SiGe HBT器件及其在LNA电路中的应用研究

摘要

低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)作为接收机前端的重要组成部分，其增益、噪声系数和线性度等指标直接影响着接收机的接收性能和灵敏度。随着现代无线通信技术的发展，对数据传输速率和频带的要求也越来越高，因此对超宽带低噪声放大器的性能指标提出更高的要求。
　　锗硅异质结双极型晶体管(Silicongermanium Heterojunction bipolar transistor,SiGeHBT)作为一种新型射频器件，具有与GaAs器件可媲美的噪声、增益和频率特性，并且与现有的Si工艺兼容，兼有高频、低功耗和低成本的优点，因此成为近年来的研究热点。
　　本文对SiGeHBT电学性能和结构工艺参数、SiGeHBT噪声模型和SiGe HBLNA电路进行了较为深入的研究。其主要的创新性成果有:
　　(1)对SiGeHBT进行理论研究。分析讨论了半导体异质结的基本原理、SiGeHBT的直流特性和频率特性以及SiGeHBT的各种结构参数对晶体管性能的影响。分析结果表明异质结在噪声和频率特性等方面优于同质结，通过合理优化晶体管的结构参数能使晶体管得到最大电流密度和击穿电压，并具有足够高的电流增益和特征频率。建立了SiGeHBT结构和工艺参数与晶体管的增益、噪声和特征频率之间的关系，据此实现了晶体管的噪声、增益和特征频率的优化。
　　(2)对双极型晶体管的Ebers-Moll模型、Gummel-Poon模型、SPICE模型以及噪声模型进行分析研究。研究结果表明，为使SiGeHBT电路噪声系数降低，应该基区高掺杂，发射区低掺杂，减小基区宽度，从而减少基区渡越时间以提高晶体管截止频率。建立了SiGeHBT简化SPICE噪声模型，得到了晶体管最小噪声系数与工作频率和集电极电流之间的关系，为电路设计提供参考依据。用ADS软件仿真出SiGeHBT的最小噪声系数与工作频率之间的关系。结果表明，双极型晶体管最小噪声系数随工作频率增大而呈现非线性增长。
　　(3)讨论了低噪声放大器电路的各种指标参数以及常用的超宽带放大器的电路拓扑结构，并对低噪声放大器的偏置电路以及匹配理论进行理论分析。低噪声放大器的指标参数是设计的依据和目标。设计电路前首先要确定电路的拓扑结构，差分式放大器的噪声系数和成本比较高，平衡式放大器稳定性和线性度好，但是噪声不理想，负反馈式放大器稳定性高，牺牲增益换取更优异的增益平坦度。而偏置电路为晶体管提供合适的偏置电压和偏置电流。电感偏置电路噪声性能和线性度好，但其面积较大且带有损耗。电阻偏置电路相比电感偏置电路可以减少电路面积，但是在噪声和线性等参数方面不如电感偏置电路。双偏置电路在噪声、功率损耗、线性度等各方面参数表现最为出色。
　　(4)基于JAZZ0.35μmSiGe工艺，采用ADS软件设计并仿真一个工作在3.1-10.6GHz的低噪声放大器。该低噪声放大器电路的输入极采用共发射极结构，利用发射极反馈电感来进行输入匹配，第二级采用达林顿结构对信号提供合适的增益。使用ADS2006软件进行设计、优化和仿真。仿真结果显示，在3.1-10.6GHz带宽内，放大器的电源电压在5V时，噪声系数低于3.3dB，增益大于25.1dB，输入输出回波损耗低于-10dB，输入输出驻波比小于1.9，功率损耗为32mW。
　　整体电路的性能指标受器件的增益、噪声等特性和电路的设计影响。对器件而言，影响因素包括结构和工艺等因素;对电路而言，影响因素包括电路拓扑结构、偏置电路、匹配电路等。本文首先对SiGeHBT模型和噪声理论进行分析研究，为电路设计提供理论指导。然后对SiGeHBTLNA电路进行理论分析，并仿真了一款应用在UWB频段内的LNA电路。本文为SiGeHBTLNA电路设计提供重要的理论指导和设计思路。

目录

作者简介

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外SiGe HBT的研究进展

1．3 SiGe HBT应用于LNA电路的研究进展

1．4 本文的研究内容及安排

第二章 SiGe HBT的理论研究

2．1 Si／SiGe半导体异质结

2．1．1 半导体异质结的基本原理

2．1．2 Si／SiGe半导体异质结的注入比

2．2 SiGe材料的主要制备技术

2．2．1 分子束外延(MBE)

2．2．2 化学气相沉淀(CVD)

2．3 SiGe HBT的工作特性

2．3．1 SiGe HBT的直流特性

2．3．2 SiGe HBT的频率特性

2．3．3 SiGe HBT的Early电压

2．4 SiGe HBT的结构参数

2．4．1 纵向结构参数的设计

2．4．2 横向结构参数的设计

2．5 本章小结

第三章 SiGe HBT的模型分析及其噪声研究

3．1 双极型晶体管模型分析

3．1．1 Ebers-Moll晶体管模型

3．1．2 Gummel-Poon晶体管模型

3．1．3 SPICE晶体管模型

3．2 射频电路中的噪声理论

3．2．1 噪声的分类

3．2．2 微波射频电路中晶体管的噪声

3．2．3 等效噪声温度和噪声系数

3．2．4 二端口网络的噪声

3．3 SiGe HBT的噪声模型分析

3．3．1 SPICE噪声模型

3．3．2 热动力学噪声模型

3．3．3 SiGe HBT简化SPICE噪声模型研究

3．3．4 SiGe HBT噪声分析

3．4 本章小结

第四章 低噪声放大器电路的理论研究

4．1 低噪声放大器各种参数

4．1．1 S参量

4．1．2 放大器的稳定性

4．1．3 放大器的增益

4．1．4 驻波比VSWR

4．1．5 工作频率及带宽

4．1．6 放大器增益平坦度

4．1．7 放大器线性度

4．1．8 动态范围

4．2 典型的超宽带低噪声放大器电路拓扑结构

4．2．1 差分式放大器

4．2．2 平衡式放大器

4．2．3 负反馈式放大器

4．3 偏置电路的理论分析

4．3．1 电感偏置电路

4．3．2 电阻偏置电路

4．3．3 双偏置电路

4．4 匹配理论分析

4．5 本章小结

第五章 SiGe HBT LNA电路的研究与设计

5．1 设计目标和设计方案

5．1．1 设计目标

5．1．2 设计方案

5．2 达林顿结构分析

5．3 晶体管直流工作点扫描和偏置电路设计

5．4 负反馈网络

5．4．1 串并联电阻负反馈

5．4．2 集电极电感负反馈

5．4．3 发射极电感负反馈

5．5 电路稳定性仿真

5．6 电路的输入匹配

5．7 电路的输出匹配

5．8 电路的整体优化

5．9 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果