04-微波有源器件C讲义教材

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1、1,接收、发送系统通常由滤波器、低噪声放大器、功率放大器、振荡器、倍频器、混频器以及开关电路、功率合成与分配电路等基本的射频与微波电路模块组成。 组成这些模块的更基本单元就是各类有源器件与无源器件。 初次进行射频与微波电路设计，感到最难入手的就是有源器件的选择。 选择有源器件要考虑的因素很多，首先要满足收发机对诸如振荡器、放大器、混频器等基本模块的指标要求，还要考虑可用技术与实现成本。 如何选择有源器件没有固定的程式。经验，对有源器件资料的掌握，对整个收、发系统指标的理解是选择有源器件的重要依据。 射频与微波电路常用的有源器件可分为两类，即二极管类型和三极管类型。 微波二极管： 作混频与检波用

2、的肖特基表面势垒二极管（简称肖特基二极管）， 作振荡器用的甘氏二有管（Gunn diode） 作控制电路用的PIN二极管。 微波晶体管： 双极晶体管（Bipolar Transistors） 场效应晶体管（Field-effect Transistors）,有源器件的选择对射频与微波电路设计极其重要,2,肖特基表面势垒及其单向导电特性,当半导体材料与某些金属接触时，大量电子从半导体侧扩散进入金属，因而在半导体一侧留下不可移动的正离子，即带正电的“空间电荷”，形成了“空间电荷层”，也即“耗尽层”。这些空间电荷与进入金属的电子之间产生自建电场，造成势垒，阻止电子向金属一侧的进一步扩散。上述势垒称为

3、“肖特基势垒”，这种由金属与半导体接触在一起形成势垒的结构也叫“金-半结”。 当“金-半结”加正压，即金属一侧接直流电源正极，半导体一侧接负极时，金-半结中势垒降低，耗尽层变薄，半导体中的电子源源不断地扩散入金属，因而构成大的正向电流IF。反之，当改变外加电压极性时，金-半结势垒增高。耗尽层变厚，半导体电子不能向金属一侧扩散，只有金属一侧少量电子反向进入半导体，构成小的反向电流。简而言之，“金-半结”具有单向导电特性。,肖特基势垒及其单向导电性,3,面接触型肖特基势垒二极管及其等效电路,1、利用半导体表面工艺制成的面接触型肖特基势垒二极管的结构见图。 2、等效电路 肖特基势垒二极管的等效电路含

4、有随偏压变化的势垒电阻Rj，由半导体材料体电阻与接触电阻组合的串联电阻Rseries，势垒电容，即结电容Cj，引线电感Ls和封装电容Cp，如图2-3。,图2-2 肖特基势垒二极管,Cp,图2-3 肖特基势垒二极管等效电路,5,甘氏（Gunn）二极管,甘氏二极管是转移电子器件，具有负阻特性，它可振荡于几种模式。 当工作于非谐振渡越时间模式（unresonant transit-time mode）在1-18GHz频率范围内，输出功率最高可达2W，多数为几百毫瓦。 当工作于谐振限制空间电荷模式（resonant limited space-charge (LSA) mode）工作频率可到100GH

5、z，脉冲工作、占孔系数10%时，脉冲功率输出到几百瓦。,甘氏二极管,6,甘氏二极管结构及等效电路,R负阻；Rs体及接触电阻； Cj等效电容；Ls封装电感； Cp封装电容 有源工作区（Active region）通常为6-8m长，N+区域厚度1-2m，是欧姆型材料，电阻率很低（0.001-cm），作为有源区与金属电极过渡层，除了改进金属电极与有源层的接触外，N+区域也防止金属电极中金属离子迁移到有源工作区。,甘氏二极管,7,甘氏二极管产生高频振荡的工作原理,在N型砷化镓半导体中导带波矢量图 当二极管加上电压，并超过某阈值时，N型砷化镓中的载流子（电子）由二极管中直流电场吸收能量，从主能带导带（低

6、有效质量高迁移率能带）转移到高能电平（高有效质量，低迁移率）的次能带导带。,8,甘氏二极管速度场,在室温并未加外电压条件下，热激发能量 大约仅为KT00.025电子伏特，这个数值远小 于主一次能带之间的能量间隔。因而不足以 使电子从主能带跃迁到次能带导带，电子几 乎全部处于低能态的主能带中；当外加电压 时，N半导体中形成外加电场，电子从电场 中获得能量，电子漂移速度随电场增大而加 快。电子速度为电子迁移率与外加电场的乘 积，其关系为 ve = E 在主能带-低能带电子随着外加电场的增加，从电场获得更多的能量，速度变快。当能量超过0.36电子伏特时，主能带里电子就会跃迁到次能带中。电场继续增加，

7、越来越多的电子从主能带跃迁到次能带，其迁移率下降，因而电子漂移速度下降。 当跃迁到次能带的电子数大于主能带中电子数时，电子的平均漂移速度随电场增加反而减小，这一过程如图所示，图中曲线的峰值对应的电场即电场的阈值。 设Eb表示电子全部迁移到高能带中的电场值，当EEb时，电子速度近于饱和值107厘米/秒。故图中曲线自峰下降后，当E较大时又略有上升，这是因为EEb时电子全部在高能带被外电场加速所至。,甘氏二极管速度场,9,甘氏二极管具有负阻效应,设：nL(E)低能带电子数，L(E)低能带电子迁移率，nV(E)高能带电子数，V(E)高能带低电子迁移率。在两能带总电子数 n = nL(E) + nV(E

8、) 当外加电场EEth（阈值）时，n = nL，当EthEEb（Eb为电子全部路迁到高能带电场）时，电子平均迁移速度 （2.1） 平均电子迁移率 （2.2） 显然， ，当E增加， 增加， 减少。 D为微分迁移率，在EthEEb时，为负值。电流密度j = E， = neD，E = V / L，故J = neD V/L，V为外加电压，L为n型砷化镓长度，这说明砷化镓在一定电场范围内（一般E在31032104伏/厘米），具有负电子迁移率，也就是负阻特性。,10,畴的形成与甘氏效应,在图2-8中表示的砷化镓半导体二极管样品中，如果存在某种掺杂不均匀性，例如x = x0处有一小的掺杂区，那么加上外电压以

9、后该处的电场将高于别处。随外加电压的增高，x0处电场首先超过Eth，结果x0左边有电子积累、右边电子速度快产生电子“抽空”现象，右边开始形成正离子区，这种正负电荷积累层类似于一偶极子，称为偶极畴。,图2-8 偶极畴形成和电场的分布,11,畴的形成与甘氏效应,由于畴内正负电荷的附加电场与外加电场方向一致，畴内电场增强。当外加电压不变时，导致畴外电场的降低。所以偶极畴又称高场畴。当畴内电场处于EthEEb范围内时，畴内电子漂移速度随电场增强而降低，这就使畴内正负电荷进一步积累而长大，畴的长大反过来又使畴内电场更高，畴外电场更低。此过程非常迅速。然而，畴长大过程不会无限止地进行下去，因为畴外电场下降

10、，电子漂移速度也下降，下降到某一程度以后，畴内外电子速度相等，形成稳定畴。 在畴产生、长大及稳定的同时，畴也不断向阳极运动。畴到达阳极，即被吸收而消失，在外电路形成电流突变，电场恢复初始状态，新畴又立即在x0处重新形成，这样周而复始，形成畴的自动振荡。,图2-8 偶极畴形成和电场的分布,12,对应于渡越时间模的外电路电流波形,在畴产生、长大及稳定的同时，畴也不断向阳极运动。畴到达阳极，即被吸收而消失，在外电路形成电流突变，电场恢复初始状态，新畴又立即在x0处重新形成，这样周而复始，形成畴的自动振荡。 上述过程对应的外电路振荡电流波形。在转移电子器件中，电流振荡的这种固有模式就是众所周知的甘氏振

11、荡效应。振荡频率由加在二极管甘氏畴渡越时间来确定。 渡越时间 （2.3） 式中vd畴的渡越速度， L为二极管砷化镓半导体长度， vd一般约107厘米/秒。 甘氏二极管与外加电压及可调 谐振腔电路配合可获得的频率变化达倍频程。,图2-9 对应于渡越时间模的外电路电流波形,13,甘氏二极管工作模式,甘氏二极管可工作于多种模式，部分取决于器件本身特性，部分取决于外电路特性。下面主要介绍渡越时间模式与限制空间电荷模式。 渡越时间模式（transit time (Gunn) mode） 渡越时间模式是非谐振模式，与器件长度及外加直流偏压有关。直流偏压要大于阈值Vth。N0L值须是1012/cm2到101

12、4/cm2。N0为掺杂浓度，L为有源区长度。工作频率由有源区有效长度Leff决定，或更确切地理由渡越时间确定。 式中 工作频率Hz 畴运动速度cm/s Leff有源区有效长度 工作于渡越时间模式时，效率不超过10%，通常为4%6%，输出功率一般小于1000mw。,14,甘氏二极管工作模式,限制空间电荷模式(Limited space-charge (LSA) mode)： 工作于限制空间电荷 模式，除与器件本身特性有关外还与外电路（谐振槽路）特性有关。槽路中电磁振荡由甘氏管的脉冲电流激励的。N0L必须是1012/cm2或更高，N0/F必须在2105到2104s/cm3之间。 a给出工作于LSA

13、模的甘氏振荡器简化电路图；b为其波形，c为输出电压。起振条件是甘氏管负电导必须大于槽路电导。,（c） 图2-10 负阻模的振荡电路与波形,15,甘氏振荡器实际电路举例,下图给出同轴腔作振荡回路的甘氏振荡器电路。调谐盘或调谐螺钉用来调整槽路谐振频率。高频能量通过耦合环耦合经同轴线输出。 图2-11 甘氏二极管振荡器,16,PIN二极管结构,PIN二极管（简称PIN管）是微波控制电路中最重要的一种微波控制器件。 PIN管与一般的PN二极管（见图a）不同，在P跟N型半导体材料之间多了一个绝缘区，叫做本征区。严格地说本征区并非完全“绝缘”，还有很少的载流子以支持很小的电流，其结构见图b。图c给出几种低

14、功率电平下的封装形式。,图2-12 A：PN二极管；B：PIN二极管； C：PIN二极管封装,17,PIN二极管工作特点,不加偏压时，PIN管电阻是很大的。 PIN管P+、N+都是重掺杂的，见图a，杂质分布见图b。本征层的电阻很高。 空间电荷的分布(x)及电场的分布E(x)见图c、d。 PIN管中P+、N+层的导电率很高，空间电荷层即耗尽层主要建立在I层中，在I层中除了耗尽层之外的其余厚度为非耗尽层。与非耗尽层相比，耗尽层具有更高的电阻率，因此在不加偏压时PIN管的电阻是很大的。,图2-13 PIN管中杂质空间电荷及电场分布,18,PIN二极管工作特点,直流偏压下的PIN管特性 在负偏压之下（

15、P+层接负、N+层接正），PIN管中的电场增强，势垒电压加高、耗尽层变厚，如图（e、f）。因而I层电阻进一步增大，反向电流极小。 随着负偏压的增大，耗尽层最后将扩展到整个I层，以后便不再显著变厚。 负偏压达到某值时出现雪崩击穿，反向电流急剧增大。此时的负偏压值称为反向击穿电压VB。 在正偏压之下，PIN管势垒降低以至消失。P+、N+层中的载流子源源不断地向I层扩散，形成正向通流。 空穴、电子从注入I层到复合消失，平均有一短暂时间，称为载流子平均寿命。而在复合之前则表现为载流子的“动态储存”。与其他PN结二极管相比，PIN管中的载流子寿命比较长（如20100ns），因此，在管子正向导通期间I层中

16、拥有大量的载流子，I层处于低阻态。正偏压愈大，正向电流愈大，I层乃至整个PIN管电阻愈小。,图2-13 PIN管中杂质空间电荷及电场分布,19,PIN二极管工作特点,直流偏压和微波信号等同作用下的PIN管 PIN管在正、负偏压下的电阻变化与一般半导体PN管没有多大区别，也即对直流、低频有单向导电性。显然，在正偏压下，PIN管对微波小信号始终导通。但是对于微波大信号，在信号负半周内由于正向偏置电流为I层储存了大量的载流子，而微波频率又极高，在极其短的信号负半周内，I层中的载流子能够立即构成幅度足够的反向电流，所以管子仍然“导通”，如图所示。,图2-14 正偏压及微波信号共同作用下的PIN管,20,PIN二极管工作特点,直流偏压和微波信号等同作用下的PIN管 设I层中的载流子平均寿命为，正向偏流 为IF，则I层中载流子的储存量为 如 = 1s，IF = 10mA，微波信号频率f = 2GHz， 信号周期为T，微波电流振幅Im = 1A，则在信号 负半周之内，从管子的I层中吸出的载流子电量为 （2.4） 负半周内从I层中吸出的载流子电量仅占I层中储存的电荷