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■MMIC设计中的异质结双极晶体管(HBT)和二极管以及传输线介绍


异质结双极晶体管（HBT）类似于标准双极晶体管 ， 不同之处在于基极 - 发射极结通常是两种不同半导体材料组成的半导体结 ， 而不是具有不同掺杂浓度的相同材料 。 例子包括用AlGaAs做成的发射极和GaAs基极制造的HBT ， 磷化铟镓（InGaP）发射极和GaAs基极 ， 以及InP发射极和InGaAs基极 。 通过使发射极层重掺杂并且轻掺杂基极层 ， 同质双极晶体管保持良好的注入效率（从发射极注入基极的电子与从基极注入进入发射极的空穴的比率） 。 而HBT通过结处防止空穴注入发射极的能带隙差来实现注入效率 。 这允许基极层更重的掺杂 ， 这极大地降低了基极电阻 ， 并且这减少了器件的传输时间并增加了其频率响应 。 增加的基极掺杂还具有通过增加基极 - 集电极电压使基极不易变窄的效果 ， 因此具有更平坦的I / V特性和更负的早期（Early）电压 。 图1显示了工作频率为5.8 GHz的InGaP HBT功率放大器的示例 。
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本文插图

图1、工作频率为5.8 GHz的InGaP HBT功率放大器
SiGe HBT与标准硅双极晶体管不同 ， 因为基极由不同的半导体材料即SiGe构成 ， 采用硅基极和发射极层形成异质结 。 SiGe基极层在其厚度上具有倾斜的锗浓度 ， 这产生的电场能减少电子从基极移动到集电极中的传输时间 。 这使得SiGe HBT能够以比硅双极性更高的频率工作 ， 并且允许基于硅的电路用于许多微波应用中 。
2.1.1 晶体管的频率响应
随着频率每倍频程增加 ， 晶体管的增益会降低约6 dB ， 如图2所示 。 然而 ， 增益级不一定必须要设计成以高的低频增益工作 ， 因为它可能不稳定并且振荡 。 JM Rollett根据晶体管的散射参数（s参数）确定稳定系数K， 如方程（1）中给出 ， 当晶体管无条件稳定时（无论晶体管的输入或输出呈现什么阻抗 ， 它都不会振荡 。 ） ， 其具有大于1的值 。 在频率范围的这个区域 ， 其中K>1 ， 最大传感器增益（GMAX）等于晶体管的最大可用增益（MAG） ， 如方程（2）所示 。
稳定系数K：
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方程(1)
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方程（2）
在K<1的频率处 ， 最大换能器增益（GMAX,maximum transducer gain）等于方程（3）给出的晶体管的最大稳定增益（MSG ， maximum stable gain） 。
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图2、晶体管增益和稳定系数与频率的关系
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方程（3）
无源组件
二极管
MESFET MMIC工艺中的二极管通常从栅极肖特基接触到低掺杂半导体帽层产生 。 与专用的肖特基二极管MMIC工艺相比 ， 这些二极管往往具有更高的串联电阻 ， 但这种串联电阻可以通过替代工艺的方法来降低 。 就其低频1 / f噪声而言 ， InP HBT二极管的噪声低于基于InP HEMT的二极管 ， 这对振荡器和混频器应用非常有用 。 双极工艺中的二极管可以用基极 - 发射极结或基极 - 集电极结形成 。
传输线
当电子元件用低频（<1MHz）导线连接在一起时 ， 元件之间的距离与信号的波长相比非常小 ， 因此可以假设在导线上的任何地方 ， 电压幅度都是相同的 。 而在射频和微波频率下 ， 即使在微小的MMIC上 ， 组件之间的距离也可能是信号波长的重要部分;连接金属轨道任何一点的电压都是信号幅度和相位的函数 ， 因此此时必须将互连金属线视为传输线 。


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