在第三代通信放大器中HBT挑战MESFET

    摘要：本文简要介绍异质结双极晶体管构成的RF IC。

    关键词：无线通信 射频集成电路 场效应管 异质结管

    无线通信即将进入第三代系统。近年来，从移动手机至基站无线设备的功率放大器，都采用GaAs材料的金属半导体场效应晶体管（MESFET），以代替早期的Si双极晶体管（BJT）。现代半导体材料和工艺的改进，提供更多的高性能晶体管为第三代无线设备服务。值得注意的是异质结双极晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）和SiGe晶体管等器件，目前GaAs HBT已具备向GaAs MESFET挑战的性能价格比。

    异质结双极晶体管与传统的双极晶体管不同，前者的发射极材料不同于衬底材料，后者的整个材料是一样的，因而称为异质结器件。异质结双极晶体管在GaAs衬上用InGaP发射极获得成功，HBT基的射频集成电路（RFIC）已在蜂窝移动电话末级功率放大器、基站驱动级、有线电视的光纤线路驱动器上获得成功，证明HBT的性能比通用的MESFET的性能更好。

异质结双极晶体管的特点

    目前上市的InGaP/InGaAs HBT器件是Stanford微器件公司的NGA系列，它在2GHz下具有19dB的增益和良好的线性度，输出功率达到+17dBm，并具有足够的动态范围，输出三阶截点（OIP3）超过+38dBm，单电源+4v下电流是80mA。两种NGA放大器集成电路的主要性能如表1所示。

表1 NGA系列放器

表2 RF IC的几种工艺

表3 新的NGA放大器系列

    GaAs材料具有比Si材料更高的载流子迁移率，因而高频增益较高，温度特性更好。Si材料是炼工艺可拉制12英寸直径的单晶，GaAs圆片直径在6英寸以下，Si材料比GaAs材料便宜。但是GaAs衬底的半绝缘性质适于制成无湖泊元件，Si衬底的半导体性质不具备这种条件。双极晶体管的电流流动是垂直取向的，FET是纵向结构，因而在同样输出功率下双极晶体管的面积比FET小两三倍，并且在高频率下具有更高的增益。对于线性应用的放大器，性能优值由输出三阶截点（OIP3）与输出1dB压缩点（OIP3-P 1dB）的差值来表示，性能优值是器件效率的表征。MESFET的典型值是9至10dB，GaAs HBT的相应值大于15dB。由于性能优值很高，GaAs HBT的基极-发射极的异质结非线性可以省略，有利于多音互调信号的抑制。SiGe HBT器件亦具有14dB的性能优值。

    在非A类放大状态的大信号下工作的器件，需要高的击穿电压。GaAs材料的导带宽度高于Si材料，在同样的掺杂浓度下GaAs器件击穿电压高于Si器件。移动电话的功率放大器的供电电压只有+3至+5V，对击穿电压要求不高。对基站工作的+10V供电电压，功率放大器选用较高的工作点，以便减少在低压大电流下的电阻损耗。另外，与GaAs HBT不同，GaAs MESFET是耗尽型器件，需要负电压供电来控制通道电流，此时正电压电源由一块电源集成电路变换极性。另外，为降低功率放大器的待机电流，GaAs MESFET采用开关去控制关态下的泄漏电流，故GaSs HBT的功率放大器电路比较简单，对于移动手机可节约出20mm的外围电路面积。GaAs HBT器件全部使用分子束外延生长技术。

    器件的结温与平均失效时间（MTTF）有密切关系，大部分GaAs HBT器件采用A1 GaAs发射极，Stanford微器件公司的NGA系列采用InGaP发射极，前者的激活能较低且平均失效时间只有105小时，后者的激活能较高，结温可达到+125℃，平均失效时间超过107小时。

    几种RF IC的工艺比较如表2所示。

异质结双极晶体管电路

    GaAs HBT的基本电路如图1所示。这是简化的电路图，采用直流耦合的达林顿级联，输入输出阻抗50Ω，宽带级联全部使用电阻元件。第二级发射极电阻Re2调节增益和带宽的要求值，并获得3dB的滚降频率特性，第一级发射极电阻Re1决定第一和第二级的电流平衡，Re1和Re2的等效并联决定电路的输入阻抗。整个放大器的效率由第一和第二极的电流平衡来获得最佳值，电路的级性度和频率滚降特性由每级器件的最佳电流密度偏置。NGA-489集成电路和NGA-589集成电路分别在8GHz和6GHz以下带宽内具有良好线性度，以及14dB和19dB的增益。它们采用Micro-X-86和SOT-89型低热阻封装，电路驻波比是1.5：1。

    除NGA-498和NGA-589外，还有用于2GHz、3GHz和6.5GHz带宽，增益在20dB以上各种型号，见表3。例如NGA-1000带宽是0.1至2.0GHz，增益27dB，三阶截点+36dBm和输出功率19dBm。由于增益较高，集成电路采用多级达林顿电路级联和电流反馈，接地电阻和电感必须减少，防止寄生振荡。典型供电电路如图2所示，电源降压电阻用于保证电路芯片获得规定电压，最好有+2到+3V压降，以保证减少电压变动的影响。NGA系列放大器具有很平坦的增益，例如NGA-489从0.1至4.0GHz的增益平坦度达到±0.5dB，群延时小于90ps，反向隔离18dB，额定工作温度-45°至+85℃。因为GaAs的热阻是Si的三倍，而工作电流密度低于25KA/cm2，热阻等于110℃/W，平均换效时间约2百万小时。根据GaAs HBT的电学性能可知，它们非常适用于移动通信手机、蜂窝基站的驱动级、有线电视和光纤的驱动放大器。GaAs HBT集成电路价格虽然比GaAs MESFET集成电路高，但是由于电路较简单，性能优于后者，目前已经可与后者争一日之长短，随着产量的增加和工艺的改进，GaAs HBT的价格还有进一步下降的余地。

    Stanford微器件公司除生产InGap HBT NGA系列外，学有SiGe HBT的SGA系列放大器，用于3.5GHz以下的射频放大，性能与NGA系列相近。其它半导体生产公司如Anadigics、RF微器件、Eic、Raytheon等公司都生产与Stanford公司类似的产品。HBT的RF IC已用于2.5G的移动电话和“蓝牙”个人无线网的收发器，并且预期在3G的移动通信中获得更多的应用。

    HBT的RF IC和模块的开发工作今后会有更多的成果，HBT的RF IC已在6英寸圆片上完成批量生产。频率44GHz的InP HBT单片微波集成电路由TRW公司制成，它的性能高于其它工艺的器件，特别是线性优值，即三阶截点输出功率与直流功率之比(IP3/Pdc)达到42.4/1.0，可用于毫米波接收机和高速率光纤放大器。