晶体管射频放大器参数测量的进展和意义

2008年射频功率晶体管取得明显进展，以硅材料为主的双极和CMOS工艺都有突破性进展，特别是应用在L波段的场效应晶体管，输出峰值功率1000W的集成电路就有多种型号可供选择，为构建雷达、航空电子应用的KW级固体放大器提供方便。而在十年前，半导体业只能供应峰值功率100W的射频晶体管，为了获得1000W的峰值功率，末级放大器的驱动级需要采用功率分配器，由10个功率晶体管构成5组独立的推挽电路，再经功率合成器合成额定的输出功率。由此可知，相应的供电电源、电路板的占用面积、散热等问题都有一定难题，整个输出模块的成本随之增加。设备的可靠性却不高，因为末级功率放大器的器件、元件数的增加，导致故障率变坏。总的来说，峰值KW级的射频固体放大器的性能价格比还有待提高。

进入2000年后，集成电路的材料、工艺、设计、测量、封装各方面出现许多创新，例如材料方面Si的晶圆从150mm扩大到800mm，单位缺陷亦随着降低;工艺方面的离子注入、扩散外延、金属布线的可靠性提高，使器件线宽从1?m缩小到60nm以下，设计自动化覆盖从生产链的前段到后段;测量手段更加完善，电学参数可在晶圆级上实施;多芯片三维互连封装代替晶圆级颗片互连或多芯片电路板级互连等等，不但促进集成电路的发展，对射频功率晶体管的提高同样有效。

近年来功率晶体管参数测量的进展具有重要意义，功率晶体管往往要在非线性状态下工作，过去只有显示小功率状态下的特性曲线测试仪，只有测量线性状态下的网络分析仪、频谱分析仪和功率计，而无法获得功率晶体管在非线性工作条件下的直流参数和交流参数。结果影响到不能建立完整的高频放大器模型，妨碍高频功率晶体管的应用和发展。众所周知，高频晶体管在非线性工作状态下的各项参数的重要测量仪器陆续推出，解决KW级的射频/微波晶体管建模难点，设计自动化，提高高频晶体管的性能等问题亦迎刃而解。此外，高频晶体管大部分在封装内部或芯片上设置输入端和输出端的匹配网络，极大地简化外电路设计，提高频率、效率、功率都有帮助。加上集成电路的其它革新的推动，现今射频功率晶体管已进入KW级峰值的新阶段。

双极型射频功率晶体管

在当前的射频功率晶体管领域内，传统的Si衬底同质双极器件，以及性能更好的GaAs衬底异质结双极器件都有大量产品可供选择。Si基双极器件的工艺最成熟，成本较低，但频率响应亦较低。随着GaAs材料的出现，由于异质结的电子/空穴迁移率比Si的迁移率高得多，使得GaAs双极晶体管具有频率性能的优势，但成本亦相应较高。在射频功率放大器应用中，Si和GaAs两种材料各有优点和缺点，近年来两者都有创新，传统材料会重新挖潜以满足下一代产品的需要，新型材料会不断革新。

Si材料和GaAs材料在场效应晶体管方面取得比Si双极晶体管更大的进展，但Si双极晶体管仍然有不错的表现。2008年美国Microsemi公司推出TAN500的Si双极晶体管，在960MHz至1215MHz频带内产生500W的脉冲功率，主要针对TACAN(塔康)战术空中导航系统的应用。器件用+50V电源供电，在C类工作状态下由10?s脉冲调制的70W信号驱动，获得500W的峰值功率输出，功率增益最小10dB，集电极效率达到40%。

Si双极射频功率放大器末级采用共基极电路连接，器件内部布线由Au的薄膜金属化形成，基区的外延扩散和发射极的镇流扩散改善了器件的放大性能和提高电路的稳定，器件具有很高的平均故障率。器件的发射极输入和集电极输出预置了宽带匹配电路，散热体与基极之间的热阻很低，为射频末级功率放大器增加输出功率提供良好的基础。TAN500 Si双极晶体管的最大额定值如下：功率耗散Pd在25℃环境温度和脉冲工作状态下是2500W;集电极击穿电压BVc是65V;发射极击穿电压BVe是3V;集电极电流50A;存储温度是-65至200℃;工作结温+200℃。TAN500在25℃环境温度下的工作特性如表1所示。

 

表1 TAN500 Si双极晶体管的工作特性

TAN500的典型输入/输出特性曲线和集电极效率曲线如图1和图2所示。从图中可见，在90MHz、1090MHz和1215MHz频率下，输入功率/输出功率有不错的线性关系，而且在额定峰值输出功率500W下，集电极效率超过40%。对于Si双极晶体管射频末极功率放大器来说，TAN500的整体指标处在领先水平。目前TAN系列已有TAN300、TAN350和TA500等多种型号，分别是输出功率300W、350W和500W的同族产品，而且1000W以上的型号将很快推出。实际上，Microsem公司在2005年生产的MDS系列Si双极射频功率晶体管中，MDS1100是用于航空电子设备末级功放的器件。它在+50V电源和1030MHz下可提供超过1000W的峰值功率输出，在20℃环境温度下最大功耗是8750W，最高工作温度可达+200℃，最低集电极效率是45%。TAN系列晶体管的设计理念与MDS系列的完全相同，但是对设计参数进一步优化，达到特性参数最佳的目的。