LNA的應(yīng)用方向

PHMET是繼MESFET之后最適合用于低噪放設(shè)計(jì)的管子。FET中的主要噪聲源是熱雜散，主要是由于管子的通道中的載流子的隨機(jī)運(yùn)動造成的。載流子的隨機(jī)運(yùn)動導(dǎo)致了電流的不規(guī)則變化，由此而產(chǎn)生了噪聲。柵極和通道之間存在的耦合電容，使得總噪聲是由柵極噪聲減去漏極噪聲得到。這是FET管子獨(dú)具的特點(diǎn)，使得其具有優(yōu)異的低噪聲特性。

為了得到一個(gè)最優(yōu)的噪聲特性，可以通過兩個(gè)方法：一個(gè)是降低由電阻引入的噪聲源（這個(gè)和器件本身的特性有很大關(guān)系），另外一個(gè)盡可能的提高電流增益的介質(zhì)頻率ft。第二個(gè)方法需要在器件設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮最大的跨導(dǎo)、最小的柵極電容，以及合適的偏置電路。

通常來說，在Idss/10的條件下可以得到最小的噪聲系數(shù)。雖然這種情況下MESFET和HEMT所需要的偏置會有差別，但是HMET的Ids的范圍要比MESFET更寬。

最大增益和最小噪聲系數(shù)所對應(yīng)的偏置通常是不同的甚至是相互矛盾的，因此必須要在兩者之間做折中的設(shè)計(jì)。HEMT的Ids的范圍更廣，因此在設(shè)計(jì)增益和噪聲系數(shù)都考慮到的電路時(shí)候，選擇范圍更廣，兩者的影響相對較小。

高增益往往需要器件在設(shè)計(jì)的時(shí)候充分考慮在通道的下面應(yīng)用異質(zhì)結(jié)或者其他形式的緩沖區(qū)，最大限度地減小載流子的注入、減小輸出電導(dǎo)。

高摻雜的應(yīng)用為HBT打開了更廣的應(yīng)用場景，能夠應(yīng)用在一些寬帶、低噪聲的場景中。有針對噪聲特性的研究數(shù)據(jù)表明了，PHMET能夠提供比MESFET更小的偏置電流敏感性vs噪聲性能。

InP基的HEMT能夠提供性能極好的低噪聲特性。InP的器件通常也是光電領(lǐng)域最優(yōu)的選擇，在光電領(lǐng)域通常需要考慮兼容InP的光器件、工作頻率超過40GHz。下圖顯示了不同材料、不同管子工作頻率vs噪聲系數(shù)的關(guān)系。

從圖中可以看到InP的HEMT采用了晶格匹配和應(yīng)變設(shè)計(jì)的方案下，90GHz對應(yīng)的噪聲系數(shù)在1.2dB左右。

HBT在低頻段的噪聲通常比較小。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)偏置電路能夠減小管子的非線性性帶來的影響，這樣可以在變頻的時(shí)候獲得更好的頻率特性。同時(shí)HBT的振蕩器也可以實(shí)現(xiàn)很小的相位噪聲。

PA的應(yīng)用方向

功放的關(guān)鍵指標(biāo)包括了1dB壓縮點(diǎn)、飽和功率、三階交調(diào)、PAE，相比于低噪聲放大器要考慮的指標(biāo)更多。設(shè)計(jì)功放最成熟的方案就是采用MESFET，但是并不是功放設(shè)計(jì)的最優(yōu)的方案，特別是當(dāng)工作頻率逐漸變高的時(shí)候。在高頻工作情況下，對柵極的長度要求越小、通道的厚度越薄。高摻雜濃度能夠保證Ids的性能，進(jìn)一步降低擊穿功率。

盡管有這些限制，在文獻(xiàn)【1】中提出了一種MESFET，柵極外圍大小600um，工作頻率為18GHz，0.53W/mm的功率特性。

文獻(xiàn)【2】中提出了一個(gè)中MESFET，在Al2O3上利用GaAs制備了0.3um的柵極，在工作頻率8GHz下，PAE為89%，增益為9.6dB，0.12W/mm的輸出功率，3v的偏置電壓Vds。

下圖總結(jié)了HEMT、MESFET、HBT的功率特性。

從圖中可以看到AlGaAs\\GaAs的 HEMT相比于MESFET在高頻率下的功率增益性能更優(yōu)。

但是這些器件因?yàn)閷?dǎo)帶的不連續(xù)性，使得器件本身受限于載流子密度ns（1012cm-3），進(jìn)一步限制了電流和功率。

盡管這樣，在文獻(xiàn)【3】中還是提出了一種HEMT，柵長86.4mm，頻率2.1GHz，功率100W。

通過增加異質(zhì)結(jié)通道和減小導(dǎo)帶的不連續(xù)性能夠進(jìn)一步的提高器件的功率性能。

• 增加異質(zhì)結(jié)通道的方法能夠提高總的載流子密度，同時(shí)又能夠保證單通道相同的密度下避免擊穿。
• 減小導(dǎo)帶的不連續(xù)性可以利用PHEMT的方案，InxGa1-xAs材料提到了GaAs，來構(gòu)建通道，其中x通常取值0.2。通道厚度為150? PHEMT的載流子密度通常在4×1012cm-3，因此可以得到超過1A/mm的電流。文獻(xiàn)【4】通過這種方法，在工作頻率44.5GHz，柵長1800um的PHMET，功率為0.44W/mm.

另外，在InP的襯底上面制備HEMT也能夠提高載流子密度，進(jìn)而提高電流Ids。同時(shí)InP的襯底能夠提供更好的熱導(dǎo)率，但是從工藝成熟角度、成本優(yōu)勢方面來看，InP的優(yōu)勢要比GaAs弱很多。

很多功率器件都采用了PHEMT，從技術(shù)的角度來看，未來可以通過采用雙凹槽和不對稱凹槽進(jìn)一步提高PHEMT性能。

另外，InP的HEMT因?yàn)镮nGaAs的禁帶寬度較小，導(dǎo)致了其擊穿電壓受到限制。通過采用InGaAs-InP復(fù)合的方式來構(gòu)建通道能夠一定程度上改善這個(gè)問題。

回退功率PHMET對于高線性度的PHEMT來說是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。對于HBT來說， 它在線性度方面有更好的優(yōu)勢，HBT在一個(gè)合適的PAE下的輸入功率下，能夠保證優(yōu)異的線性度。

HBT在面向功率應(yīng)用的小型化、高效率芯片方面有較好的優(yōu)勢。盡管相對于PHEMT在工藝成熟度上有一定的弱勢，但是它能夠提供更高的擊穿電壓、更好的閾值電壓一致性以及指數(shù)性的轉(zhuǎn)移特性。

很重要的一點(diǎn)需要考慮的是散熱的問題，不管是自身的發(fā)熱還是由于旁邊的器件發(fā)熱傳導(dǎo)。工作在連續(xù)波還是工作在脈沖模式下都有所不同，但是這樣的區(qū)別在FET器件中并不是特別明顯。

文獻(xiàn)【5】中提出的大信號模型的HBT，考慮了散熱效應(yīng)，得到了一個(gè)較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。熱穩(wěn)定級聯(lián) （TSC） HBT與傳統(tǒng) HBT 相比，升溫效應(yīng)更低，同時(shí)提供更高的增益。

其他方法還包括用于從芯片頂部散熱的熱分流器，但這些方法通常會增加技術(shù)成本。

另外，InP的器件為高增益和高頻的應(yīng)用提供了很好的解決方案。因其在高頻諧波的電流消除，使得這一類的器件非常適合于高線性度的設(shè)計(jì)。但是其成本往往是GaAs或者其他器件的好幾倍，在面向市場化應(yīng)用的時(shí)候往往局限在一些對成本敏感性較低的方向。

高頻特性

PHEMT的高頻特性較好，很適合用在注入毫米波頻段，在高頻下其增益特性、噪聲以及功率特性都能保持較好的性能。

下圖表示了不同的管子的頻率特性。隨著應(yīng)用頻段向毫米波頻段發(fā)展，如5G、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、導(dǎo)引頭等民用或軍用方向，PHEMT的應(yīng)用也將不斷增加。

InP的HEMT在面向高頻化的應(yīng)用有更好的優(yōu)勢，在毫米波頻段下，能夠保持較低的噪聲的同時(shí)有較高的增益。基于GaAs和InP的HBT雖然也能夠較好地工作在較高頻段，例如fmax=250GHz，但是相對于HEMT的頻率還是要低了很多。

可靠性

可靠性也是選擇管子的一個(gè)重要參考指標(biāo)。MESFET、PHEMT的穩(wěn)定性較好，HBT隨著技術(shù)的發(fā)展在穩(wěn)定性方面也得到了較大的發(fā)展。

與管子可靠性相關(guān)的因素典型的有：

• FET封裝時(shí)的氫擴(kuò)散，這會導(dǎo)致閾值電壓Vth變化。
• 由于半導(dǎo)體通道中肖特基柵極金屬（如Ti/Pt/Au）的交散而引起的柵極下沉也會導(dǎo)致Vth位移，可以通過插入金屬（如Mo）在一定程度上進(jìn)行控制。

PHEMT的可靠性在很多應(yīng)用方向都不錯(cuò)，相比之下InP的HEMT在這方面就要差上一個(gè)數(shù)量級。這可能是因?yàn)楣w材料變化相關(guān)的熱穩(wěn)定性有關(guān)。

也是選擇管子的一個(gè)重要參考指標(biāo)。MESFET、PHEMT的穩(wěn)定性較好，HBT隨著技術(shù)的發(fā)展在穩(wěn)定性方面也得到了較大的發(fā)展。

在HBT中觀察到基極-發(fā)射極結(jié)變化，這是由于基極摻雜劑擴(kuò)散和缺陷形成對器件工作區(qū)域至關(guān)重要，直接導(dǎo)致了增益隨時(shí)間的變化。

AlGaAs/GaAs的HBT的壽命與工作電流密度成平方反比。從溫度相關(guān)的測試中得到的激勵(lì)能力要明顯低于1.5V。這意味著首先需要降低工作電流密度和控制器件溫度，這兩者都會阻礙器件在電路中的使用。通過采用更大的器件尺寸來補(bǔ)償這種效應(yīng)是不可取的，因?yàn)檫@將降低器件阻抗，使得匹配電路能難實(shí)現(xiàn)。材料和工藝的提升使得結(jié)節(jié)在120℃的溫度下能夠保證長達(dá)109個(gè)小時(shí)的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] G. Gaquière et al., IEEE Trans. on ED, Vol. 42, February 1995, pp. 209-214

[2] T. Jenkins et al., GaAs IC Symposium, Atlanta, GA, 1998, pp.259-262

[3] S. Goto, GaAs IC Symposium, Atlanta, GA, Nov. 1998, pp. 77-80

[4] P. Smith et al, IEEE MTT-S Digest, 1994, pp. 809-812

[5] S. H. Shu et al., Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics for Information Systems Applications, Shonan Village, Japan, August 1998