CN105808855A - 基于二极管补偿的InP异质结双极晶体管电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二极管补偿的InP异质结双极晶体管电路。其包括功率单元模块(1)和电流补偿模块(2)。电流补偿模块连接在功率单元模块的输入端，用于控制功率单元模块的输入电流；功率单元模块由磷化铟第一异质结双极晶体管Q1组成，电流补偿模块由磷化铟第二异质结双极晶体管Q2和电阻R组成。Q2的集电极与基极短接在一起，作为二极管与Q1的基极相连接，电阻R作为控制开关，连接在Q2的发射极与地之间。本发明根据负反馈补偿原理，以牺牲很少的芯片面积为代价补偿了InP异质结双极晶体管的自热效应，稳定了直流工作点，改善了晶体管输出的线性度，可用于指导射频和微波电路的直流偏置设计。

Description

基于二极管补偿的InP异质结双极晶体管电路

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，特别涉及一种基于二极管补偿的InP异质结双极晶体管电路，可改善InP异质结双极晶体管的自热效应，用于指导射频和微波电路的直流偏置设计。

背景技术

磷化铟异质结双极晶体管InPHBT具有超高的频率特性，较大的功率密度和良好的线性度，被广泛应用在微波毫米波以及更高频率的电路中。但是，InPHBT的高功率密度容易导致器件及电路的工作温度不断升高。增加的器件结温会直接影响器件的电学性能，加重自热效应，导致器件失效，影响电路可靠性。因此，改善InPHBT的自热效应对于提高电路稳定性具有重要意义。

对于工作在正向放大区的InPHBT，自热效应以及它对器件电学特性的影响如下述表达式所示：

T_j＝T_A+R_thV_CEI_C

$I_C=I_S\exp \{\frac{q}{{\mathrm{\η\κT}}_A}\[V_{BE}+\mathrm{\φ}(T_j-T_A)\]\}$

$\mathrm{\φ}=-\frac{\∂V_{BE}}{\∂T}|I_C=const$

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\β}0}{1-\frac{V_{CE}}{V_A}}\exp \[\frac{\mathrm{\φ}(T_j-T_A)}{V_T}\]$

其中，T_j为器件结温，T_A为环境温度，R_th为晶体管热阻，V_CE为集电极电压，I_C为集电极电流，I_S为反向饱和电流，η为理想因子，κ为玻尔兹曼常数，V_BE为发射结电压，φ为热电反馈系数，β为器件电流增益，V_A为器件的厄利电压，V_T为热电压。

由上式可知，器件结温T_j随着V_CE增大而增大。对于基极偏置电流为I_B的InPHBT，当I_B较小时，I_C较小，T_j增加不明显，由T_j变化导致的I_C、V_BE变化很小，直流偏置点稳定，因此自热效应可以忽略。当I_B较大时，I_C较大，随着V_CE的增加，器件结温T_j显著增加，自热效应明显，集电极电流I_C及器件电流增益β随器件结温升高而减小，导致直流偏置点不稳定，造成晶体管输出的非线性。

在大信号电路的设计中，线性度和稳定性至关重要，尤其对于InPHBT，其在航空航天及军事领域的应用越来越多地关注电路的可靠性。因此，需要采用工艺手段或者通过电路结构的设计来达到抑制InPHBT的自热效应的目的，以提升器件及电路的可靠性。

目前，减轻自热效应的途径主要是从工艺角度对InPHBT进行优化设计。例如，通过使用离子注入的n+的InP亚集电极代替传统的InGaAs亚集电极，降低InPHBT的热阻；使用Ballasting电阻来减小器件热阻，通过负反馈的原理来控制集电极电流来减轻自热效应对器件的影响。但这些方法大多会增加HBT制备工艺的复杂度，大幅增加芯片面积或是适用范围具有局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于二极管补偿的InP异质结双极晶体管电路，旨在不增加HBT制备工艺的复杂度的条件下，从电路结构设计的角度去改善InPHBT的自热效应。

为实现上述目的，本发明包括功率单元模块，该功率单元模块采用第一InP异质结双极晶体管Q1组成，其特征在于，在功率单元模块的输入端连接有电流补偿模块，用于控制功率单元模块的输入电流大小；

所述电流补偿模块，其由第二InP异质结双极晶体管Q2和一个电阻R组成，Q2的集电极与基极短接在一起，作为二极管与Q1的基极相连接，电阻R作为控制开关，其一端连接Q2的发射极，另一端接地。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明由于在功率单元模块的输入端连接电流补偿模块，根据负反馈的原理，可将电流补偿模块等效为一个通过开关与功率单元模块相连的非线性电阻，开关的断开闭合由总基极输入电流I_B控制，非线性电阻的大小由InPHBT功率管Q1的C-E结电压V_CE所控制，因此该非线性电阻用于控制InPHBT功率管Q1基极输入电流I_B1的大小，通过控制I_B1来调节InPHBT功率管Q1的集电极电流I_C，保证了整体电流增益能在一定范围内保持稳定，从而实现对InPHBT自热效应的改善；

本发明提供的电路以牺牲较少的芯片面积和功率增益为代价补偿了InPHBT的自热效应，与传统技术相比，本发明未增加HBT制备工艺的复杂度，具有广泛的适用范围。

附图说明

图1是本发明的电路原理图；

图2是本发明的输出特性曲线图；

图3是现有InP异质结双极晶体管的输出特性曲线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式和效果做详细的说明。

参见图1，本发明包括：功率单元模块1和电流补偿模块2；电流补偿模块2连接在功率单元模块1的输入端，用于控制功率单元模块1的输入电流；其中，功率单元模块1由磷化铟第一异质结双极晶体管Q1组成；电流补偿模块2由磷化铟第二异质结双极晶体管Q2和电阻R组成。

所述磷化铟第一异质结双极晶体管Q1，其基极与输入端IN相连，其集电极连接输出端OUT，发射极接地；

所述磷化铟第二异质结双极晶体管Q2的集电极与基极短接在一起，作为二极管与Q1的基极相连，电阻R作为控制开关，其一端连接在Q2的发射极，另一端接地。

本发明的工作原理如下。

总基极输入电流I_B从输入端IN进入，流入功率单元模块1和电流补偿模块2两条支路。随着总基极输入电流I_B的变化，作为二极管的Q2通过控制电流补偿模块2的输入电阻，调节总基极输入电流I_B在两条支路之间的分配情况，对Q1的基极电流I_B1进行补偿。当总基极输入电流I_B较小时，电流补偿模块2不工作，磷化铟第一异质结双极晶体管Q1的基极电流I_B1较小且基本不变，随着Q1集射结电压V_CE的增加，Q1的集电极电流I_C维持不变，自热效应可以忽略，整体电流增益保持稳定；当总基极输入电流I_B较大时，随着V_CE的增加，Q1的集电极电流增益下降，电流补偿模块2工作，总基极输入电流I_B在Q1和Q2之间重新分配，Q1的基极电流I_B1增加。这样，虽然Q1的电流增益减小，但是由于Q1的基极电流I_B1增大，因此Q1的集电极电流I_C并没有减小太多，整体电流增益保持稳定，使得本发明电路可以工作在较大的工作电流下，达到改善InPHBT自热效应的目的。

本发明的效果可通过以下仿真特性曲线图进一步说明：

仿真1，对现有InP异质结双极晶体管进行输出特性仿真，结果如图3。

仿真2，对本发明电路进行输出特性仿真，结果如图2。

图3表明，当基极电流I_B较大时，现有InP异质结双极晶体管的集电极电流随着V_CE的增加显著下降，出现了较为严重的自热效应。

而从图2可以看到，总基极输入电流I_B较大时，Q1的集电极电流I_C随V_CE的增加基本保持不变，电路的工作点维持稳定，说明本发明增加了电流补偿模块后对InP异质结双极晶体管的自热效应有明显的抑制效果。

以上所述为本发明的优选实施方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于二极管补偿的InP异质结双极晶体管电路，包括功率单元模块(1)，该功率单元模块(1)采用第一InP异质结双极晶体管Q1组成，其特征在于，在功率单元模块(1)的输入端连接有电流补偿模块(2)，用于控制功率单元模块(1)的输入电流大小；

所述电流补偿模块(2)，其由第二InP异质结双极晶体管Q2和一个电阻R组成，Q2的集电极与基极短接在一起，作为二极管与Q1的基极相连接，电阻R作为控制开关，其一端连接Q2的发射极，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于第一InP异质结双极晶体管Q1，其基极连接输入偏置电流，集电极作为输出端，发射极接地。