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RF微波功率晶體管使用的半導(dǎo)體材料
在EMC領(lǐng)域的功率放大器中使用了不同類型的晶體管。下面簡(jiǎn)要描述典型的晶體管及其工作特性。由于不同種類的半導(dǎo)體材料具有不同的特性，因此功率放大器的設(shè)計(jì)人員需要基于實(shí)際條件。需求選擇和設(shè)計(jì)。RF微波功率放大器中使用的半導(dǎo)體材料主要包括以下材料。
雙極結(jié)型晶體管（BJT）
雙極結(jié)型晶體管 BJT是三極管，一種具有三個(gè)端子的電子設(shè)備，由具有三種不同摻雜程度的半導(dǎo)體制成。晶體管中的電荷流動(dòng)主要?dú)w因于PN結(jié)處載流子的擴(kuò)散。漂移運(yùn)動(dòng)。
這種晶體管的操作涉及電子和空穴的流動(dòng)，因此它被稱為雙極型，因此也被稱為雙極型載流子晶體管。常用的晶體管和硅晶體管可以通過電流來控制。在一定范圍內(nèi)，雙極晶體管具有近似線性的特性。該范圍稱為“放大面積”，集電極電流大約等于基極電流的N倍。甲雙極晶體管是一種相對(duì)復(fù)雜的非線性器件。如果偏置電壓分配不當(dāng)，則會(huì)使輸出信號(hào)失真。即使在特定范圍內(nèi)工作，其電流放大系數(shù)也會(huì)受到溫度等因素的影響。雙極晶體管的最大集電極耗散功率是器件在一定溫度和散熱條件下可以工作的最大功率。
如果實(shí)際功率大于該值，則晶體管的溫度將超過最大允許值，從而導(dǎo)致器件性能下降，甚至造成物理損壞。它可以在高達(dá)28伏的電壓下工作，并且可以在高達(dá)數(shù)GHz的頻率下工作。為了防止由于熱擊穿而導(dǎo)致的突然故障，必須精心設(shè)計(jì)晶體管的偏置電壓，因?yàn)橐坏┯|發(fā)熱擊穿，整個(gè)晶體管將立即被破壞。因此，采用這種晶體管技術(shù)的放大器必須具有保護(hù)電路，以防止發(fā)生這種熱擊穿。
金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）
MOSFET FET是單極性晶體管，僅可與單一類型載流子的漂移一起使用。根據(jù)溝道極性的不同，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為富電子型N溝道型和空穴型P溝道型，通常被稱為N型氧化金半場(chǎng)效應(yīng)晶體管。NMOSFET和P型MOSFET沒有BJT的致命缺點(diǎn)，例如熱失控。
為了適合大功率工作，在1970年代后期，開發(fā)了一種具有垂直溝道的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，即VMOS晶體管，稱為V溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 MOSFET之后新開發(fā)的高效功率。該器件具有出色的特性，例如高耐壓，大工作電流和高輸出功率。垂直MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（VMOSFET）的溝道長(zhǎng)度由外延層的厚度控制，因此適合于MOS器件的短溝道化，從而提高了器件的高頻性能和工作速度。VMOS管工作在30MHz至3GHz的VHF和UHF頻段。封裝的VMOS器件可以在UHF頻段提供高達(dá)1 kW的功率，甚高頻（VHF）頻段的功率為數(shù)百瓦，并且可以通過12V，28V或50V供電。某些VMOS器件可以在100V以上的電壓下運(yùn)行。
橫向擴(kuò)散MOS（LDMOS）
橫向雙擴(kuò)散MOSFET（LDMOS）：
這是一個(gè)橫向?qū)щ?/span>MOSFET，可減小溝道長(zhǎng)度。通過兩次擴(kuò)散制造的器件稱為LDMOS。在高壓功率集成電路中，經(jīng)常使用高壓LDMOS來滿足高壓電阻和功率控制的要求。射頻電源電路。
與晶體管相比，LDMOS在關(guān)鍵器件特性（例如增益，線性度和散熱性能）方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且由于易于與CMOS工藝兼容而被普遍使用。LDMOS可以承受比雙極晶體管更高的駐波比，可以在不被破壞的情況下以更高的反射功率工作；它可以承受輸入信號(hào)的過勵(lì)磁，并具有很高的瞬時(shí)峰值功率。LDMOS增益曲線更平滑，并允許失真較小的多載波RF信號(hào)放大。
LDMOS晶體管對(duì)飽和區(qū)具有較低且不變的互調(diào)電平。與雙極晶體管不同，互調(diào)電平很高，并且隨功率電平而變化。該主要特性使LDMOS晶體管具有較高的性能。雙極晶體管的功率良好且呈線性。LDMOS晶體管具有更好的溫度特性。溫度系數(shù)為負(fù)，從而防止了散熱的影響。
由于這些特性，LDMOS特別適用于UHF和較低頻率。晶體管的源極連接到基板的底部并直接接地，消除了鍵合線電感的影響，該影響會(huì)產(chǎn)生負(fù)反饋并降低增益，因此它是一款非常穩(wěn)定的放大器。
與其他器件相比，LDMOS的高擊穿電壓和較低的成本使得LDMOS
900MHz和2GHz大功率基站發(fā)射機(jī)的首要選擇。LDMOS晶體管還普遍用于頻率范圍為80MHz至1GHz的許多EMC功率放大器中。
已經(jīng)存在輸出功率超過1.7 GHz的LDMOS器件，并且半導(dǎo)體制造商正在開發(fā)具有更高頻率范圍且可以在3.5 GHz或更高頻率下運(yùn)行的大功率LDMOS器件。
GaAs金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GaAs MESFET）
砷化鎵，化學(xué)晶體化的砷化鎵，是重要的半導(dǎo)體材料。具有高電子遷移率（是硅的5到6倍），1.4eV的較寬禁帶寬度（硅為1.1eV），低噪聲等的III-V族化合物半導(dǎo)體，GaAs比相同的Si更適合零件。在高頻和大功率應(yīng)用中工作。由于這些特性，GaAs器件用于無線通信，衛(wèi)星通信，微波通信，雷達(dá)系統(tǒng)等中，并且可以在高達(dá)Ku頻段的更高頻率下工作。
與LDMOS相比，擊穿電壓更低。通常由12V電源供電，較低的設(shè)備阻抗會(huì)導(dǎo)致較低的設(shè)備阻抗，從而使寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)更加困難。
GaAs MESFET是電磁兼容微波功率放大器設(shè)計(jì)的常見選擇，并普遍用于80MHz至6GHz頻率范圍的放大器中。
GaAs雙高電子遷移率晶體管（GaAs pHEMT）
GaAs pHEMT是一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，用于高電子遷移率晶體管（HEMT），也稱為贗調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（PMODFET），具有更高的電子面密度（約高2倍）；這里的電子遷移率也更高（比GaAs高9％），因此PHEMT的性能優(yōu)越。PHEMT具有雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，不僅可以提高器件閾值電壓的溫度穩(wěn)定性，而且可以提高器件的輸出伏安特性， 從而使器件具有更大的輸出??電阻，更高的跨導(dǎo)和更大的電流處理能力以及更高的工作頻率，更低的噪聲等。利用這種材料，可以實(shí)現(xiàn)頻率高達(dá)40 GHz且功率為幾瓦的功率放大器。
在EMC領(lǐng)域，這種材料可用于實(shí)現(xiàn)功率為200 W的1.8 GHz至6 GHz功率放大器。
氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）
氮化鎵（GaN）HEMT是新一代的RF功率晶體管技術(shù)。與GaAs和基于Si的半導(dǎo)體技術(shù)相比，GaN結(jié)合了更高的功率，更高的效率和更寬的帶寬來實(shí)現(xiàn)特定的GaAs。MESFET器件的功能強(qiáng)大10倍，擊穿電壓為300伏，并且可以在更高的工作電壓下工作，從而大大簡(jiǎn)化了寬帶大功率放大器的設(shè)計(jì)。
目前，氮化鎵（GaN）HEMT器件的成本約為LDMOS的5倍，并且已在EMC領(lǐng)域普遍用于80MHz至6GHz功率放大器。