射频功率放大器线性度指标（射频放大器基础知识）

在RF放大器中选择用于放大的晶体管非常关键，因为它会影响放大器参数的性能，包括效率，功耗，散热，功率输出，稳定性，线性等。一旦选择了用于相应的放大器拓扑结构中的晶体管，晶体管尺寸，芯片放置，焊盘，导线连接和引线连接等将决定放大器的布局和系统的热管理。用于商业目的的最常用的RF和微波功率器件基于硅（Si），砷化镓（GaAs）及其化合物半导体材料。对使用具有宽带隙的材料（例如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN））的高功率密度器件的开发也已经进行了大量研究，这类半导体材料的晶体管的应用也在持续增加。从根本上说，器件性能由几个参数决定，包括材料能带隙（energy band-gap），击穿场，电子和空穴传输性质，热导率，饱和电子速率和电导率。表1.6给出了各种半导体材料的这些参数的典型值。

表1.6给出了各种半导体材料的这些参数的典型值

图7、功率器件系列树的简化图示

功率器件系列树可以简化为如图7所示。

典型的npn双极结型晶体管（BJT）由硅形成，并且发射极和集电极区域被施加了供体。场效应晶体管（FET）和异质结双极晶体管（HBT）器件的特性存在差异。 BJT和HBT之间的主要区别是在HBT器件的发射极 - 基极界面引入了异质结，这些特性可以在图1.8中说明。

FET是平面器件，而HBT是垂直器件。 HBT器件是传统BJT的增强版本，是利用异质结构结设计而成。与传统的BJT不同，在HBT中，发射极和基极材料之间的带隙差异导致更高的共发射极增益。基板寄生电阻低于普通BJT，因此产生的工作频率更高。

图8（a）硅BJT和（b）InP / InGaAs HBT晶体管的典型层结构。

图9 FET的简化结构。

FET系列包括多种结构，其中包括金属半导体场效应晶体管（MESFET），MOSFET，HEMTS等。它们通常由两个欧姆触点接入的导电沟道组成，而这两个欧姆触点分别用作源极（S）和漏极（D）的端子。第三个端子（栅极（G））与沟道或金属氧化物半导体（MOS）结构形成整流结。金属半导体n型FET的简化结构如图9所示。理想情况下，FET器件不会通过栅极端子吸收电流，这与BJT不同，而后者反过来需要很大的基极电流，从而简化了偏置的设计布置。 FET器件表现出负温度系数，随着温度的升高导致漏极电流减小。这可以防止热失控并允许多个FET并联连接而无需镇流，如果必须采用联合或组合器件的概念来进行高功率放大器设计的设计的话，这将是一个非常有用的特性。

RF MOSFET功率晶体管及其主要应用和工作频率如表1.7所示。

表1.7 射频功率晶体管及其应用和工作频率

MOSFET广泛用于RF功率放大器的设计应用中，其中制造商由不同的静态和动态条件下的参数来识别。因此，每个MOSFET器件的制造都具有不同的特性。设计者需要为所考虑的特定电路选择合适的器件。设计人员常用的选择正确MOSFET器件的标准方法之一称为品质因数（FOM，figure of merit）。业界使用了不同类型的FOM。最简单形式的FOM将栅极电荷Qg与RdsON进行比较。栅极电荷（既Qg）和漏极到源极导通电阻（既Rds ON）的倍增涉及某种器件技术，因为它可以与所需的Qg和RdsON相关，以实现MOSFET的正确尺寸。挑战在于Qg和RdsON之间的关系，因为MOSFET在导通电阻（RdsON）和栅极电荷（Qg）之间具有固有的设计折衷，即RdsON越低，栅极电荷Qg就越高。在器件设计中，这是在导通损耗与开关损耗之间进行权衡。新一代MOSFET的制造具有改进的FOM。可以在平面MOSFET结构和沟槽MOSFET结构上说明采用不同工艺制造的MOSFET的FOM的比较。具有沟槽结构的MOSFET与平面结构的MOSFET相比具有7倍的FOM，如图10所示。

图11 显示了沟槽功率MOSFET的两种变体。 沟槽技术具有更高的单元密度的优点，但比平面器件更难以制造。

图10 平面和沟槽MOSFET结构的FOM比较。

图11 沟槽MOSFET（a）V-Groove沟槽MOSFET中的电流拥挤以及（b）截断的V形槽。

（完）