1.2　硅基微波射频半导体器件

微波和毫米波具有波长短、波束窄、频带宽和穿透能力强等特点，使得相应的器件和电路处在当今微电子技术的发展前沿。随着卫星有效载荷小型化技术、相控阵雷达和电子对抗等技术的发展，微波/毫米波器件和集成电路的地位日益提高，不仅在军事应用领域占有极其重要的地位，而且在民用方面（如汽车防撞雷达、无线局域网、遥测成像等领域）也有相当大的潜在市场。理论上各种半导体均可以作为衬底来制作集成电路，但是由于硅元素在自然界中很容易提纯，制作成本低，性质稳定，无毒无害，因此目前民用的半导体集成电路主要是在硅基CMOS工艺下完成电路设计的。

硅基半导体器件又可以分为双极性晶体管（BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。MOSFET可以被看作一个单极性器件，只有电子参与载流子运动。栅电压通过控制沟道宽度来调制漏电流，跨导用以表征栅电压控制漏电流的放大能力。由于衬底的电位会影响器件的性能，因此MOSFET是一个四端子器件：栅极、漏极、源极和衬底。双极性晶体管之所以被称为“双极”，是因为器件电流由空穴和电子同时参与形成，而不像场效应晶体管那样电流仅由电子参与形成，集电极电流由从基极注入的电流所控制，其电流放大能力由电流放大系数β来表征。与同样在硅基上制作的MOSFET相比，BJT具有如下特点。

1）由于是垂直结构，在工艺上很容易通过外延、扩散和注入等过程控制各层的厚度到亚微米量级，使得电流在垂直方向流动延时缩短。

2）由于整个发射区域和电流直接接触，导致单位芯片面积具有较高的电流驱动能力。

3）输出电流与输入电压之间呈指数关系，使得器件具有较高的跨导。

4）由于容易制作一个大厚度的集电极区域，导致器件具有较高的击穿电压。

5）由基极-发射极PN结内建电势控制的输出电流的开态阈值电压很容易控制。

6）具有较小的低频噪声拐角频率。

双极性晶体管包括NPN和PNP两大类，每一个字母代表一个扩散区，三个字母代表三个不同掺杂的扩散区：发射极、基极和集电极。上述三个扩散区构成两个背靠背的PN结二极管：基极-发射极结和基极-集电极结，或者称之为B-C结和B-E结。值得注意的是，双极性晶体管不是对称的，虽然从NPN和PNP名字结构上来看发射极和集电极是对称的，但是实际上无论是从几何结构上还是掺杂浓度上，它们都有很大的不同。

表1.1给出了MOSFET器件和BJT特性比较。首先器件特征物理尺寸的限制决定了器件的速度特性，MOSFET器件的栅长决定了载流子的渡越时间，而减小基极和集电极厚度同样可以达到缩短载流子渡越时间的目的。双极性器件的开态特性主要由基极-发射极电压决定，而MOSFET的阈值电压则由源沟道层掺杂和厚度决定。MOSFET的阈值在工艺上较难控制，而双极性晶体管的阈值均匀性很好，非常适合在差分电路中应用。场效应晶体管的噪声源主要是热噪声和1/f噪声，其中1/f噪声的拐角频率可以高达500MHz。与此相对应，双极性器件的噪声源主要是散弹噪声和1/f噪声，其中1/f噪声的拐角频率大大低于MOSFET。从工艺复杂性来说，MOSFET显然比BJT简单，一般3～4层版图就可以了，而双极性器件相对比较复杂，需要多次使用腐蚀和金属沉淀工艺。图1.3给出了典型器件的横截面示意图。

表1.1　MOSFET器件和BJT特性比较

图1.3　典型器件的横截面示意图

2000年以后，由于工艺的技术突破，MOSFET的栅长越来越短，逐渐由数字电路应用进入微波射频电路应用，同时也取代了BJT成为硅基集成电路的主流工艺器件。图1.4给出了典型的MOSFET器件漏极电压和特征频率随器件栅长变化曲线，从图中可以看出，器件漏极可以承受的电压和器件栅长成正比，0.5μm栅长的器件可以承受5V左右的电压，而0.1μm栅长的器件则可以承受1V左右的电压。由于载流子渡越时间和沟道长度成反比，所以随着器件栅长的缩短，器件的特征频率越来越高［7，8］。

图1.4　典型的MOSFET器件漏极电压和特征频率随器件栅长变化曲线

图1.4　典型的MOSFET器件漏极电压和特征频率随器件栅长变化曲线（续）

图1.5给出了器件特性变化曲线，显然随着时间的推移，器件栅长越来越短，特征频率和最大振荡频率快速上升，器件已经进入太赫兹工作频段。

图1.5　器件特性变化曲线