CN107483023A - 射频电路结构及具有该电路结构的射频放大器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频电路结构及具有该电路结构的射频放大器件，所述射频电路结构包括三极管，在三极管的输入端增加反向二极管的并联结构，所述二极管具有非线性结电容，二极管的结方向与三极管输入端的结方向相反；构建具有上述任一射频电路结构的射频放大器件；本发明的优点为：相对于经典的效率提升方法，本发明具有技术简单，结构简洁，易于单芯片集成和占用芯片面积小的优势；显著提高了相关应用中射频放大器件或电路的功率附加效率，广泛适用于微波、毫米波放大器件和电路等应用。

Description

射频电路结构及具有该电路结构的射频放大器件
技术领域
本发明涉及射频放大电路和器件，尤其涉及一种射频电路结构，同时还涉及具有该电路结构的射频放大器件。
背景技术
射频放大器件和电路被广泛应用于通信、导航、识别、测控、广播电视、遥感遥测、射电天文、电子对抗等应用的无线电系统，在这些应用中射频放大器件或电路的噪声、增益、功率密度、功率附加效率等指标较为关键；在微波、毫米波的雷达、通信等领域中，相关设备对放大器件、电路的功率附加效率有严格要求，在高效率器件、电路的研究方面，射频电路设计者通常从器件匹配方式、电路拓扑结构等方面出发，而器件、工艺研究者通常从降低器件寄生电阻、寄生电容、降低膝电压、提高击穿电压等方面入手；其次，在射频器件和电路应用中，人们常常用二极管的电流电压非线性进行三极管的预失真，未见研究者将二极管的电容电压非线性用于三极管效率提升，也未见研究者从三极管输入端非线性结电容导致的信号相位扩张和波形畸变对器件功率附加效率产生的影响入手，对三极管、放大器的功率附加效率进行提升的相关方案或产品。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种利用二极管的非线性结电容对三极管输入端的信号相位和波形进行调制，以实现降低器件射频工作电流、提高功率附加效率的射频电路结构，本发明的第二目的是提供一种具有该电路结构的射频放大器件。
技术方案：本发明所述的一种射频电路结构，包括三极管，在三极管的输入端增加反向二极管的并联结构，所述二极管具有非线性结电容，二极管的结方向与三极管输入端的结方向相反。
所述二极管串联有隔直电容，利用隔直电容隔离二极管的直流分量；优选的，所述隔直电容位于二极管近三极管端。
所述二极管为双极型的PN二极管、单极型的肖特基二极管、PIN二极管或者二极管连接形式的三极管。
所述三极管为MESFET、HEMT、PHEMT、BJT、HBT、JFET、HFET或者MOSFET。
构建具有上述任一射频电路结构的射频放大器件。
工作原理：本发明通过在三极管的输入端增加反向二极管的并联结构，利用二极管结电容的非线性对输入端信号相位进行调制，达到降低三极管或电路射频工作电流、提高射频三极管或放大电路功率附加效率的效果。
有益效果：与传统的对器件匹配、电路拓扑、器件工艺进行改进以提高射频放大器件、电路功率附加效率的方法相比，本发明具有技术简单，结构简洁，易于单芯片集成和占用芯片面积小的优势；显著提高了相关应用中射频放大器件或电路的功率附加效率，广泛适用于微波、毫米波放大器件和电路等应用。
附图说明
图1为带二极管补偿结构的GaN HEMT器件拓扑示意图；
图2为三极管输入端无反向肖特基二级管的GaN HEMT器件显微镜成像图；
图3为三极管输入端有反向肖特基二极管的GaN HEMT器件显微镜成像图；
图4为具有二极管相位调制结构的GaN HEMT在最佳效率匹配情况下功率增益、输出功率、动态电流、功率附加效率与注入功率的关系；
图5单管在最佳效率匹配情况下功率增益、输出功率、动态电流、功率附加效率与注入功率的关系示意图；
图6为两种器件在各注入功率下增益和输出功率的对比示意图；
图7为两种器件在各注入功率下动态电流与功率附加效率的对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
三极管输入端结电容的非线性产生于其在正向偏置时电子在近结端积累、反向偏置时电子向远结端耗尽的特性，输入端结电容的非线性对注入信号的相位影响较大并导致其栅极电压波形的畸变，结电容的非线性导致三极管输入端电压波形畸变、导通角变大，导致三极管工作电流增大，晶体管或放大电路的功率附加效率降低。本发明在研究三极管输入端非线性结电容与器件功率附加效率的关系的基础上，提出了利用输入端二极管非线性结电容的相位调制作用提高三极管功率附加效率的电路结构。
电路结构：一种输入端有二极管相位调制结构的三极管结构，二极管2的结方向与三极管1输入端的结方向相反，以实现输入端二极管2结电容的非线性对三极管1输入端结电容非线性的补偿；三极管1可以是场效应三极管或双极型晶体管；二极管2可以为双极型的PN二极管，也可以是单极型的肖特基二极管，或其它有非线性结电容的二极管；二极管的尺寸、个数和形状根据实际应用情况对器件或电路面积、可靠性、电性能指标的要求优化选取。
本实施例三极管选取GaN HEMT，二极管选取GaN基肖特基二极管；在单指栅宽为100μm、栅指数为4的0.2μm栅长GaN HEMT输入端引入并联结构的肖特基二极管，肖特基二极管的单指栅宽为100μm、栅指数为2，栅长为0.2μm。为了实现输入端肖特基二极管电容的非线性对GaN HEMT单管的栅结电容非线性的补偿，输入端肖特基二极管的栅结选取与GaNHEMT的栅结相反的方向；为了避免二极管的直流导通对GaN HEMT的基电极或栅电极偏置的影响，在二极管近三极管端加隔直电容3；图1为带二极管补偿结构的GaN HEMT器件拓扑示意图。
器件制备：基于上述电路结构，制备出一种典型的射频放大器件，采用美国cree公司生产的4英寸SiC衬底，在衬底上依次生长AlN成核层、2μm GaN缓冲层和20nm AL0.28Ga0.72N势垒层，形成制备GaN HEMT所需的外延结构。器件主要的制作工艺步骤包括：在圆片上光刻和刻蚀出标记，之后光刻源漏图形，通过电子束蒸发和剥离工艺实现源漏金属化，之后进行快速热退火实现源漏合金和欧姆接触，之后采用PECVD设备淀积100nm SiN介质，之后光刻隔离图形并通过高能硼离子注入实现有源区域的隔离，之后光刻0.2μm栅脚，刻蚀100nm栅脚介质，之后光刻栅帽，通过电子束蒸发和剥离工艺实现栅金属化，之后生长SiN保护介质，通过介质刻孔、金属化工艺制备电容等无源元件并完成器件互联。肖特基二极管的制备工艺与GaN HEMT相同，因此可在一个外延圆片上同时实现两种器件。
图2为输入端无反向肖特基二级管的GaN HEMT器件的显微镜照片，三极管为4*100μm的GaN HEMT单管，对应附图标记101；图3为输入端加入肖特基二极管相位调制结构的4*100μm的GaN HEMT单管的结构示意图，其中三极管采用GaN HEMT器件，对应附图标记102，相位调制结构为两路各有两个2*100μm串联组成的肖特基二极管对，对应附图标记201和202。采用两个肖特基二极管串联为了减小单个二极管的分压提高其耐功率水平。
对比测试：使用的测试仪器为Focus负载牵引系统，上述两种器件的偏置电压都为Vgs＝-2.2V，Vds＝20V，偏置电流都为Ids＝30mA，测试结果示于图4—图7，其中图4为输入端有肖特基二极管相位调制结构的4*100μm GaN HEMT在最佳效率匹配情况下功率增益gain、输出功率Pout、动态电流Id和功率附加效率PAE与注入功率Pin的关系示意图；图5为4*100μm GaN HEMT单管在最佳效率匹配情况下功率增益、输出功率、动态电流和功率附加效率与注入功率的关系示意图；图6为两种器件在各注入功率下功率增益和输出功率的对比示意图；图7为两种器件在各注入功率下动态电流与功率附加效率的对比图。可以看到，在小注入功率下，带相位补偿结构的GaN HEMT器件相对于同尺寸GaN HEMT单管并无动态电流和功率附加效率上的优势，并且由于补偿结构引入的功率损耗，带相位补偿结构的GaNHEMT器件在小注入功率下的增益、功率附加效率等方面的特性有一定退化；但当注入功率增大到13dBm以后，带相位补偿结构的GaN HEMT器件较同尺寸GaN HEMT单管的动态电流更小、功率附加效率更高，当注入功率为20dBm时，补偿结构将功率附加效率提高了约6.5％。
可见，在射频大信号工作条件下，输入端有肖特基二极管相位调制结构提高GaNHEMT器件功率附加效率的效果是显著的；另外，通过对输入端肖特基二极管的尺寸进行优化和调整，以及牺牲二极管可靠性变两管串联为单管等方式，补偿结构的功率附加效率仍有提高的空间。
本发明提出的电路结构为基于两个跨专业领域的扎实功底和深刻认识，具体来说，发明人在对有源三级管器件的大信号模型以及三极管在射频工作时的动态特点进行了准确深刻的认识的基础上，结合对射频功放的相关理论尤其是功耗问题、线性问题、谐波问题和导通角问题等深入研究，在一定程度上克服了技术偏见和定势思维，将二极管的电容电压非线性用于三极管效率提升，并用隔直电容隔离二极管的直流分量，实施例表明其效率提升的效果良好，采用本发明提高器件、电路的功率附加效率具有积极意义。

Claims (6)

1.一种射频电路结构，包括三极管(1)，其特征在于：在三极管(1)的输入端增加反向二极管(2)的并联结构，所述二极管(2)具有非线性结电容，二极管(2)的结方向与三极管(1)输入端的结方向相反。
2.根据权利要求1所述的射频电路结构，其特征在于：所述二极管(2)串联有隔直电容(3)。
3.根据权利要求2所述的射频电路结构，其特征在于：所述隔直电容(3)位于二极管(2)近三极管(1)端。
4.根据权利要求1所述的射频电路结构，其特征在于：所述二极管(2)为双极型的PN二极管、单极型的肖特基二极管、PIN二极管或者二极管连接形式的三极管。
5.根据权利要求1所述的射频电路结构，其特征在于：所述三极管(1)为MESFET、HEMT、PHEMT、BJT、HBT、JFET、HFET或者MOSFET。
6.构建具有上述任一射频电路结构的射频放大器件。
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