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微波功率晶体管对军事电子系统中固态发射机的功能、性能及应用范围起到了重要的推动和支撑作用。对L及其以下波段的固态发射机,Si BJT(双极晶体管)是首选器件,但是Si BJT的微波功率、增益及效率随工作频率的升高而急剧下降,使其频率应用范围受到限制。GaAs器件频率特性好,增益和效率高,在S波段以上被采用,然而它的功率密度较低,成本较高,限制了应用。SiGe HBT(异质结双极晶体管)功率特性与Si BJT相当,频率特性远优于SiBJT。不但可以在S及其以下波段替代Si BJT,而且可以其优良的功率增益和效率等特性替代GaAs HBT应用到Si BJT难以胜任的S以上波段。同时,SiGe HBT应用于固态发射机,还可以提高其性能,使雷达等系统的设计和应用更加灵活。S波段功率晶体管研制和生产的难度是国内外所公认的。目前,国外S波段100W级Si BJT已经商品化,SiGe HBT还处于探索阶段。国内S波段100W级Si BJT技术尚待成熟,SiGe HBT尚未涉足。本论文对S波段功率SiGe HBT理论和技术进行了开拓和探索性的研究工作,设计并研制出了S波段100W SiGe HBT。论文主要开展了以下研究工作：1) SiGe材料的物理参数模型基于SiGe HBT器件结构设计和电学特性研究,建立了表征SiGe HBT交、直流特性所需的SiGe材料物理参数模型,其中包括SiGe材料禁带宽度模型、有效态密度模型、本征载流子浓度模型、重掺杂禁带变窄模型、迁移率模型以及基区中Ge和杂质分布模型等。2)微波功率SiGe HBT直流参数模型基于Si/SiGe异质发射结,建立了发射结电流注入比模型。基于SiGe HBT结构及其物理参数,建立了影响电流增益的基区空穴反注入电流模型,中性基区复合电流模型,空间电荷区俄歇复合电流模型以及空间电荷区SRH(肖克莱-里德-霍尔)复合电流模型,在此基础上建立了电流增益模型。同时在建立了SiGe HBT集电极电流密度模型基础上,建立了基区扩展临界电流密度模型。对电流增益和基区空穴反注入电流、集电极电流及基区扩展临界电流密度等进行了模拟分析。3)微波功率SiGe HBT交流参数模型建立了SiGe HBT特征频率和功率增益模型。频率特性主要由发射极延迟时间、基区渡越时间、集电结耗尽层延迟时间和集电极延迟时间决定。为此,在研究分析可动电荷对势垒电容影响的基础上,建立了SiGe HBT发射结势垒电容和集电结势垒电容模型,并据此建立了包括基区扩展效应在内的发射极延迟时间模型。建立了SiGe HBT基区渡越时间模型,该模型考虑了电流密度及基区掺杂和Ge组分所引起的各种物理效应,适于基区掺杂和Ge组分为均匀和非均匀分布,以及器件在小电流到大电流密度下的应用。建立了适于Ge组分不同剖面分布的SiGe HBT基区渡越时间模型,通过模拟分析获得了最小基区渡越时间的Ge组分剖面分布函数。建立了不同集电极电流密度、包括基区扩展效应条件下的集电结耗尽层延迟时间模型。基于集电区有效宽度,建立了集电极延迟时间模型。并对以上模型进行了模拟分析。4)微波功率SiGe HBT等效电路模型SiGe HBT等效电路更能够体现器件微观结构对器件的电学特性的影响。基于SiGe HBT的器件物理,在分析研究SiGe HBT微观结构、工作机理和载流子分布及输运的基础上,建立了考虑SiGe HBT各种效应(包括厄利效应、速度饱和效应、基区扩展效应及自热效应等)的大信号等效电路模型以及相应的参数模型。该模型物理意义清晰,拓扑结构简单。通过PSpice软件器件方程开发包DEVEQ,将该模型嵌入PSpice软件中,实现对SiGe HBT器件的模拟分析。对器件的交直流分析结果与理论分析结果相一致,并且与文献报道的结果符合得较好。5)微波功率SiGe HBT结构优化根据S波段100W SiGe HBT电学参数设计要求,基于SiGe材料的物理参数、SiGe HBT异质结构以及器件的实现工艺,优化了器件发射区、基区和集电区的厚度、掺杂浓度、Ge组分及分布等纵向结构参数。优化了器件发射区的长度、宽度,基区与发射区的间距,发射极镇流电阻以及多层金属化电极的结构等横向结构参数。得到了优化的发射区和基区的面积比。6)微波功率SiGe HBT工艺设计与实现根据SiGe HBT频率和功率的设计要求,以及应变SiGe材料特殊的制备工艺,优化了制备SiGe HBT芯片的工艺流程。建立了离子注入工艺中目标浓度和深度的估算模型。基于器件的结构参数,优化并实现了浅结的离子注入和快速退火工艺。基于SiGe HBT大电流的工作条件,优化了器件的多层金属化结构(Pt/Ti-W/Pt/Au),实现了多层金属化结构的溅射、电镀及反溅等工艺。通过流片试验,制备出了功率SiGe HBT管芯,并进行了测试,测试结果如下：BVEBO=6.5V, BVCBO=75V, BVCEO=35V,β~25。7)微波功率SiGe HBT内匹配与功率合成建立了S波段功率SiGe HBT管芯输入输出阻抗模型,并对器件管芯的输入输出阻抗进行了估算。优化了S波段功率SiGe HBT的输入输出匹配网络,研究了匹配元件和匹配网络对器件性能的影响。建立了金属引线电感量模型及金属引线间的互感模型。研究了多胞芯片的功率合成技术及功率分配不均匀现象的成因,建立了功率偏差模型。在前述研究工作的基础上,在国内首次研制出了S波段100W SiGe HBT器件,经测试分析,器件达到设计要求,测试结果如下：工作电压30V；工作频率2.7GHz--3.1GHz；脉冲占空比1%--5%；输出功率>100W；功率增益=5dB。