晶體管射頻放大器參數測量的進(jìn)展和意義

2008年射頻功率晶體管取得明顯進(jìn)展，以硅材料為主的雙極和CMOS工藝都有突破性進(jìn)展，特別是應用在L波段的場(chǎng)效應晶體管，輸出峰值功率1000W的集成電路就有多種型號可供選擇，為構建雷達、航空電子應用的KW級固體放大器提供方便。而在十年前，半導體業(yè)只能供應峰值功率100W的射頻晶體管，為了獲得1000W的峰值功率，末級放大器的驅動(dòng)級需要采用功率分配器，由10個(gè)功率晶體管構成5組獨立的推挽電路，再經(jīng)功率合成器合成額定的輸出功率。由此可知，相應的供電電源、電路板的占用面積、散熱等問(wèn)題都有一定難題，整個(gè)輸出模塊的成本隨之增加。設備的可靠性卻不高，因為末級功率放大器的器件、元件數的增加，導致故障率變壞?？偟膩?lái)說(shuō)，峰值KW級的射頻固體放大器的性能價(jià)格比還有待提高。

進(jìn)入2000年后，集成電路的材料、工藝、設計、測量、封裝各方面出現許多創(chuàng )新，例如材料方面Si的晶圓從150mm擴大到800mm，單位缺陷亦隨著(zhù)降低;工藝方面的離子注入、擴散外延、金屬布線(xiàn)的可靠性提高，使器件線(xiàn)寬從1?m縮小到60nm以下，設計自動(dòng)化覆蓋從生產(chǎn)鏈的前段到后段;測量手段更加完善，電學(xué)參數可在晶圓級上實(shí)施;多芯片三維互連封裝代替晶圓級顆片互連或多芯片電路板級互連等等，不但促進(jìn)集成電路的發(fā)展，對射頻功率晶體管的提高同樣有效。

近年來(lái)功率晶體管參數測量的進(jìn)展具有重要意義，功率晶體管往往要在非線(xiàn)性狀態(tài)下工作，過(guò)去只有顯示小功率狀態(tài)下的特性曲線(xiàn)測試儀，只有測量線(xiàn)性狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò )分析儀、頻譜分析儀和功率計，而無(wú)法獲得功率晶體管在非線(xiàn)性工作條件下的直流參數和交流參數。結果影響到不能建立完整的高頻放大器模型，妨礙高頻功率晶體管的應用和發(fā)展。眾所周知，高頻晶體管在非線(xiàn)性工作狀態(tài)下的各項參數的重要測量?jì)x器陸續推出，解決KW級的射頻/微波晶體管建模難點(diǎn)，設計自動(dòng)化，提高高頻晶體管的性能等問(wèn)題亦迎刃而解。此外，高頻晶體管大部分在封裝內部或芯片上設置輸入端和輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò )，極大地簡(jiǎn)化外電路設計，提高頻率、效率、功率都有幫助。加上集成電路的其它革新的推動(dòng)，現今射頻功率晶體管已進(jìn)入KW級峰值的新階段。

雙極型射頻功率晶體管

在當前的射頻功率晶體管領(lǐng)域內，傳統的Si襯底同質(zhì)雙極器件，以及性能更好的GaAs襯底異質(zhì)結雙極器件都有大量產(chǎn)品可供選擇。Si基雙極器件的工藝最成熟，成本較低，但頻率響應亦較低。隨著(zhù)GaAs材料的出現，由于異質(zhì)結的電子/空穴遷移率比Si的遷移率高得多，使得GaAs雙極晶體管具有頻率性能的優(yōu)勢，但成本亦相應較高。在射頻功率放大器應用中，Si和GaAs兩種材料各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，近年來(lái)兩者都有創(chuàng )新，傳統材料會(huì )重新挖潛以滿(mǎn)足下一代產(chǎn)品的需要，新型材料會(huì )不斷革新。

Si材料和GaAs材料在場(chǎng)效應晶體管方面取得比Si雙極晶體管更大的進(jìn)展，但Si雙極晶體管仍然有不錯的表現。2008年美國Microsemi公司推出TAN500的Si雙極晶體管，在960MHz至1215MHz頻帶內產(chǎn)生500W的脈沖功率，主要針對TACAN(塔康)戰術(shù)空中導航系統的應用。器件用+50V電源供電，在C類(lèi)工作狀態(tài)下由10?s脈沖調制的70W信號驅動(dòng)，獲得500W的峰值功率輸出，功率增益最小10dB，集電極效率達到40%。

Si雙極射頻功率放大器末級采用共基極電路連接，器件內部布線(xiàn)由Au的薄膜金屬化形成，基區的外延擴散和發(fā)射極的鎮流擴散改善了器件的放大性能和提高電路的穩定，器件具有很高的平均故障率。器件的發(fā)射極輸入和集電極輸出預置了寬帶匹配電路，散熱體與基極之間的熱阻很低，為射頻末級功率放大器增加輸出功率提供良好的基礎。TAN500 Si雙極晶體管的最大額定值如下：功率耗散Pd在25℃環(huán)境溫度和脈沖工作狀態(tài)下是2500W;集電極擊穿電壓BVc是65V;發(fā)射極擊穿電壓BVe是3V;集電極電流50A;存儲溫度是-65至200℃;工作結溫+200℃。TAN500在25℃環(huán)境溫度下的工作特性如表1所示。

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表1 TAN500 Si雙極晶體管的工作特性

TAN500的典型輸入/輸出特性曲線(xiàn)和集電極效率曲線(xiàn)如圖1和圖2所示。從圖中可見(jiàn)，在90MHz、1090MHz和1215MHz頻率下，輸入功率/輸出功率有不錯的線(xiàn)性關(guān)系，而且在額定峰值輸出功率500W下，集電極效率超過(guò)40%。對于Si雙極晶體管射頻末極功率放大器來(lái)說(shuō)，TAN500的整體指標處在領(lǐng)先水平。目前TAN系列已有TAN300、TAN350和TA500等多種型號，分別是輸出功率300W、350W和500W的同族產(chǎn)品，而且1000W以上的型號將很快推出。實(shí)際上，Microsem公司在2005年生產(chǎn)的MDS系列Si雙極射頻功率晶體管中，MDS1100是用于航空電子設備末級功放的器件。它在+50V電源和1030MHz下可提供超過(guò)1000W的峰值功率輸出，在20℃環(huán)境溫度下最大功耗是8750W，最高工作溫度可達+200℃，最低集電極效率是45%。TAN系列晶體管的設計理念與MDS系列的完全相同，但是對設計參數進(jìn)一步優(yōu)化，達到特性參數最佳的目的。