以半导体物理与器件基础知识为版友提供对雷达性能的认识 ...

版上时不时冒出一些帖子，说某某国家的某某雷达使用某某材料、工艺，故谁谁谁厉害谁谁谁不行。由于涉及到本科高年级的专业知识，很多网友在看到此类名词时可能犯迷糊，虽觉得某些 ID 在生编硬造，但无奈专业性太强无从反驳，闹得时不时出现一些不文明用语被扣分，还搅浑了论坛风气。

故在此立帖，简单叙述一下一些基本的半导体物理、器件知识，当再有人拿出那些唬人的名词来兜售其观点抑或影响到一些风气时，有心的网友大可从科学上拆穿其荒谬之处。

本帖不涉及具体装备，若有网友发现仍有不妥之处请指出。

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半导体功率放大器的分类：

有少数几个 ID 使用了几个名词，比如 双极管、场效应管、硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅， 并将之安到某些装备头上，再笼统地说谁谁谁与谁谁谁（装备）的优劣。其实，那几个 ID 根本就搞错了他们使用过的名词的含义，现简述如下：

半导体物理与器件中首先要说 半导体材料。现在这个世界使用得最多的半导体材料当然是硅（Silicon, 缩写Si）了，从数字电路到功率放大器无不如此。硅作为一种 间接带隙 半导体材料，其在光学上本来是不大实用的，但由于工艺最为成熟，使得如 数码相机感光元件（Coupled Charge Device,就是CCD，现在一般使用互补型金属氧化物<CMOS>结构工艺）、太阳能光电光热转换器上都有了大量应用；而在电学的应用上，不管是数字芯片、功放，都没有任何一种材料能够取代硅在微电子领域的位置。由于硅本身的特性，在应用的频段上不能太高，故在频率较高的雷达功率放大器上逐渐出现了频率特性往高频延伸的砷化镓（gallium arsenide，GaAs）、氮化镓（gallium nitride，GaN），后两者在频率升高后的频率响应特性下降不如硅明显，故在如X波段的应用上有先天优势。而碳化硅（SiC）据我所知是用于氮化镓外延生长用的衬底，故不在我们要说的材料列。

说过了材料就要说器件结构。最早发现的半导体功率放大器结构就是双极型晶体管（Bi-Junction Transistor，BJT），用不大严谨的话来说也就是我们通常所说的三极管。然后又出现了场效应管（Field Effect Transistor）。晶体管 transistor 这个名词来源于 Transfor Resistor，即转移电阻，大概的意思就是依靠信号本身极小的变化来改变器件的电阻，获得输出电路里较大的功率变化，说到底就是一个电阻值可变的电阻，用晶体制作的（都用的半导体晶体）；“管”这个词我倒不知道汉语为什么喜欢用，管子管子的。这里，用一个较小的输入信号，比如一个亚毫瓦级的500MHz射频信号，施加到管子的信号极上，这个小的信号是足以在管子里引起管子电阻巨大的变化的，而管子又是接在一个外电路里的（外电路与信号输入电路是独立的，或者说是只共用一个地极），外电路提供了一个相对比较大的直流偏压，这个直流偏压在管子电阻巨大的变化中就会提供一个变化的功率输出，从而将小的信号放大成一个大的变化输出；通过一级或者几级放大，小信号的毫瓦级可以被抬升到瓦级或更高的输出。由于电路可以进行串联、并联设计，很小的信号可以得到理论上不受限的放大。（这里属于模拟放大，并不涉及数字开关电路如CPU等）

所以：
硅、砷化镓、氮化镓属于材料的范畴，BJT、FET属于器件结构、工艺的范畴，二者可以任意组合。

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这里就要继续深入不同场合下使用的组合类型了：

在射频功放上，有一个很重的问题就是频率响应特性。静态/稳态响应没什么好说的，而一旦输入信号是交变的，电路里面必然涉及到频率问题，在半导体器件中这主要由器件等效电容、电子移动速度决定。从电容效应来说，可以简单地认为交变电路中电容越小则高频响应就越好（相应地低频响应就不好），所以频率升高后器件就越做越小（半导体器件中电容主要由 P-N 结的厚度决定）。而电子在器件中移动是需要花时间的，当电子在交变周期内达到自己该流经的电极才算完成了放大，故在频率升高后需要电子等效地跑快一点，这主要由材料内电子（半导体里面有电子和空穴两个电荷的承载体，其实都是电子的移动）的迁移率决定，常见条件下GaAs、GaN在理论上比硅里面的迁移率高很多，所以高频应用上具有先天优势，器件设计上也可以减小器件结构尺寸来进行频率提升。

影响频率响应的还有温度稳定性。温度升高后，半导体器件的性能都会下降，只不过GaN理论上在很大的一个温度区间内都有稳定的电学性能，故大功率应用上具有先天优势，即散热多就多呗，大不了温度高一点。

综上所述，频率升高时，可以通过减小器件尺寸、使用不同类型的材料来提升性能。

补充说明一下硅在 P、L、S、C、X波段的性能。硅在频率比较低的情况下是优选项，因为加工工艺非常成熟，性能可控、成本低、输出功率极为庞大，且此时功率转化效率高，对散热要求也就不高了。频率提升后，由于迁移率有限，功率转化效率开始出现降低，发热增大，当输出功率/发热的比例将到一定程度后就认为不合适了。由于硅具有良好的加工能力，可用功率非常大，所以在 P、L、S甚至C都可以用，只不过往S、C波段走之后效率降低，对散热技术是个考验。相对来说现有工艺做出的GaAs、GaN管子能承受的功率都很小，所以在满足散热条件的情况下用硅是个很不错的选择，对功率要求不高的情况下可以用 GaAs、GaN降低散热技术难度。只不过到了 X波段及以上，硅的转换效率确实很低了，折中看来不划算。

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对某些 ID 的针对性叙述：

BJT与FET孰优孰劣？
我对器件、工艺其实不熟，主要是搞材料、理论的，所以不能说得很深入。但要做频率、功率的结合的话，BJT与FET也是需要结合的，叫做 BiCMOSFET （这段可能理解有误）。

多级级联
废话，一个小小的管子能承受的功率是很小的，要靠多级串、并联才能达到需求的功率。

信噪比
这个名词在汉语里具有专用性，信号(signal)噪声(noise)比(ratio)，S/N ratio，最多被称为信杂比，在教科书中从未见过其它说法、名称。如果有人用其它名称，网友可自行鉴别其在哪里接受的教育。从功放来说，在其许可使用的频率响应区间内都是良好的，与串、并联关系不大。

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再补充说明一下 发射/接收组件 到底是个什么东西。网友一般关心到底某某东西辐射出去多少能量，而这是通过单个通道的功率乘以通道个数得来的。组件个数与通道个数没有必然关系，移相器数与组件数也没有必然关系，子阵级这个概念——还是让胆子大的来说这个问题吧。版上时不时冒出一些帖子，说某某国家的某某雷达使用某某材料、工艺，故谁谁谁厉害谁谁谁不行。由于涉及到本科高年级的专业知识，很多网友在看到此类名词时可能犯迷糊，虽觉得某些 ID 在生编硬造，但无奈专业性太强无从反驳，闹得时不时出现一些不文明用语被扣分，还搅浑了论坛风气。

故在此立帖，简单叙述一下一些基本的半导体物理、器件知识，当再有人拿出那些唬人的名词来兜售其观点抑或影响到一些风气时，有心的网友大可从科学上拆穿其荒谬之处。

本帖不涉及具体装备，若有网友发现仍有不妥之处请指出。

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半导体功率放大器的分类：

有少数几个 ID 使用了几个名词，比如 双极管、场效应管、硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅， 并将之安到某些装备头上，再笼统地说谁谁谁与谁谁谁（装备）的优劣。其实，那几个 ID 根本就搞错了他们使用过的名词的含义，现简述如下：

半导体物理与器件中首先要说 半导体材料。现在这个世界使用得最多的半导体材料当然是硅（Silicon, 缩写Si）了，从数字电路到功率放大器无不如此。硅作为一种 间接带隙 半导体材料，其在光学上本来是不大实用的，但由于工艺最为成熟，使得如 数码相机感光元件（Coupled Charge Device,就是CCD，现在一般使用互补型金属氧化物<CMOS>结构工艺）、太阳能光电光热转换器上都有了大量应用；而在电学的应用上，不管是数字芯片、功放，都没有任何一种材料能够取代硅在微电子领域的位置。由于硅本身的特性，在应用的频段上不能太高，故在频率较高的雷达功率放大器上逐渐出现了频率特性往高频延伸的砷化镓（gallium arsenide，GaAs）、氮化镓（gallium nitride，GaN），后两者在频率升高后的频率响应特性下降不如硅明显，故在如X波段的应用上有先天优势。而碳化硅（SiC）据我所知是用于氮化镓外延生长用的衬底，故不在我们要说的材料列。

说过了材料就要说器件结构。最早发现的半导体功率放大器结构就是双极型晶体管（Bi-Junction Transistor，BJT），用不大严谨的话来说也就是我们通常所说的三极管。然后又出现了场效应管（Field Effect Transistor）。晶体管 transistor 这个名词来源于 Transfor Resistor，即转移电阻，大概的意思就是依靠信号本身极小的变化来改变器件的电阻，获得输出电路里较大的功率变化，说到底就是一个电阻值可变的电阻，用晶体制作的（都用的半导体晶体）；“管”这个词我倒不知道汉语为什么喜欢用，管子管子的。这里，用一个较小的输入信号，比如一个亚毫瓦级的500MHz射频信号，施加到管子的信号极上，这个小的信号是足以在管子里引起管子电阻巨大的变化的，而管子又是接在一个外电路里的（外电路与信号输入电路是独立的，或者说是只共用一个地极），外电路提供了一个相对比较大的直流偏压，这个直流偏压在管子电阻巨大的变化中就会提供一个变化的功率输出，从而将小的信号放大成一个大的变化输出；通过一级或者几级放大，小信号的毫瓦级可以被抬升到瓦级或更高的输出。由于电路可以进行串联、并联设计，很小的信号可以得到理论上不受限的放大。（这里属于模拟放大，并不涉及数字开关电路如CPU等）

所以：
硅、砷化镓、氮化镓属于材料的范畴，BJT、FET属于器件结构、工艺的范畴，二者可以任意组合。

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这里就要继续深入不同场合下使用的组合类型了：

在射频功放上，有一个很重的问题就是频率响应特性。静态/稳态响应没什么好说的，而一旦输入信号是交变的，电路里面必然涉及到频率问题，在半导体器件中这主要由器件等效电容、电子移动速度决定。从电容效应来说，可以简单地认为交变电路中电容越小则高频响应就越好（相应地低频响应就不好），所以频率升高后器件就越做越小（半导体器件中电容主要由 P-N 结的厚度决定）。而电子在器件中移动是需要花时间的，当电子在交变周期内达到自己该流经的电极才算完成了放大，故在频率升高后需要电子等效地跑快一点，这主要由材料内电子（半导体里面有电子和空穴两个电荷的承载体，其实都是电子的移动）的迁移率决定，常见条件下GaAs、GaN在理论上比硅里面的迁移率高很多，所以高频应用上具有先天优势，器件设计上也可以减小器件结构尺寸来进行频率提升。

影响频率响应的还有温度稳定性。温度升高后，半导体器件的性能都会下降，只不过GaN理论上在很大的一个温度区间内都有稳定的电学性能，故大功率应用上具有先天优势，即散热多就多呗，大不了温度高一点。

综上所述，频率升高时，可以通过减小器件尺寸、使用不同类型的材料来提升性能。

补充说明一下硅在 P、L、S、C、X波段的性能。硅在频率比较低的情况下是优选项，因为加工工艺非常成熟，性能可控、成本低、输出功率极为庞大，且此时功率转化效率高，对散热要求也就不高了。频率提升后，由于迁移率有限，功率转化效率开始出现降低，发热增大，当输出功率/发热的比例将到一定程度后就认为不合适了。由于硅具有良好的加工能力，可用功率非常大，所以在 P、L、S甚至C都可以用，只不过往S、C波段走之后效率降低，对散热技术是个考验。相对来说现有工艺做出的GaAs、GaN管子能承受的功率都很小，所以在满足散热条件的情况下用硅是个很不错的选择，对功率要求不高的情况下可以用 GaAs、GaN降低散热技术难度。只不过到了 X波段及以上，硅的转换效率确实很低了，折中看来不划算。

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对某些 ID 的针对性叙述：

BJT与FET孰优孰劣？
我对器件、工艺其实不熟，主要是搞材料、理论的，所以不能说得很深入。但要做频率、功率的结合的话，BJT与FET也是需要结合的，叫做 BiCMOSFET （这段可能理解有误）。

多级级联
废话，一个小小的管子能承受的功率是很小的，要靠多级串、并联才能达到需求的功率。

信噪比
这个名词在汉语里具有专用性，信号(signal)噪声(noise)比(ratio)，S/N ratio，最多被称为信杂比，在教科书中从未见过其它说法、名称。如果有人用其它名称，网友可自行鉴别其在哪里接受的教育。从功放来说，在其许可使用的频率响应区间内都是良好的，与串、并联关系不大。

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再补充说明一下 发射/接收组件 到底是个什么东西。网友一般关心到底某某东西辐射出去多少能量，而这是通过单个通道的功率乘以通道个数得来的。组件个数与通道个数没有必然关系，移相器数与组件数也没有必然关系，子阵级这个概念——还是让胆子大的来说这个问题吧。