微波BJT/FET器件噪声特性测量的研究

论文摘要

文章主要研究了BJT／FET器件的本征噪声特性参数，它是反映低噪声器件制造工艺的关键之一。为了准确测量这些特性参数，本文从测试的角度提出了器件片上探针测试的新的噪声参数提取算法，并依据该算尝试构建了一种高效的自动化测试系统。 论文基于微波二端口网络理论，阐述了有噪声和无噪声二端口网络之间的关系；噪声相关矩阵和网络系统矩阵的关系以及二端口器件噪声特性参数(即最小噪声系数NFmin、等效噪声电阻Rn和最佳源反射系数Γopt)和级联噪声相关矩阵的关系，而级联噪声相关矩阵是提取噪声特性参数的突破口。 分别对微波双极性三极管（BJT／HBT）和场效应管（FET／pHEMT）的噪声参数测量进行了研究。对于BJT／HBT器件，分别提出了高频段和低频段的参数提取算法。从测试效率上看，低频段不用噪声系数的测量，仅凭小信号等效电路和偏置条件，利用二端口的En—In模型即可提取出噪声参数；在高频段，在Fukui的本征噪声模型中加入修正因子，后对所测的匹配50Ω噪声系数NF50进行拟合，实现了对Fukui模型的修正。通过级联噪声相关矩阵的计算提取出全部噪声参数。对于FET／pHEMT器件，介绍了Pospieszalski提出的以门温度Tg和漏温度Td作为噪声温度参数的度量方法。基于二端口噪声网络理论，结合Garcia和Lazaro的测量方法，拟合50Ω噪声系数NF50，得到了关于Tg和Td的线性方程，通过多个频率点的测量解出Tg和Td。通过级联噪声相关矩阵的计算即可确定噪声参数NFmin、Rn和Γopt。该方法同时能提取全面的噪声参数和温度参数。 文中给出了两种器件（BJT／HBT和FET／pHEMT）用新方法和其它方法的实验测试结果，推出了误差计算模型。并通过研究比较，两种器件参数的新提取算法在测试效率上都有很大的改进，易于构成自动化测试系统。 本研究所涉及的领域较多，主要包括测试理论，半导体器件物理，微波器件及测量，控制理论及计算机软件等。实现的技术上主要包括片上探针测试技术，S参数的测量及夹具的校准技术，外部寄生元件的“剥离”和误差修正技术，小信号等效电路的提取技术，噪声参数的提取技术，仪器GPIB接口控制技术等。其中两种器件的噪声参数的提取技术是本研究的核心，也是论文的主要创新点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 BJT／FET器件噪声测量的发展现状及本论文的创新点
• 1.3 本论文的组织安排
• 第二章 二端口噪声网络理论及BJT／FET器件噪声测量方法简介
• 2.1 噪声理论基础
• 2.1.1 关于噪声的基本概念
• 2.1.2 噪声的数字模拟
• 2.2 二端口器件噪声系数
• 2.3 半导体器件内部噪声源
• 2.4 二端口器件的本征噪声特性的度量
• 2.5 二端口噪声网络理论
• 2.6 传统二端口网络噪声测量方法
• 2.7 微波BJT／FET器件噪声测量过程及测量配置的描述
• 本章小结
• 第三章 微波二端口器件S参数的测量
• 3.1 散射S参数的全面测量
• 3.2 测量夹具的校准
• 3.3 散射S参数的误差修正
• 本章小结
• 第四章 微波BJT三极管噪声测量
• 4.1 结构简述
• 4.2 微波BJT器件的噪声特性分析
• 4.3 微波BJT／HBT器件小信号等效电路的确定
• 4.3.1 外部元件的确定
• 4.3.2 本征元件的确定
• 4.4 BJT器件噪声参数的直接提取
• 4.5 BJT／HBT器件噪声参数的精确测量
• 50的校准'>4.6 噪声系数NF₅₀的校准
• 4.7 测量误差分析
• 4.8 测量试验及计算
• 本章小结
• 第五章 场效应晶体管（FET）器件噪声测量
• 5.1 FET器件结构特点与分类
• 5.2 FET／HEMT器件的噪声模型
• 5.3 FET／HEMT器件的小信号等效电路的确定
• 5.3.1 三个欧姆电阻的确定
• 5.3.2 寄生电容和电感的确定
• 5.3.3 寄生元件的剔除和本征元件的确定
• 5.4 FET／pHEMT器件噪声温度参数的测量
• 5.4.1 单参数噪声温度的测量
• 5.4.2 两参数噪声温度的测量
• 5.5 用相关矩阵法进行噪声参数的全面测量
• 5.6 温度——相关矩阵法测量噪声参数
• 5.7 测量误差分析
• 5.8 关于温度——相关矩阵法的几点讨论
• 5.9 FET／pHEMT器件噪声参数的测量实验与计算结果
• 本章小结
• 第六章 总结及结论
• 附录（实验测试记录）
• 参考文献
• 致谢
• 本文作者在攻读博士学位期间科研及发表论文情况