HBT设计中存在问题

Posted 2022-12-04 硬件老钢丝

参考论文:2013 GaAs_HBT-MMIC功率放大器的设计_杨务诚

引言

  我们在设计 GaAs HBT 功率放大器的时候会遇到一些类似增益突然下降或者坍塌，电路不稳定等现象，本文下面将详细分析这些现象发生的原因以及提出解决的措施。

一、HBT 增益下降的原因

  HBT 的直流电流增益 β 并不是恒定的，随着集电极电流的变化而产生变化。当集电极电流从 0 开始增大时，β 也随之增大，直到上升至一定的峰值。当集电极电流达到一个很大的值时，增益不再随着集电极电流的增大而增大，反而会减小。这就是电流增益下降（current gain fall-off），如图 1

图1 HBT 增益下降现象

  HBT 增益下降主要是由发射极电流集聚效应、Kirk 效应和自热效应这三个因素引起的

1、发射极电流集聚效应

图2 GaAs HBT 器件结构示意图

  虽然 HBT 是一种垂直结构的器件，但是其基极电流却是从基极金属横向流动到发射区的，如上图 2所示。基区电阻的存在会形成电势差，从发射极边缘到基区中央 VBE递减，绝大部分发射极电流从发射极的边缘注入，称之为发射极电流集聚效应。发射结面不能充分被利用导致了发射极注射效率的降低.

2、 Kirk 效应

  HBT 在大信号工作状态时，晶体管的有效基区会随着注入电流的增加而扩展，这种现象即称为 Kirk 效应。电流增益 β 的下降将会使工作电流受到限制，并影响器件的频率特性。

3、自热效应

  自热效应指的是因为自身发热且散热条件不能满足，导致器件温度升高、性能恶化的现象。Si、GaAs 的热导率如下表所示：

  从上表不难发现，GaAs 的热导率远远低于 Si 的热导率，而且严重的是会随着温度的升高而降低。 对于 HBT，器件温度的升高，导致基区空穴的动能增加，反向注入电流也迅速加大，从而降低发射结注入效率和 HBT 的电流增益；在较高温度条件下，载流子的迁移率会下降，使得寄生阻抗增加，电流增益下降；高温容易让器件老化并降低热稳定性。

二、增益塌陷

  电流增益坍塌是指晶体管在大功率工作下电流增益瞬间下降。
  分析它的原理我们知道了，随着偏压 Vce的升高，结温随之升高，这样发射极注入效率、电流增益随之下降。当 Vce较大的时候，电流突然下降，从而出现了电流增益突然下降的现象，如图 3所示。

图3 增益塌陷

  GaAs HBT 的集电极电流 IC和发射结电压 Vbe及温度之间的关系可表示为:

  其中 IC集电极电流；IS为集电极反向饱和电流；Ta为环境温度；Ф 为热电反馈系数。由晶体管工作原理可知，当温度升高时，发射结的开启电压就会降低。 对单指小面积 HBT 而言，由于共射电流是随着温度的增加而下降的，降低了热电反馈和热不稳定性，同时因为小尺寸器件上电流分布均匀，不容易产生发射极电流集聚效应，因而热量分布也很均匀。在工作偏置电压条件下，单指小发射极面积 HBT 一般不太出现热不稳定性。
  但是对于单指大发射极面积的 HBT 来说，散热条件差，芯片上的热源又高度的集中，器件结温升高后，局部温度升高又使得基区的禁带宽度变窄，变窄之后进一步使得局部电流加大，从而使热电反馈产生了更大的热能量，发生恶性循环。另外，大发射极尺寸容易产生发射极电流的集聚效应导致局部过热现象，反向注入电流逐渐增大，最终出现电流增益崩塌。

图4 多指器件热分布

  由于大面积 HBT 的电流坍塌问题很难解决，所以在电路设计中，为获得较大的输出功率，通常采用多个小发射极面积并联的方式。并联时，电流很小的时候集电极电流均匀分布在各指上，利于散热。由于器件之间存在热耦合，各管温度不同，中间指温度略高于周围其他指温度，其 BE 结开启电压略微下降，如图 4所示。
  中心器件电流增大，从而产生更高的热量使得温度进一步升高，温度的进一步升高又导致中心器件电流的进一步加大。当电流加大到一定值时，集电极电流瞬间变成只流过一个指，温度急剧升高，反向注入电流急速增大，电流增益发生坍塌。
  虽然表面上多个小面积器件并联和大面积器件都反生了电流坍塌的现象，但是我们通过详细分析不难发现各自产生的原因是不同的。对大面积的 HBT 器件来说，电流坍塌现象是因为自热效应而产生的，但对于多个小面积 HBT 并联而言，电流坍塌现象的出现则是自热效应和热耦合共同作用的结果。热耦合会随着并联单管的数目增加而逐渐增强，因此，并联数目越多，越容易发生电流增益坍塌。 但是对于 HBT 来说，增益坍塌并不立刻导致失效。当器件回复室温时，HBT器件还可以恢复正常工作，并且之后还有可能继续发生这种情况，所以 HBT 的增益坍塌是可逆转的。
  常用的解决增益坍塌的方法：
（1） 改善散热条件；
（2） 减少热耦合，主要是调节发射极间距，以及调节中间和边缘指长比例；
（3） 添加镇流电阻。加入镇流电阻后，电流越大的单管在镇流电阻上产生的压降越大，发射结上的分压减小，电流随之减小，结温降低，起到了负反馈的作用，最终维持各个单管的开启电压和电流相等，温度基本相等，抑制电流增益崩塌的发生。
  在采用多管并联技术之后，加入发射极镇流电阻，电流较大的单管在电阻上产生的压降也就越大，发射结电压降低，电流相应减小，从而结温降低，形成负反馈。最终驱使各个单管的开启电压和结温一致，热稳定得到改善，避免电流增益的坍塌。由于发射极镇流电阻会带来额外的功率耗损，造成输出功率减小，效率降低，因此发射极镇流电阻的阻值不能太大。
  基极镇流电阻也和发射极镇流电阻一样能够形成负反馈。因为基极镇流电阻不在集电极电流通路上，经过镇流电阻的电流小，只有发射极电流的 Ic/β，直流功耗很小，兼顾了绝对热稳定和良好的大信号性能。
  由于基极电流远小于集电极电流，基极镇流电阻可以选择较大的阻值而不带来明显的功耗。但是大的阻值必然使得器件的高频性能恶化，所以，通常让基极镇流电阻并联一个旁路电容，形成射频通路，改善高频性能，避免 DC-RF 干扰，从而获得高稳定性。

三、稳定性

  在设计功率放大器电路必须要考虑的问题就稳定性问题。功率放大器的不稳定问题可分为两类：一类是由于偏置电路、解耦大电容等引起的低频振荡，这类不稳定与匹配电路没有关系；另一类不稳定发生在工作频带周围，与功率放大器的匹配电路有关，消除这类不稳定常常需要修改匹配电路的结构或者元件值。电路的不稳定可能会导致晶体管进入大信号状态，性能参数发生变化，噪声增大，振荡信号与输入信号混频产生杂波信号输出，甚至损坏器件。稳定必须首先满足在工作频带内的稳定，其次在工作频带外一定频率范围内。也要保持稳定。对于一个微波晶体管来说，稳定性意味着晶体管的输入和输出端口的各种反射系数的幅度都要求小于 1。否则反射波的幅度大于入射波，晶体管网络或匹配网络本身在提供能量，即发生了振荡。

  振荡的形式一般有低频振荡、高频振荡等。 低频振荡的产生主要是如下原因：电源去耦不良；电源纹波过大；晶体管Cbc电容的内反馈；扼流圈与旁路电容等构成谐振网络产生自激。为了消除低频振荡，一般要降低射频扼流圈的 Q 值。另外，减少射频扼流圈的电感量，使低频增益降低，能提高稳定性。最后，偏置电源去耦，可以通过在直流供电输入处加装大电容和小电容并联组合，不仅对工作频率进行有效的旁路，而且对低频也有有效旁路。
  如果功率晶体管进入非稳定状态，可以在晶体管的输入端或者输出端添加一个合适的稳定网络使晶体管进入稳定状态。若添加的是无耗器件，放大器的稳定性系数不变；若添加的是有耗器件，放大器的稳定性系数增加。放大器的振荡可以理解成负阻，因此可以在晶体管的输入或者输出端连接一个合适阻值的电阻，使得输入和输出阻抗的实部为正，即稳定性得到提高，如图所示

  稳定电阻晶体管连接有耗电阻会降低高频增益，若连接在输入端时，会增加噪声系数，因此不宜用于低噪放等低噪声电路；连接在输出端时，会降低输出功率和效率，因此不适宜大功率应用。