性。器件内部局部热斑的出现是限制最大安全输出功率的主要因素。对于L波段及L波段以上的微波功率晶体管，连续波输出功率 P o 不可能超过最大集电极耗散功率 P CM 的50％。因为连续波工作时，微波功率晶体管内部p-n结温度很高，在发生意外负载失配时，返回微波功率晶体管的反射功率会使结温继续升高，为了使结温保持在200℃以下，使用时必须进行良好匹配。
（8）集电极效率 η 。
集电极效率 η 是指微波功率晶体管的输出高频功率与电源总消耗功率之比，即
（3.7）
式（3.7）中， U CC 是集电极电源电压， I C 是集电极电流。
提高微波功率晶体管的集电极效率 η 很重要，可使电源利用率增高，降低微波功率晶体管内功耗，从而可降低管内温度，使微波功率晶体管热稳定性得到改善。
提高 η 值还与扩大微波功率晶体管的输出特性工作区方式相一致，为此应选用 U CES 值小的微波功率晶体管并提高工作电压，同时还要改善在不同工作电流下放大系数的均匀性，使非线性失真不因工作区的扩大而增加。此外， η 值还与工作状态密切相关，且是工作频率的函数，当工作频率增高时，损耗就增加， η 会下降。
综上所述，硅微波双极晶体管是早期全固态雷达发射机中用得最多（数量和品种）的微波功率晶体管，从短波波段、VHF波段和P、L、S波段，直至工作频率为3.5GHz的微波功率晶体管都可用于全固态雷达发射机，其典型代表如表3.1所示。
表3.1 硅微波双极晶体管的典型代表
1930年，Lillienfeld提出了场效应微波功率晶体管（FET）的基本概念；1948年，Schokley发明了晶体三极管，并于1952年提出了场效应微波功率晶体管（FET）的概念。FET属于电压控制器件，它与晶体三极管的区别在于导电机理不同，晶体三极管是电流控制器件，其导电机理是由多数载流子（电子）和少数载流子（空穴）共同完成的，所以又将晶体三极管称为双极型晶体管。3.1.1节所述硅双极型微波功率晶体管就属于此类器件，而场效应微波功率晶体管的物理结构是一个整片半导体材料（如砷化镓或硅），其电流通路（也叫沟道）受到外加电压（电场）的作用时，只有一种载流子起导电作用，图3.2所示为场效应微波功率晶体管的分类。
图3.2 场效应微波功率晶体管分类
从图3.2中可以看出，由于栅极物理结构不同，场效应微波功率晶体管有三种基本类型：
（1）结型场效应微波功率晶体管（JFET）；
（2）金属半导体场效应微波功率晶体管（MESFET）；
（3）金属氧化物半导体场效应微波功率晶体管（MOSFET）。
这三种场效应微波功率晶体管在原理上都可用在微波频率，但由于制造工艺的问题，JFET这类器件通常用于低频电路，作为开关电路控制元件。MESFET采用了肖特基（Schottky）控制栅（栅极由金属同半导体直接接触，形成肖特基势垒），广泛地用在微波电路中。MOSFET是在金属和半导体之间加入了氧化物作为绝缘层，因此又称为绝缘栅场效应微波功率晶体管（IGFET）。它的栅极上的金属和半导体材料间有氧化层构成电容，其下有导电沟道，具有感生沟道的称为增强型（栅极加正压）；具有扩散型沟道的，称为耗尽型（栅极加负压）。MOSFET组成结构及工作原理示意如图3.3所示。
图3.3 MOSFET组成结构及工作原理示意
MOSFET广泛地用于数字集成电路，如计算机存储器和微处理器等。随着微波功率晶体管制造技术的飞速发展，以及MOSFET制造加工工艺的不断改进，MOSFET广泛用于微波频段，且其工作频率正在不断提高。同时，输出功率也不断提高，与同频段的微波硅双极晶体管的功率相当。
MOSFET是电压控制器件，由栅极上的电压来控制导电沟道宽度，其导电机理是由多数载流子完成的，因而具有大信号特性好、热稳定性好；允许大面积有源区组合；可不用镇流技术；当温度上升时，漏极电流会减小等优良特性。MOSFET与双极晶体管相比具有更低的噪声电平输出。
MOSFET在固态放大器中得到越来越广泛的应用，特别是在移动通信中，在雷达发射机中的应用亦在不断增多。表3.2所示为常用MOSFET的型号及主要参数。
表3.2 常用MOSFET的型号及主要参数
*表示LDMOSFET。
在3.1.2节中所述的金属半导体场效应微波功率晶体管中，砷化镓（GaAs）MESFET是用途比较广泛的固态微波功率晶体管，其基本组成结构和工作原理示意如图3.4所示。
图3.4 GaAs MESFET基本组成结构及工作原理示意
从图3.4中可看出，GaAs MESFET有一个单绝缘栅GaAs衬底，一个过渡层，一个n − 层耗尽区，n − 层的掺杂浓度在8×10 16 ~ 2×10 17 cm −3 之间，电子移动范围在3000~4500cm −3 之间。源极和漏极是欧姆接触，采用金或锗；栅极是肖特基栅接触，采用蒸发铝。栅极和源极之间加反向偏压来控制耗尽区的大小，漏极和源极之间加正向电压来加速电子，当反向偏压增加时，沟道变窄，漏极电流减小。漏极电流由栅极电压控制，当反向偏压增加达到夹断电压时，沟道夹断，电流接近于零。其伏-安特性曲线如图3.5所示。
图3.5 GaAs MESFET的伏-安特性曲线
GaAs MESFET与MOSFET的主要差别有三点：
（1）栅极物理结构不同，采用金属-半导体接触（MES）结构，而不是采用金属-氧化物-半导体接触（MOS）结构；
（2）衬底材料不同，这里是砷化镓（GaAs），不用硅（Si）；
（3）导电机理不同，前者为n型电子导电，后者为p型空穴导电。
这类MESFET除单栅结构外，还有双栅结构，双栅GaAs MESFET比单栅具有更高增益和更小反馈电容，改变第二栅直流偏压，可在更宽范围内改变增益，也可进行载频脉冲幅度调制，其上升、下降时间均小于0.1ns。
MESFET的高频极限取决于材料的参数和器件结构。在GaAs和Si材料中，电子（n型）比空穴（p型）有更高的迁移率，所以在微波频段，只用n型沟道FET。GaAs与Si相比，其电子迁移率高6倍（掺杂浓度为1×10 17 cm −3 ），最大漂移率高2倍，两者饱和速度近似。在GaAs中，寄生电阻比Si中的小，因此跨导大，在高场区渡越时间更短，电流增益带宽乘积约高2倍。就器件结构而言，最重要的参数是栅长 L g ，减小 L g 值，就降低了电容 C gs 和跨导 g m 值，从而改善了电流增益带宽积。当 L g 值减小时，若保持 L g / D ＞1（ D 为沟道厚度），则 D 值也要相应减小，这就要采用高掺杂浓度（但要注意击穿现象）。要提高MESFET的高频极限就要选用电子迁移率和漂移速度高的材料，如GaAs、InP等材料，同时要使用亚微米栅长（0.25μm或0.1μm）。
MESFET能否用在更高微波频率和具有更大的功率容量的放大器中，取决于MESFET的半导体材料和制造工艺。从理论上说，MESFET（双极管，场效应管）最大允许电压和特征频率由下式决定
（3.8）
式（3.8）中， U m 为MESFET上所加的最大允许电压； f T 为特征频率； E 为半导体材料的击穿电场强度； V S 为半导体中载流子的饱和漂移速度。
MESFET的特征频率 f T 与载流子在半导体内的渡越时间 t τ 有如下关系
（3.9）
在FET中， t τ 是从源极到漏极的总渡越时间。由于半导体材料内部载流子的漂移速度会达到饱和，故 t τ 有最小值，它取决于半导体的材料和尺寸。在FET中， L g （同时沟道厚度 D ）越小，载流子通过它的总渡越时间（ t τ ）就越短。但受电场击穿限制， U m 值也要下降。因此， U m f T 的乘积有一个极限。
GaAs MESFET早期在微波低噪声放大器、小功率器件方面占支配地位，并在单片微波集成电路中扮演着重要角色。GaAs MESFET的特征和优点如下：
（1）只有多数载流子（电子）流通；
（2）半导体的导电性由所加电场控制，故称FET；
（3）工作时其控制信号由加在控制栅极上的电压来决定，因此它是电压控制器件，而不像双极型晶体管那样是电流控制器件；
（4）器件除具有电流增益外，还有电压增益；
（5）器件能工作在很高频率；
（6）具有低噪声和高效率；
（7）具有高输入阻抗，可达几兆欧；
（8）与双极型晶体管相比，抗辐射能力强。
GaAs MESFET在微波领域被广泛应用，如低噪声放大器、中小功率放大器、微波振荡器、混频器、移相器、开关和高速逻辑电路等，其工作频率可达毫米波频段。表3.3所示为典型的GaAs FET及MMIC器件的型号和主要参数。
表3.3 典型的GaAs FET及MMIC器件的型号和主要参数
毫米波雷达和导弹寻的器发展很快，毫米波雷达与微波雷达相比有体积小、质量小、精度高和分辨率高的特点。毫米波雷达与光雷达或红外系统相比，它穿透云、烟、雾、灰尘的能力更强。毫米波雷达和导弹寻的器的工作频率一般集中在35GHz和94GHz，在这两个频段上大气损耗较小。进入21世纪，固态毫米波器件发展很快，其主要器件是碰撞雪崩渡越时间（Impact Avalanche and Transit Time，IMPATT）二极管（简称雪崩管）和耿氏（Gunn）二极管，雪崩管具有比耿氏二极管更大的功率，固态毫米波发射机常用雪崩管作为放大器或振荡器，而耿氏二极管因其噪声电平低而常作为接收机本振。下面简要介绍雪崩管。
雪崩管作为固态毫米波振荡器，在35GHz频率上可输出连续波功率为1.5W，在60GHz频率上输出连续波功率为1W，在94GHz频率上输出连续波功率为700mW，在140GHz频率上输出连续波功率为100mW，在220GHz频率上输出连续波功率为25mW；而输出脉冲振荡器可产生较高峰值功率，在35GHz频率上输出脉冲功率为10W，在94GHz频率上输出脉冲功率为5W。一般来说，雪崩管的脉冲功率比连续波功率大10倍。受脉冲宽度和工作比的限制，固态毫米波器件热时间常数值小，若使一个脉冲宽度内的器件内部温度迅速上升，要达到最大峰值功率，雪崩管工作时的脉冲宽度不应大于100ns，且脉冲宽度增加，峰值功率减小。
雪崩管脉冲工作时的另一重要特性是振荡频率具有“Chirp”效应。这是由于器件温度在脉冲工作期间内上升，二极管阻抗发生变化，使得振荡频率降低。同时，振荡频率也受偏置电流控制，因此“Chirp”频率可通过偏置电流的变化进行补偿。
雪崩管也可作为毫米波功率放大器。毫米波功率放大器有稳频功率放大器和注入锁定振荡器两种基本类型。前者适用于较宽频带的功率放大，但增益较低，单级为10dB左右；后者适用于窄频带工作，具有高增益。雪崩管放大器为了获得较大输出功率，也可采用多管合成方法。其合成方法既可用一系列雪崩管放大器在一个放大器腔体上相加获得高功率输出，也可由一系列雪崩管放大器用魔T耦合器相加，实现高功率输出。