改善微波功率SiGe HBTs线性度的仿真研究

摘要

锗硅技术因其良好的集成功能以及优越的高频性能而在微波功率器件领域和射频集成电路领域中得到了广泛的应用,而制造高线性度的微波功率锗硅异质结晶体管(SiGe HBT)也成为一个非常有实际意义的课题.已有实验通过研究SiGe HBTs中锗的分布和建立器件模型来分析应用于射频集成电路或微波功率器件中的SiGe HBTs的线性问题,使现有SiGe HBTs的三阶截取点(IP<,3>)能达到25dBm左右.但是还缺少全面的从器件设计角度来进一步提高微波功率SiGeHBT线性度的方法.论文通过建立非线性模型分析SiGe HBT的高频线性特性,并利用该模型推导出各种非线性因素(如非线性基区电阻R<,B>、非线性基区-集电区电容C<,BC>、非线性跨导g<,m>)产生的各次谐波电流的计算公式.结合Volterra级数以及复合改进节点法(CMNA)法来求解模型端点处的各次谐波电压的大小,利用计算结果解释SiGeHBT的非线性相消现象并总结出可以提高微波功率SiGeHBT线性度的方法.根据现有的SiGe HBT制造工艺设计出合理的仿真结构,结合交流小信号仿真和瞬态仿真来计算器件的高频性能参数:器件工作在V<,CE>为2.5伏的低压下其f<,T>,f<,max>分别超过20Ghz和100Ghz工作在1Ghz的高频信号下,器件的IP<,3>能达到28dBm.通过大量的计算机仿真和对不同尺寸和杂质掺杂浓度的SiGe HBTs的IP<,3>进行比较发现:①、增大发射区电阻R<,E>能增加电路的负反馈从而降低跨导g<,m>的非线性,并因此改善器件的线性度(R<,E>为0.7Ω比RE为0.2Ω的器件IP<,3>提高1~1.5dBm).②、基区电阻RB产生的三次谐波电流与R<,B>的高次项成反比,因此减小基区的掺杂浓度或基区宽度会提高IP<,3>.③、当注入到集电区中的电子浓度和集电区的掺杂浓度相比不可忽略时,CBC成为器件主要的非线性因素,这时空间电荷区的分布会随电流密度变化而改变,而且空间电荷区边界变化越明显线性度越差,仿真结果表明集电区掺杂浓度为5×10<'16>cm<'-3>的SiGe HBT其IP<,3>要比掺杂浓度为4×10<'16>cm<'-3>的SiGe HBT高2~3dBm.④、增加集电区宽度会使电流横向扩展现象更加明显,从而延长空间电荷区,并使器件的线性性能下降.⑤、用挖槽减小外基区-集电区电容(C<,bcx>)的方法在小电流密度工作时能改善器件的线性度,但是当电流密度增加时,因集电区中的电流无法横向扩展而使器件的线性性能明显下降.论文中的仿真始终与理论分析相结合,这些仿真数据和分析结果将有助于今后设计应用于现代无线通信中的高线性度的微波功率SiGe HBTs.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2 SiGe HBT在微波领域的应用和发展

1.3本课题研究的主要内容及意义

1.4本章小结

第二章微波功率SiGe HBT

2.1微波功率晶体管的性能参数

2.1.1功率参数

2.1.2频率参数

2.1.3非线性参数

2.2微波功率SiGe HBT的特性

2.2.1直流特性

2.2.2高频特性

2.2.3基区宽度调变效应

2.3本章小结

第三章微波功率SiGe HBT的非线性分析

3.1 SiGe HBT的主要非线性因素

3.1.1非线性跨导Gm

3.1.2非线性结电容CBC

3.1.3非线性过渡电容Cdiff

3.1.4非线性基区电阻RB

3.1.5基区扩展效应对线性度的影响

3.2用Volterra级数分析器件的非线性

3.2.1 Volterra级数

3.2.2 Volterra级数在器件模型中的应用

3.3 SiGe HBT的非线性相消

3.4本章小结

第四章微波功率SiGE HBT的器件结构与仿真模型

4.1一般微波功率SiGe HBT的制造工艺介绍

4.1.1 SiGe HBT应力层的制造

4.1.2 SiGe HBT的制造结构

4.2仿真的器件结构的确定

4.2.1衬底参数的设计

4.2.2集电区参数的设计

4.2.3基区参数的设计

4.2.4间隔层参数的设计

4.2.5发射区参数的设计

4.2.6发射区帽参数的设计

4.2.7仿真器件的结构

4.3仿真原理、模型以及方法

4.3.1仿真原理和模型

4.3.2仿真方法

4.4本章小结

第五章微波功率SiGe HBT线性度特性的仿真研究与结果

5.1改变发射区参数对器件线性度的影响

5.2改变基区参数对器件线性度的影响

5.2.1根据交流仿真结果提取小信号参数

5.2.2通过减小基区宽度来提高器件的线性度

5.2.3通过减小基区掺杂浓度来提高器件的线性度

5.3改变集电区参数对器件线性度的影响

5.3.1改变集电区掺杂浓度对器件线性度的影响

5.3.2改变集电区宽度对器件线性度的影响

5.4外基区-集电区电容对器件线性度的影响

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢