2009年，意大利的科研人員成功地用石墨烯制造了首枚包含兩個(gè)晶體管的集成電路，它擁有簡單的計(jì)算能力，標(biāo)制著碳基電子學(xué)時(shí)代的到來。這枚只有兩個(gè)晶體管的集成電路雖然很小，卻是向制造碳基高性能電子器件邁出的重要一步。

在2010年2月出版的《Science》雜志上，IBM的研究人員展示了一種由SiC單晶襯底上生長石墨烯材料制作而成的場效應(yīng)晶體管（FET），其截止頻率可達(dá)100 GHz，這是運(yùn)行速度最快的射頻石墨烯晶體管。這一成就是美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)“碳電子射頻應(yīng)用項(xiàng)目” (CERA)取得的重大進(jìn)展，為研發(fā)下一代通信設(shè)備鋪平了道路。研究人員通過使用與現(xiàn)行的先進(jìn)硅器件制造技術(shù)相兼容的加工技術(shù)制成了晶圓規(guī)模、外延生長的石墨烯，從而達(dá)成了此高頻記錄。

2010年6月，石墨烯FET突破上次記錄。來自IBM公司的Ph.Avouris， 林育明等人運(yùn)用SiC高溫升華法，把2英寸4H-SiC Si面襯底在1450℃下高溫退火，制得大部分由單層石墨烯覆蓋的2英寸片。經(jīng)氧等離子體刻蝕形成溝道區(qū)，熱蒸發(fā)源漏金屬電極，ALD方法制備柵電介質(zhì)，最終制備出柵長為90nm，截止頻率f_T達(dá)到170GHz的FET器件。

2011年6月10日，IBM 的研究人員在《Science》上發(fā)表了晶圓級(jí)石墨烯集成電路的最新結(jié)果，將石墨烯場效應(yīng)晶體管和電感單片集成在SiC襯底上，研制出最高可工作到10GHz的寬帶混頻器集成電路，如下圖所示。

IBM最新研制的石墨烯混頻器照片

科學(xué)家們認(rèn)為，這項(xiàng)突破可能預(yù)示著，未來可用石墨烯圓片來替代硅晶片，相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《Science》雜志上。該集成電路建立在一塊SiC上，并且由一些石墨烯場效應(yīng)晶體管組成。去年，IBM公司托馬斯·沃森研究中心科學(xué)家林育明領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)展示了首塊基于石墨烯的晶體管，其能在100 GHz的頻率上運(yùn)行，但這次，該團(tuán)隊(duì)將其整合進(jìn)一塊完整的集成電路中。按照美國電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）出版的《IEEE波普》雜志的解釋，這塊集成電路是一個(gè)寬頻無線電頻率混頻器，該集成電路通過找出兩個(gè)輸入頻率的和與差來輸出新的無線電信號(hào)。科學(xué)家們表示，最新的石墨烯集成電路混頻最多可達(dá)10GHz，而且其可以承受125℃的高溫。

正如IBM 公司負(fù)責(zé)科研的副總裁陳自強(qiáng)博士表示，石墨烯的一大優(yōu)勢在于其中的電子可實(shí)現(xiàn)極高速的傳輸，這對(duì)于下一代高速、高性能晶體管的研發(fā)來說是至關(guān)重要的。上述一系列技術(shù)突破清楚地表明了石墨烯在高性能器件和集成電路方面的巨大應(yīng)用前景。

美國已經(jīng)把石墨烯定位于最可能取代Si材料的下一代半導(dǎo)體材料，軍方、企業(yè)界、大學(xué)都花了很大的人力、財(cái)力、物力進(jìn)行石墨烯材料和器件的研究。DAPRA統(tǒng)籌規(guī)劃，從石墨烯材料制備、器件工藝、電路等方向齊頭并進(jìn)，最終制作出W波段的低噪聲放大器。

能夠放大微波射頻信號(hào)的元件有很多，速調(diào)管和行波管專門用于高功率場合下放大微波射頻信號(hào)，而且噪聲很高；參量放大器可用于低噪聲放大，但是帶寬較窄；利用半導(dǎo)體材料的雪崩效應(yīng)工作的雪崩二極管，因?yàn)槠湓肼曒^大多數(shù)用作負(fù)載功率放大器；另外，還有隧道二極管、體效應(yīng)二極管等微波固體器件，但前者承受信號(hào)功率小，易于燒毀而應(yīng)用很少，而后者工作電壓低、調(diào)頻噪聲小而多用于振蕩器。量子放大器的噪聲系數(shù)最好，但是它龐大而且昂貴。

到上世紀(jì)四十年代微波晶體管的問世，由于其體積小、重量輕使得其成為微波固體器件的一個(gè)重要分支。到了六十年代中期，由于平面外延工藝的發(fā)展，雙極晶體管能夠應(yīng)用于微波射頻波段。而且，隨著半導(dǎo)體材料和工藝的迅速發(fā)展，場效應(yīng)晶體管緊接著也應(yīng)用于微波射頻頻段。微波晶體管放大器具有寬頻帶、穩(wěn)定性好、噪聲性能好、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

射頻低噪聲放大器的設(shè)計(jì)過程是一個(gè)多個(gè)性能指標(biāo)參數(shù)折中的過程，它的性能參數(shù)包括工作頻率、功率增益、噪聲系數(shù)、輸入輸出匹配、線性度和直流功耗以及穩(wěn)定性等。隨著CMOS工藝水平的不斷提高，設(shè)計(jì)方法的不斷進(jìn)步，CMOS射頻低噪聲放大器的性能越來越高。當(dāng)然，現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對(duì)LNA的要求也越來越高，這必然也推動(dòng)著人們不斷去研究探索出新的性能更完善的LNA。

在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)過程中，我們通常都有好幾個(gè)目標(biāo)，比如要使噪聲盡可能地小，提供足夠增益的同時(shí)要有足夠的線性度，以及要能提供一個(gè)穩(wěn)定的50Ω輸入阻抗，當(dāng)然在便攜設(shè)備中還有一個(gè)要求就是功耗要盡可能地低。當(dāng)?shù)驮肼暦糯笃髑懊嬗幸粋€(gè)預(yù)選濾波器時(shí)，有一個(gè)性能好的輸入匹配是非常重要的，因?yàn)檫@種濾波器對(duì)終端阻抗的質(zhì)量是非常敏感的。在設(shè)計(jì)者頭腦中有一個(gè)這樣的概念后，我們首先考慮的就是能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的輸入阻抗，因此出現(xiàn)了各種輸入結(jié)構(gòu)，歸納起來可以分為四種，如圖1.1所示。這里的每一種結(jié)構(gòu)或者以單端形式出現(xiàn)，或者以差分形式出現(xiàn)。

幾種常見的LNA結(jié)構(gòu)

上圖(a)所示電路，在柵極并聯(lián)一個(gè)匹配電阻（在窄帶應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)調(diào)諧還可以在MOSFET柵極并聯(lián)一個(gè)到地的電感），雖然可以實(shí)現(xiàn)共軛匹配，但是對(duì)放大器的噪聲系數(shù)影響很大，不適合于要求低噪聲系數(shù)的場合。上圖(b)所示共柵極電路，它可以在低電壓下工作，其輸入電阻就是其跨導(dǎo)的倒數(shù)，我們可以選擇合適的器件尺寸和改變其偏置實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，它不必外接元件也能夠達(dá)到50Ω的輸入電阻，但是它的噪聲性能不好，其理論最小噪聲系數(shù)為2.2dB，不適合用在對(duì)噪聲系數(shù)要求高的場合。上圖(c)所示電路，它是一個(gè)跨阻放大器，在寬帶放大器中用的比較多。上圖(d)所示是源極電感負(fù)反饋電路，是目前低噪聲放大器當(dāng)中用的最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)，它通過源極電感來產(chǎn)生輸入阻抗的實(shí)部，由于它產(chǎn)生的這個(gè)實(shí)部不是實(shí)電阻，因而這種結(jié)構(gòu)的噪聲系數(shù)比較小。

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