第二章(上)复习课程

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1、第2章 固态有源微波元器件,本章主要介绍广泛应用于微波电子线路的各种固态有源微波元器件，主要包括属于微波二极管的PN结管、肖特基结管、变容管、阶越恢复管、雪崩管、体效应管、PIN管等，属于微波三极管的双极晶体管及异质结管、场效应管以及高电子迁移率晶体管等。它们是构成各种微波电子线路功能组件，如微波混频器、微波变频器、微波放大器、微波振荡器和微波控制电路的核心。,2.1 半导体基础,1. 半导体的概念及分类,2.1.1 半导体基础,半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。,金属,半导体,绝缘体,半导体的性质：负温度系数；两种载流子；对掺杂敏感；光敏特性；温差电效 应大； 非对称导电特性,

2、半导体材料种类：,半导体基础,从原子模型可以知道，核外每个电子的能量都不是任意的， 而是只能取一系列分立的确定值，不同的轨道对应不同的能量。,电子能量只能取一系列分立值的这种特征叫做电子能量“量 子化”，量子化的能量值称为“能级”，把能级用一段横线表示， 按能量由小到达，把能级从下往上排列起来，即可构成原子中 电子的能级图。,价带： 温度为绝对零度时，电子的能量较 低，都位于低能带上，而且恰好把 低能带填满； 导带： 能量较高的能带； 禁带： 这两个能带之间存在着空隙，在空 隙所占的能量范围内，是不存在 任何电子的能量状态的。,半导体基础,3. 半导体的本征激发,完整的共价键,无电流,电中性,

3、q电子移动,出现q电荷,电场,电流,这一空位可以看作是一个带有电量的粒子，称为“空穴”,自由电子和空穴统称为“载流子”,“本征激发”：原来束缚在键上的电子接受了足够的能量之后，挣脱约束形成一个自由电子和一个空穴电子-空穴对的过程,半导体基础,激发能量： 金刚石为5.47eV，硅为1.12eV，而锗为0.66eV,相同能量下不同材料中本征载流子（由本征激发所产生的 载流子，自由电子与空穴成对出现）的浓度就不同，材料的电 阻率也就不同，金刚石可达 ，而锗只有 ，可见 绝缘体与半导体并没有本质区别。,“复合” ：如果一个自由电子和一个空穴在移动中相遇，或者说一个挣脱了键的束缚的电子，又正好落到一个键

4、上电子的空位上去，就会造成一对自由电子和空穴同时消失 。,半导体激发的能带示意图,研究证明只有当能带中填有电子， 而又未被电子填满时，半导体具有导 电能力。,半导体基础,设 和 为半导体中热平衡状态下电子和空穴的浓度，它们遵从 费米（Fermi）统计而有：,引入符号 表示本征情况下的费米能级:,在本征激发状态下，用 表示本征浓度，,这一关系也被当作动态平衡条件成立的标志。,Nc（Nv）为导带底（价带顶）的有效能量密度,半导体基础,4. 掺杂,杂质电离所需的能量仅为0.044eV， 比室温下硅本征激发所需能量1.12eV 低的多，电子称为“多数载流子”，简 称为“多子”，空穴称为“少数载流子”，

5、 简称“少子”，以电子为多子的半导体， 称为N型半导体，给出电子的杂质称 为“施主”。,杂质硼原子电离能仅为0.045eV,“受主”,半导体基础,掺杂受主杂质能级图,导带底,价带顶,禁带,受主能级,掺杂受主后费米能级,导带底,价带顶,费米能级,ED施主电离能,费米能级提高,半导体基础,多子浓度与少子浓度满足反比关系：多子越多，少子就越少。 一般都近似把室温下掺杂半导体中的多子浓度看作等于掺入的杂质 浓度，即在N型半导体中 （施主浓度），在P型半导体 中 （受主浓度），则N型半导体中与P型半导体中少子浓 度分别为:,5. 载流子的运动,载流子漂移与漂移电流,指由漂移运动产生的电流，电子和空穴的漂

6、移电流密度可表示为：,均匀掺入杂质的半导体的导电特性服从欧姆定律，即流过半导体的 电流强度正比于半导体两端的电压：,电子和空穴的“迁移率”,迁移率是单位电场强度下载流子的平均漂移速度，它反映了载流子在半导体内作定向运动的难易程度，其单位为 或 。,在一定电场强度范围内，迁移率是一个与电场强度无关的常数，当电场增大到一定程度以后，迁移率将随着电场增加而下降，载流 子漂移速度也将趋近于饱和值。,半导体基础,载流子扩散与扩散电流,微粒自动从高浓度的地方向低浓度的地方迁移的现象称为“扩散”， 它也是微粒的一种定向运动，可称之为“扩散流”。这种载流子的扩散 运动将形成电荷的迁移，这就是“扩散电流”。,D

7、 称为扩散系数，表达了扩散的程度。,半导体基础,漂移和扩散的关系,迁移率 反映了半导体中载流子在电场作用下定向运动的难易程度， 而扩散系数 反映了载流子扩散的本领大小。,爱因斯坦关系,半导体基础,1. PN半导体的接触电势差与势垒,2.1.2 PN结,半导体基础,在同一块半导体中，一部分呈现P型，另一部分呈现N型，P型区与N型区的边界及其附近的很薄的过渡区即称为PN结，它是许多半导体器 件的核心部分。,位置不能自由移动的电离杂质在“结”的两侧附近形成了带异性电荷的“空间电荷层”，将产生“内建电场”，此电场的方向为由N指向P。,半导体基础,半导体基础,2. PN结的整流特性,使问题简化的假设：,

8、假设外加电压全部用来改变势垒高度，即外加电压全部降落在空 间电荷区。在空间电荷区以外的半导体中性区内，电压降为0， 电场强度为0。因此在空间电荷区之外，载流子只做扩散运动。,在空间电荷区内，无载流子的复合与产生。即当电流流过PN结时， 流过空间电荷区两个边界的电子数与空穴数不因经过空间电荷区 而改变。,在正向电压下，注入到对方的少子，比该区平衡状态下的多子少 的多，即是满足通称的“小注入条件”。,当PN结加上正向偏压 时（即P端接外电源的正极，N端接外电源的负极）,半导体基础,半导体基础,当PN结加上正向偏压 时（即P端接外电源的正极，N端接外电源的负极）,PN结的“正向导通状态”,PN结的理

9、想“伏安特性 （ 特性）方程”,当PN结加上反向偏压 时（即P端接外电源的负极，N端接外电源的正极）,半导体基础,当PN结加上反向偏压 时（即P端接外电源的负极，N端接外电源的正极）,这种非线性关系也称为“整流特性”,半导体基础,3. PN结的电容效应,PN结的电容效应有两种：势垒电容和扩散电容,（1) PN结的电荷、电场及电势分布,按照制作工艺的不同，PN结可以分为两种：突变结与缓变结。,空间电荷区的电荷密度的分析一般采用“耗尽层模型”，,半导体基础,根据PN结空间电荷区的电荷密度可以得出其内电场强度与电势 的分布。欲求空间电荷区的电场及电势分布，可以采用一维的泊松 （Poisson）方程。

10、,半导体基础,根据突变结的空间电荷密度分布，可以求得N区和P区的电势分布规律为：,因此空间电荷区两端之间的电势差为：,空间电荷区的总宽度为：,突变结一侧为重掺杂时，为：,半导体基础,在结处电场强度最大，从结至空间 电荷区边界，电场线性减小到零。根据 电场曲线下的面积代表电压的原理，对 于掺杂浓度不同的PN结来说，电压主要 降落在轻掺杂一侧的空间电荷区内，即 对P+N结，电压主要降落在N区一侧空间 电荷区，而对N+P结，电压主要降落在P 区一侧空间电荷区。,半导体基础,（2) PN结的势垒电容,设用 来代表PN结空间电荷区的正、负电荷量 ：,半导体基础,（3) PN结的扩散电容,PN结在正向偏置

11、下有少子注入效应，在空间电荷区两侧的 少子扩散区内存在着少子电荷的积累，这一部分电荷也与外加 电压有关，存在着电容效应。,PN结的总电容 是势垒电容 与扩散电容 之和：,正偏时，由于 通常远大于 ，故； 而反偏时，由于结 边界附近空间电荷区的少子浓度随反偏电压变化很小，故反偏 时扩散电容极小，通常可以忽略，此时有 。,半导体基础,4. PN结的击穿,PN结的击穿有两种情况：电击穿和热击穿。电击穿又可分 为两种类型：一种称作“雪崩击穿”，另一种称为“齐纳”击穿， 也叫“隧道击穿”。,（1) 雪崩击穿,反向电压,电场强度,载流子速度,动能变大,碰撞电离,继续加速,碰撞电离,反向电流增大,这种载流子

12、倍增的现象与自然界的雪崩过程相似，称之为 PN结的“雪崩击穿”现象，对应的反向电压称为“雪崩击穿电压”。,（2) 齐纳击穿,半导体基础,对于重掺杂的PN结，由于空间电荷区的电荷密度大，所以空间 电荷区很薄，因而不太高的反向电压，就能在空间电荷区内形成很 大的电势梯度（电场强度）。有可能使价带中的电子激发到导带， 称为内部场致发射。由于这种效应也使反向电流大大增加，称之为 “齐纳击穿”，也叫做“隧道击穿”或“软击穿” 。,（3) 热击穿,当反向电压较高，反向电流也 较大时，耗散在PN结上的功率较大， 引起PN结温度升高。而结温升高， 又使阻挡层内热激发载流子浓度增 大，反向电流进一步增大，如果散

13、 热不良，结温将继续上升。如此恶 性循环，将引起反向电流急剧增大， 导致PN结击穿。,2.1.3 金属与半导体的肖特基接触,半导体基础,肖特基接触:是一种金属与半导体的接触（简称金半接触） 形式，在某些情况下它可以具有非对称的导电特性，其关系与 PN结的类似。 这一类接触是某些半导体器件的基本组成部分，其工作特性 使得它在射频及微波领域获得了广泛应用。,1. 金半接触的接触电势差肖特基（Schottky）势垒,金半接触的特性与半导体的导电类型（N型或P型）以及金 属和半导体的“逸出功”的相对大小有关。 逸出功:使电子从材料（半导体或金属）体内进入真空所 必须赋予电子的能量。确切地说：功函数表示

14、恰好使一个电子 从材料的费米能级进入材料外表面真空中，且处于静止状态 （动能为0）所需的能量。,半导体基础,当金半发生接触而无外加电压、 处于平衡状态时，应有统一的费米能 级，这与PN结的情形一样，也是靠在 金属与半导体之间的电子转移，而形 成内建电势差接触电势差来实现的。,（1) 金属与N型半导体形成金半接触,金属的功函数大于半导体的功函数:,半导体基础,当金属与N型半导体接触时，若 ，在半导体表面 处形成正的空间电荷区，电场方向由半导体体内指向表面， 即半导体表面电势较体内为低。若半导体体内电势为0，半 导体表面电势用 代表，则有 ，这时半导体表面电 子势能高于体内，能带向上弯曲形成表面势

15、垒，表面处由于 电子逸出而使浓度较体内为小。,金属的功函数小于半导体的功函数:,金属带正电、半导体带负 电，电场方向由金属指向半导 体，半导体表面电势高于体内 电势，半导体表面处电子势能 较体内为低，能带向下弯曲。,半导体基础,（2) 金属与P型半导体形成金半接触,金属与P型半导体形成金半接触的情形正好与N型相反， 当 时，形成反阻挡层，而 时，形成阻挡层。,2. 金半接触的整流特性,以金属与N型半导体接触构成金半结、而且 的情 况为例说明金半接触的整流特性。,（1)金半结两端施加正向偏压V（即金属端接外电源的正极，而N型半 导体端接外电源的负极）,“正向导通”,金半结的理想“伏安特性 （ 特

16、性）方程”为：,半导体基础,（2)金半结两端施加反向偏压V（即金属端接外电源的负极，而N型半 导体端接外电源的正极）,不同之处：导通电压较低、正向压降较小、正反向电流较大、 反向耐压较低及较强的非线性程度。由于特性曲线较陡，因此在同 样偏压下具有较小的结电阻，而且当外加大信号交流电压时可导致 微分电导（ ）有较陡的变化。,半导体基础,3. 金半接触的电容效应,金半接触结可以看作是单边突变结，因此根据求PN结空间 电荷区宽度所使用的方法，求出金半（N型）接触结半导体一侧 的势垒区宽度与偏压的关系为:,（1) 势垒电容,（2) 扩散电容,金半接触结（MN结）的正向电流是从N型半导体流向金属 的电子电流，是多子电流，它不存在少子积累的问题，因而也 就不存在扩散电容效应，这是金半结与PN结的显著区别。,PN结的“大”电容限制了PN结开关速度的提高，导致其导电 特性的改变来不及跟上外加高频交流电压的变化；而金半结的电 容远较PN结为小，可大大减小对正偏非线性电阻