文档介绍：微波功率器件及其材料的发展和应用前景
来源:《材料导报》
内容摘要: 介绍了微波功率器的发展和前景,对 HBT, MESFET 和 HEMT微波功率器件材料的特点和选取,以及器件的特性和设计做了分类说明。、GaN等新型微波功率器件材料。并对目前各种器件的最新进展和我国微波功率器件的研制现状及与国外的差距做了概述与展望。
文  剑  曾健平     晏  敏
(湖南大学应用物理系,长沙410082)
 0 概述
由Ge、Si、Ⅲ-V化合物半导体等材料制成的,工作在微波波段的二极管、晶体管称为微波器件。微波即波长介于1m~1mm之间的电磁波,相应频率在300MHz~300GHz之间。微波半导体器件在微波系统中能发挥各方面性能,归纳起来为微波功率产生及放大、控制、接收3个方面。对微波功率器件要求有尽可能大的输出功率和输出效率及功率增益。 进入20世纪90年代后,由于MOCVD(金属有机化学气相淀积)和MBE(分子束外延)技术的发展,以及化合物材料和异质结工艺的日趋成熟,使三端微波器件取得令人瞩目的成就,使得HBT(异质结双极型晶体管)、MESFET(肖特基势垒场效应晶体管)以及HEMT(高电子迁移率晶体管)结构的各种器件性能逐年提高。与此同时,在此基础上构成的MMIC(单片集成电路)已实用化,并进人商品化阶段,使用频率基本覆盖整个微波波段,不仅能获得大功率高效率而且,噪声系数小。随着微波半导体器件工作频率的进一步提高,功率容量的增大,噪声的降低以及效率和可靠性的提高,特别是集成化的实现,将使微波电子系统发生新的变化。表1列出了几种主要的三端微波器件目前的概况。
表1      微波三端器件概况
名称
类型
材料
工作原理
主要功能
结构特性
微波双极晶体管
PN结三端器件
Si
由电流控制对输入信号的放大作用
低噪声放大、功率
放大、微波振器
窄线条、浅扩散、n-p-n
微波异质结双极晶体管(HBT)
异质结三端器件
AlGaAs/GaAsInP/InGaAsPSi/SiGe/Si
同上 
同上
宽带发射区异质结Nb>Ne
微波功率
MESFET
金属-半导体接触三端器件
GaAs、SiC
由电压控制的对输入信号的放大作用
同上
台面型、平面型
高电子迁移率晶体管(HEMT)
异质结扬效应晶体管
AlGaAs/GaAsAlGaN/GaN
通过由电压控制的高电子迁移率2DEG(二维电子气)浓度和运动的变化实现输入信号的控制和放大
同上  
多层外延、异质结、台面型、平面型
 
1       HBT功率微波器件的特性及设计要点
微波双极型晶体管包括异质结微波双极型晶体管和Si 微波双极型晶体管。Si器件自20世纪60年代进入微波领域后,经过几十年的发展,性能已接近理论极限,并且其理论和制造已非常成熟,这可为后继的第二代、第三代器件借鉴。HBT主要由化合物半导体或合金半导体构成,需要两种禁带宽度不同的材料分别作为发射区和基区,宽带隙材料作发射区,窄带隙材料作基区。当为DHBT(双异质结双极型晶体管)时,集电区与基区材料带隙也不相同。为更加有效地利用异质结晶体管的特性,其结构也不再是普通的平面结构,而是采用双平面结构。
 材料的选取及特