《微波有源器件课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微波有源器件课件（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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
2、波用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（Gunndiode） 作控制电路用的PIN二极管。 微波晶体管： 双极晶体管（BipolarTransistors） 场效应晶体管（FieldeffectTransistors） 有源器件的选择对射频与微波电路设计极其重要 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
3、称为“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 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
4、效电路含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23。 图22肖特基势垒二极管 Cp 图23肖特基势垒二极管等效电路 肖特基势垒二极管伏安特性及其应用 肖特基势垒二极管的伏安特性， 可表示为 Isat为反向饱和电流，数值极小。 在常温下， 在正偏电压接近势垒电压时，电流迅速变大，非线性强烈。 在反向偏压时电流极小，大致保持Isat值。当V=VB时，反向电流 迅速增长，VB为反向击穿电压。 肖特基二极管本质上是一个整流元件，非线性强，主要应用于 混频器及检波电路。广泛应用的双平衡混频器（DM
5、B）就应用 配对的两个肖特基二极管。多数DMB用于微波频谱的低端。 肖特基势垒二极管的伏安特性 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 transittime mode ）在118GHz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（resonantlimitedspace charge(LSA)mode）工作频率 可到100GHz，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 甘氏二极管结构及等效电路 R负阻；Rs体及接触电阻；
6、Cj等效电容；Ls封装电感； Cp封装电容 有源工作区（Activeregion）通常为6 8m长，N+区域厚度12m，是欧姆型材 料，电阻率很低（0.001cm），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 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。 甘氏二极管速度场 在室温并未加外电压条件下，
7、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，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
8、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 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) 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
9、） 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=neDV/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。 畴的形成与甘氏效应 在图28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
10、，这种正负电荷积累层类似于一偶 极子，称为偶极畴。 图28偶极畴形成 和电场的分布 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，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
11、，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28偶极畴形成 和电场的分布 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，
12、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29对应于渡越时间模的外电路电流波形 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（transittime(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1014/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
13、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。 甘氏二极管工作模式 限制空间电荷模式(Limited spacecharge(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。 （a） （b） （c） 图210负阻模
14、的振荡电路与波形 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211甘氏二极管振荡器 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给出几种低功 率电平下的封装形式。 图212A：PN二极管；B：PIN二极管； C：PIN二极管封装 PIN二极管工作特
15、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213PIN管中杂质空 间电荷及电场分布 PIN二极管工作特点 直流偏压下的PIN管特性 在负偏压之下（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
16、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213PIN管中杂质空 间电荷及电场分布 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
