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第二章 微波晶体管 2.1 微波双极晶体管 微波双极晶体管通常都是平面结构，几乎都是NPN的。微波双极晶体放大 器工作原理和传统双极晶体管一样，这里只简要说明一下微波双极型晶体管的 等效电路和性能参数。 微波晶体管中，为了提高发射极效率、减小结电容以适应微波频率上工作 的需要，一般采用交指型结构。在低噪声放大电路中，共发射极电路用得较普 通，因为它有较高的功率增益、输入和输出阻抗比较接近于通常的传输线特性 阴抗、稳定性也好。 微波双极晶体管管芯共基极、共发射极小信号等效电路如图2.1所示。图 中， 表示基极扩散电阻，表示集电极耗尽层电容, 表示发射极结电阻； 表示发射极耗子层电容， 表示集电极结电阻。 图 2-1 微波双极型晶体管管芯等效电路 （1）特征频率 晶体管中载流子从发射极渡越到集电极的时间的称为延迟时间，用г表示。 当工作频率比较高时，延迟时间与信号周期相比已显得相当长，这时输出电流和输入电流之间出现了相位差。当工作频率进一步提高时，载流子在基区中运动而尚未到达集电极构成输出电流时，加在输入端的交流传号的大小和方向已经改变了，因而造成了载流子运动韵混乱现象，使电流放大系数下降。频率越高，电流流放大系数下降越厉害。由此可见，电流放大系数具有一定的频率特性。通常用特征频率表示微波晶体管的高频放大性能，它定义为共发极短路电流增益=l时的频率。特征频率与晶体管的结构参数密切相关。微波双极晶体管受到管予结构和工艺水平的影响，特征频率不可能很高。当要求频率更高时，一般使用微波场效应晶体管。其特征频率可表示为： (2)噪声 在微波晶体管中，闪烁噪声不起主要作用，因此微波晶体管的噪声主要有 两类：热噪声和散弹噪声。热噪声是晶体管中载流子的不规则热运动引起的， 它的大小与晶体管本身的欧姆电阻有关。散弹噪声是有电流流动时由于载流子 运动的起伏产生的，其大小与电流成正比。 这样我们可把晶体管内的噪声分成三类：和晶体管内欧姆电阻有关的热噪 声；与基极电流有关的散弹噪声；与集电极电流有关的散弹噪声。即 可用三个噪声源来表示微波晶体管的噪声，如图2.2所示。 图 2-2 共发级简化噪声模型 在晶体管中，发射极和集电极的串联电阻以及任何接触电阻都产生热噪声， 但它们和基区电阻相比都较小，可以忽略不记。因此可表示为 =4kTB 式中k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，B是噪声带宽。 基极电流的散弹噪声可表示为 =2e 式中e是电子电荷，是基极直流电流 集电极电流的散弹噪声可表示为 =2eB 式中e是电子电荷，是集电极直流电流 按照上述分类，我们可以借助福田公式计算微波晶体管的最小噪声系数。 由上式可以看出，最小噪声系数是集电极电流的函数，集电极电流有一最佳值，使噪声系数最小，图2.3是一般微波双极晶体管最小噪声系数与集电极电路的关系曲线。 图 2-3 噪声系数对频率的变化是很明显，上图给出了噪声系数与频率关系的典型曲线。当频率低于时，噪声系数随频率的降低而增大，这是由闪烁噪声引起的，这种噪声在微波晶体管中可不必考虑；在到的频率范围内，噪声系数基本上不随频率变化，称为白噪声区：当频率高于时，噪声系数随频率的升高显著增大，呈现每倍频段6dB的上升速率。是高频转角频率，其值通常用来估算。一般，而。因此，知道了管子的就可计算出。当管子的使用频率在低于的自噪声区，则其噪声系数最小。由此可见，为了获得低噪声放大器，应选用特征频率几倍于工作频率的微波晶体管。 2.2 微波场效应晶体管 微波场效应晶体管是用砷化稼材料制成的，简称为FET，既可以供微波低噪声放大用，也可以供微波功率输出用。场效应晶体管的截止频率很高，可达50GHz以上，比双极晶体管约高3倍，所以在更高频率上的应用，场效应晶体管它具有下述特点： (1)场效应晶体管是多数载流子器件，少数载流子不参加导电。所以有时也 称为单级品体管。 (2)输入阻抗高，比双极晶体管更适合电路应用。 (3)噪声低。 (4)抗辐射性能强，能耐高温。 一、工作原理和等效电路 在微波场效应晶体管的源级和漏级之间加电压，源级和栅级之间加电压，漏极的电位为正，栅极的电压为负，则在栅极处存在一层耗尽层。由于载 流子被耗尽，所以耗尽层的电阻很大，载流子在其中不易流动，如下图左所示。 耗尽层下形成一个N型沟道，耗尽层越宽，沟道越窄，晶体管的源漏级电流 越小。控制栅压可以控制N型沟道宽度，从而可以控制源漏电流。越负，电流越小。下图右画出典型砷化镓场效应晶体管(GaAsFET)的低频电压—电流特性。 图2-4 场效应管的电压和电流 NE425S01场效应管的电压电流特性 场效应管管芯等效电路如下图所示 图 2-5