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 当功率放大器遇到类似的增长突然下降或坍塌、电路不稳定等现象时，本文将详细分析这些现象的原因，并提出解决方案。

一、HBT 增长下降的原因

??HBT 直流电流增益 β 随着集电极电流的变化，它不是恒定的。当集电极电流从 0 开始增加时，β 在上升到一定峰值之前，它也会增加。当集电极电流达到较大值时，增益不会随着集电极电流的增加而增加，而是会减少。这就是电流增长的下降（current gain fall-off），如图 1

图1 HBT 增长下降现象

??HBT 增益下降主要是由于发射极电流的集聚效应，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 设备结构示意图

??虽然 HBT 它是一种垂直结构设备，但其基极电流从基极金属水平流向发射区，如上图所示 2.基区电阻的存在会形成从发射极边缘到基区中心的电势差 VBE递减，绝大多数发射极电流从发射极的边缘注入，称为发射极电流集聚效应。发射极注射效率降低.

2、 Kirk 效应

??HBT 在大信号工作状态下，随着注入电流的增加，晶体管的有效基区会扩大，称为 Kirk 效应。电流增益 β 工作电流的下降电流，影响设备的频率特性。

3、自热效应

??自热效应是指由于自身发热和散热条件不能满足，导致设备温度升高，性能恶化。Si、GaAs 如下表所示：

??从上表不难发现，GaAs 热导率远低于 Si 随着温度的升高，热导率会降低。 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 电流增长；在高温条件下，载流子的迁移率降低，增加寄生阻抗和电流增长；高温容易老化设备，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。
??我们知道分析它的原理，偏压 Vce结温升高，发射极注入效率和电流增益降低。 Vce当电流突然下降时，电流增益突然下降，如图所示 3所示。

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

??其中 IC集电极电流；IS集电极反向饱和电流；Ta环境温度；Ф 热电反馈系数。根据晶体管的工作原理，当温度升高时，发射结的开启电压会降低。 对单指小面积 HBT 就共射电流而言，随着温度的升高，热电反馈和热不稳定性降低。同时，由于小型设备电流分布均匀，不易产生发射极电流聚集效应，热分布也非常均匀。在工作偏置电压条件下，单指小发射极面积 HBT 一般不会出现热不稳定。
??但对于单指大发射极面积 HBT 就散热条件而言，芯片上的热源高度集中。设备温度升高后，局部温度升高，缩小禁带宽度变窄，局部电流进一步增加，导致热电反馈产生更大的热能和恶性循环。此外，大发射极大小容易产生发射极电流的集聚效应，导致局部过热，反向注入电流逐渐增加，最终导致电流增益崩溃。

??由于大面积 HBT 电流坍塌问题难以解决，因此在电路设计中，为了获得更大的输出功率，通常采用多个小发射极面积并联的方法。并联时，当电流很小时，电极电流均匀分布在各个手指上，有利于散热。由于设备之间的热耦合，管道温度不同，中间指的温度略高于周围其他指的温度 BE 开启电压略有下降，如图所示 4所示。
??中央设备电流增加，产生更高的热量，进一步提高温度，进一步提高温度，导致中央设备电流进一步增加。当电流增加到一定值时，集电极电流立即变成只流过一个手指，温度急剧上升，反向注入电流迅速增加，电流增益坍塌。
??虽然表面上的许多小面积设备并联，大面积设备转电流坍塌，但通过详细分析不难发现原因不同。对大面积的 HBT 对于设备，电流坍塌是由自热效应引起的，但对于多个小面积 HBT 并联而言，电流坍塌是自热效应和热耦合的结果。随着并联单管数量的增加，热耦合会逐渐增加。因此，并联数量越多，电流增益就越容易崩溃。 但是对于 HBT 增益崩溃不会立即导致失败。当设备回复室温时，HBT设备也可以恢复正常工作，这种情况以后可能会继续发生，所以 HBT 增益崩溃是可逆的。
??解决增益崩溃的常用方法：
（1） 改善散热条件；
（2） 主要是调节发射极间距，调节中间和边缘指长比；
（3） 增加镇流电阻。增加镇流电阻后，单管在镇流电阻上产生的压降越大，发射结上的分压降低，电流降低，结温降低，起到负反馈作用。最后，每个单管的开启电压和电流保持相等，温度基本相等，抑制了电流增益的崩溃。
??采用多管并联技术后，增加发射极镇流电阻，电流较大的单管在电阻上产生的压降越大，发射结电压降低，电流相应降低，从而降低结温，形成负反馈。最终驱动各单管的开启电压与结温一致，提高热稳定性，避免电流增益坍塌。由于发射极镇流电阻会造成额外的功耗，导致输出功率降低，效率降低，因此发射极镇流电阻的电阻值不能太大。
??基极镇流电阻也可以像发射极镇流电阻一样形成负反馈。由于基极镇流电阻不在集电极电流通路上，只发射极电流 Ic/β，考虑到绝对热稳定性和良好的大信号性能，直流功耗很小。
??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电阻值而不带来明显的功耗。然而，大电阻必然会恶化设备的高频性能。因此，基极镇流电阻通常与旁路电容器并联，形成射频通路，提高高频性能，避免 DC-RF 干扰，从而获得高稳定性。

三、稳定性

??稳定性是设计功率放大器电路必须考虑的问题。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。电路不稳定可能导致晶体管进入大信号状态，性能参数变化，噪声增加，振荡信号和输入信号混合频率产生杂波信号输出，甚至损坏设备。稳定性必须先满足工作频带内的稳定性，然后在工作频带外的一定频率范围内。也要保持稳定。对于微波晶体管，稳定性意味着晶体管输入输出端口的各种反射系数的范围小于 1。否则，反射波的范围大于入射波，晶体管网或匹配网本身提供能量，即振荡。

??低频振荡、高频振荡等。 低频振荡的主要原因如下：电源去耦不良；电源纹波过大；晶体管Cbc内部反馈；扼流圈和旁路电容等构成谐振网络产生自激。为了消除低频振荡，通常需要减少射频扼流圈 Q 值。此外，降低射频扼流圈的电感，降低低频增益，提高稳定性。最后，通过在直流供电输入处安装大电容器和小电容器并联去耦偏置电源，不仅可以有效旁路工作频率，还可以有效旁路低频。
??如果功率晶体管进入不稳定状态，可以在晶体管的输入端或输出端添加适当的稳定网络，使晶体管进入稳定状态。若添加无耗装置，放大器的稳定性系数不变；若添加有耗装置，放大器的稳定性系数增加。放大器的振荡可以理解为负阻，因此可以在晶体管的输入或输出端连接适当的电阻，使输入和输出阻抗的实际部分为正，即提高稳定性，如图所示

??稳定电阻晶体管连接的消耗电阻会降低高频增益。如果连接到输入端，噪声系数会增加，因此不适合低噪声放电等低噪声电路；当连接到输出端时，输出功率和效率会降低，因此不适合大功率应用。