微波電子線路第二章(上)課件

第2章固態(tài)有源微波元器件

本章主要介紹廣泛應(yīng)用于微波電子線路的各種固態(tài)有源微波元器件，主要包括屬于微波二極管的PN結(jié)管、肖特基結(jié)管、變?nèi)莨?、階越恢復(fù)管、雪崩管、體效應(yīng)管、PIN管等，屬于微波三極管的雙極晶體管及異質(zhì)結(jié)管、場(chǎng)效應(yīng)管以及高電子遷移率晶體管等。它們是構(gòu)成各種微波電子線路功能組件，如微波混頻器、微波變頻器、微波放大器、微波振蕩器和微波控制電路的核心。2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)1.半導(dǎo)體的概念及分類2.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。金屬半導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)微波器件的分類電子遷移率、空穴遷移率、帶隙、雪崩電場(chǎng)二極管、三端晶體管半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.半導(dǎo)體共價(jià)鍵模型和能帶模型共價(jià)鍵模型能夠直觀地說(shuō)明半導(dǎo)體所具有的很多性質(zhì)，但不能作深入的定量討論，而能帶模型可以使我們對(duì)于半導(dǎo)體的理解比較深入，因此一般要綜合運(yùn)用兩種模型來(lái)展開討論。金剛石結(jié)構(gòu)○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○原子共價(jià)鍵GaAs一個(gè)Ga原子由位于正四面體的四個(gè)頂角的As原子包圍著，而一個(gè)As原子也由位于正四面體的四個(gè)頂角的Ga原子包圍著，但形成四個(gè)共價(jià)鍵的八個(gè)電子三個(gè)來(lái)自于III族原子，五個(gè)來(lái)自于V族，形成鍵的兩個(gè)電子在原子間的分布并非完全對(duì)稱，偏向于兩個(gè)原子中的一個(gè)，含有“離子鍵”的成分。半導(dǎo)體基礎(chǔ)3.半導(dǎo)體的本征激發(fā)○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○半導(dǎo)體的本征激發(fā)自由電子“空位”（空穴）完整的共價(jià)鍵無(wú)電流電中性－q電子移動(dòng)出現(xiàn)＋q電荷電場(chǎng)電流這一空位可以看作是一個(gè)帶有電量的粒子，稱為“空穴”

自由電子和空穴統(tǒng)稱為“載流子”

“本征激發(fā)”：原來(lái)束縛在鍵上的電子接受了足夠的能量之后，掙脫約束形成一個(gè)自由電子和一個(gè)空穴――電子-空穴對(duì)的過(guò)程半導(dǎo)體基礎(chǔ)激發(fā)能量：金剛石為5.47eV，硅為1.12eV，而鍺為0.66eV

相同能量下不同材料中本征載流子（由本征激發(fā)所產(chǎn)生的載流子，自由電子與空穴成對(duì)出現(xiàn)）的濃度就不同，材料的電阻率也就不同，金剛石可達(dá)，而鍺只有，可見(jiàn)絕緣體與半導(dǎo)體并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別?！皬?fù)合”：如果一個(gè)自由電子和一個(gè)空穴在移動(dòng)中相遇，或者說(shuō)一個(gè)掙脫了鍵的束縛的電子，又正好落到一個(gè)鍵上電子的空位上去，就會(huì)造成一對(duì)自由電子和空穴同時(shí)消失。

半導(dǎo)體激發(fā)的能帶示意圖導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶空穴電子研究證明只有當(dāng)能帶中填有電子，而又未被電子填滿時(shí)，半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力。半導(dǎo)體基礎(chǔ)設(shè)和為半導(dǎo)體中熱平衡狀態(tài)下電子和空穴的濃度，它們遵從費(fèi)米（Fermi）統(tǒng)計(jì)而有：引入符號(hào)表示本征情況下的費(fèi)米能級(jí):在本征激發(fā)狀態(tài)下，用表示本征濃度，這一關(guān)系也被當(dāng)作動(dòng)態(tài)平衡條件成立的標(biāo)志。半導(dǎo)體基礎(chǔ)摻雜施主雜質(zhì)能級(jí)圖導(dǎo)帶底價(jià)帶頂禁帶施主能級(jí)摻雜施主后費(fèi)米能級(jí)導(dǎo)帶底價(jià)帶頂費(fèi)米能級(jí)摻雜受主雜質(zhì)能級(jí)圖導(dǎo)帶底價(jià)帶頂禁帶受主能級(jí)摻雜受主后費(fèi)米能級(jí)導(dǎo)帶底價(jià)帶頂費(fèi)米能級(jí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)多子濃度與少子濃度滿足反比關(guān)系：多子越多，少子就越少。一般都近似把室溫下?lián)诫s半導(dǎo)體中的多子濃度看作等于摻入的雜質(zhì)濃度，即在N型半導(dǎo)體中（施主濃度），在P型半導(dǎo)體中（受主濃度），則N型半導(dǎo)體中與P型半導(dǎo)體中少子濃度分別為:5.載流子的運(yùn)動(dòng)載流子漂移與漂移電流指由漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流，電子和空穴的漂移電流密度可表示為：均勻摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性服從歐姆定律，即流過(guò)半導(dǎo)體的電流強(qiáng)度正比于半導(dǎo)體兩端的電壓：電子和空穴的“遷移率”遷移率是單位電場(chǎng)強(qiáng)度下載流子的平均漂移速度，它反映了載流

子在半導(dǎo)體內(nèi)作定向運(yùn)動(dòng)的難易程度，其單位為或。在一定電場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，遷移率是一個(gè)與電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)的常數(shù)，

當(dāng)電場(chǎng)增大到一定程度以后，遷移率將隨著電場(chǎng)增加而下降，載流子漂移速度也將趨近于飽和值。半導(dǎo)體基礎(chǔ)漂移和擴(kuò)散的關(guān)系遷移率反映了半導(dǎo)體中載流子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)的難易程度，而擴(kuò)散系數(shù)反映了載流子擴(kuò)散的本領(lǐng)大小。愛(ài)因斯坦關(guān)系半導(dǎo)體基礎(chǔ)1.PN半導(dǎo)體的接觸電勢(shì)差與勢(shì)壘2.1.2PN結(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)在同一塊半導(dǎo)體中，一部分呈現(xiàn)P型，另一部分呈現(xiàn)N型，P型區(qū)與

N型區(qū)的邊界及其附近的很薄的過(guò)渡區(qū)即稱為PN結(jié)，它是許多半導(dǎo)體器件的核心部分。P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)電離受主電離施主PN結(jié)空間電荷區(qū)位置不能自由移動(dòng)的電離雜質(zhì)在“結(jié)”的兩側(cè)附近形成了帶異性電荷的“空間電荷層”，將產(chǎn)生“內(nèi)建電場(chǎng)”，此電場(chǎng)的方向?yàn)橛蒒指向P。半導(dǎo)體基礎(chǔ)P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)PN結(jié)接觸電勢(shì)差電勢(shì)電子勢(shì)能空穴勢(shì)能P區(qū)N區(qū)PN結(jié)接觸勢(shì)壘的形成P區(qū)N區(qū)P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)電離受主電離施主PN結(jié)空間電荷區(qū)當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓時(shí)（即P端接外電源的正極，N端接外

電源的負(fù)極）半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓時(shí)（即P端接外電源的正極，N端接外

電源的負(fù)極）PN結(jié)加正向偏壓PNPN結(jié)的“正向?qū)顟B(tài)”PN結(jié)的理想“伏安特性（特性）方程”P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)電離受主電離施主PN結(jié)空間電荷區(qū)當(dāng)PN結(jié)加上反向偏壓時(shí)（即P端接外電源的負(fù)極，N端接外

電源的正極）半導(dǎo)體基礎(chǔ)3.PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)的電容效應(yīng)有兩種：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容

（1)PN結(jié)的電荷、電場(chǎng)及電勢(shì)分布按照制作工藝的不同，PN結(jié)可以分為兩種：突變結(jié)與緩變結(jié)。N突變PN結(jié)結(jié)N緩變PN結(jié)○空間電荷區(qū)的電荷密度的分析一般采用“耗盡層模型”，半導(dǎo)體基礎(chǔ)突變PN結(jié)空間電荷層寬度緩變PN結(jié)空間電荷層寬度○根據(jù)PN結(jié)空間電荷區(qū)的電荷密度可以得出其內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)的分布。欲求空間電荷區(qū)的電場(chǎng)及電勢(shì)分布，可以采用一維的泊松（Poisson）方程。半導(dǎo)體基礎(chǔ)根據(jù)突變結(jié)的空間電荷密度分布，可以求得N區(qū)和P區(qū)的電勢(shì)

分布規(guī)律為：因此空間電荷區(qū)兩端之間的電勢(shì)差為：空間電荷區(qū)的總寬度為：突變結(jié)一側(cè)為重?fù)诫s時(shí)，為：半導(dǎo)體基礎(chǔ)（2)PN結(jié)的勢(shì)壘電容設(shè)用來(lái)代表PN結(jié)空間電荷區(qū)的正、負(fù)電荷量：半導(dǎo)體基礎(chǔ)（3)PN結(jié)的擴(kuò)散電容PN結(jié)在正向偏置下有少子注入效應(yīng)，在空間電荷區(qū)兩側(cè)的少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)存在著少子電荷的積累，這一部分電荷也與外加電壓有關(guān)，存在著電容效應(yīng)。PN結(jié)的總電容是勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容之和：正偏時(shí)，由于通常遠(yuǎn)大于，故；而反偏時(shí)，由于結(jié)邊界附近空間電荷區(qū)的少子濃度隨反偏電壓變化很小，故反偏時(shí)擴(kuò)散電容極小，通?？梢院雎?，此時(shí)有。半導(dǎo)體基礎(chǔ)4.PN結(jié)的擊穿PN結(jié)的擊穿有兩種情況：電擊穿和熱擊穿。電擊穿又可分為兩種類型：一種稱作“雪崩擊穿”，另一種稱為“齊納”擊穿，也叫“隧道擊穿”。（1)雪崩擊穿反向電壓電場(chǎng)強(qiáng)度載流子速度動(dòng)能變大碰撞電離繼續(xù)加速碰撞電離反向電流增大這種載流子倍增的現(xiàn)象與自然界的雪崩過(guò)程相似，稱之為PN結(jié)的“雪崩擊穿”現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的反向電壓稱為“雪崩擊穿電壓”。2.1.3金屬與半導(dǎo)體的肖特基接觸半導(dǎo)體基礎(chǔ)

肖特基接觸:是一種金屬與半導(dǎo)體的接觸（簡(jiǎn)稱金半接觸）形式，在某些情況下它可以具有非對(duì)稱的導(dǎo)電特性，其關(guān)系與PN結(jié)的類似。這一類接觸是某些半導(dǎo)體器件的基本組成部分，其工作特性使得它在射頻及微波領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。1.金半接觸的接觸電勢(shì)差－肖特基（Schottky）勢(shì)壘金半接觸的特性與半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型（N型或P型）以及金屬和半導(dǎo)體的“逸出功”的相對(duì)大小有關(guān)。逸出功:使電子從材料（半導(dǎo)體或金屬）體內(nèi)進(jìn)入真空所必須賦予電子的能量。確切地說(shuō)：功函數(shù)表示恰好使一個(gè)電子從材料的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入材料外表面真空中，且處于靜止?fàn)顟B(tài)（動(dòng)能為0）所需的能量。半導(dǎo)體基礎(chǔ)金屬和N型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)真空能級(jí)金屬N型半導(dǎo)體當(dāng)金半發(fā)生接觸而無(wú)外加電壓、處于平衡狀態(tài)時(shí)，應(yīng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，這與PN結(jié)的情形一樣，也是靠在金屬與半導(dǎo)體之間的電子轉(zhuǎn)移，而形成內(nèi)建電勢(shì)差－接觸電勢(shì)差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（1)金屬與N型半導(dǎo)體形成金半接觸金屬和N型半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù):

半導(dǎo)體基礎(chǔ)當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若，在半導(dǎo)體表面處形成正的空間電荷區(qū)，電場(chǎng)方向由半導(dǎo)體體內(nèi)指向表面，即半導(dǎo)體表面電勢(shì)較體內(nèi)為低。若半導(dǎo)體體內(nèi)電勢(shì)為0，半導(dǎo)體表面電勢(shì)用代表，則有，這時(shí)半導(dǎo)體表面電子勢(shì)能高于體內(nèi)，能帶向上彎曲形成表面勢(shì)壘，表面處由于電子逸出而使?jié)舛容^體內(nèi)為小。金屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù):

金屬和N型半導(dǎo)體接觸反阻擋層金屬帶正電、半導(dǎo)體帶負(fù)電，電場(chǎng)方向由金屬指向半導(dǎo)體，半導(dǎo)體表面電勢(shì)高于體內(nèi)電勢(shì)，半導(dǎo)體表面處電子勢(shì)能較體內(nèi)為低，能帶向下彎曲。半導(dǎo)體基礎(chǔ)（2)金屬與P型半導(dǎo)體形成金半接觸金屬與P型半導(dǎo)體形成金半接觸的情形正好與N型相反，當(dāng)時(shí)，形成反阻擋層，而時(shí)，形成阻擋層。2.金半接觸的整流特性以金屬與N型半導(dǎo)體接觸構(gòu)成金半結(jié)、而且的情況為例說(shuō)明金半接觸的整流特性。（1)金半結(jié)兩端施加正向偏壓V（即金屬端接外電源的正極，而N型半導(dǎo)體端接外電源的負(fù)極）金半結(jié)加正向偏壓“正向?qū)ā?/p>

金半結(jié)的理想“伏安特性（特性）方程”為：半導(dǎo)體基礎(chǔ)（2)金半結(jié)兩端施加正向偏壓V（即金屬端接外電源的負(fù)極，而N型半導(dǎo)體端接外電源的正極）金半結(jié)加反向偏壓金半結(jié)的電壓電流特性PN結(jié)金半結(jié)不同之處：導(dǎo)通電壓較低、正向壓降較小、正反向電流較大、反向耐壓較低及較強(qiáng)的非線性程度。由于特性曲線較陡，因此在同樣偏壓下具有較小的結(jié)電阻，而且當(dāng)外加大信號(hào)交流電壓時(shí)可導(dǎo)致微分電導(dǎo)（）有較陡的變化。半導(dǎo)體基礎(chǔ)3.金半接觸的電容效應(yīng)金半接觸結(jié)可以看作是單邊突變結(jié)，因此根據(jù)求PN結(jié)空間電荷區(qū)寬度所使用的方法，求出金半（N型）接觸結(jié)半導(dǎo)體一側(cè)的勢(shì)壘區(qū)寬度與偏壓的關(guān)系為:（1)勢(shì)壘電容（2)擴(kuò)散電容金半接觸結(jié)（MN結(jié)）的正向電流是從N型半導(dǎo)體流向金屬的電子電流，是多子電流，它不存在少子積累的問(wèn)題，因而也就不存在擴(kuò)散電容效應(yīng)，這是金半結(jié)與PN結(jié)的顯著區(qū)別。PN結(jié)的“大”電容限制了PN結(jié)開關(guān)速度的提高，導(dǎo)致其導(dǎo)電特性的改變來(lái)不及跟上外加高頻交流電壓的變化；而金半結(jié)的電容遠(yuǎn)較PN結(jié)為小，可大大減小對(duì)正偏非線性電阻的旁路作用，“開關(guān)”特性好，這是以金半結(jié)為基礎(chǔ)構(gòu)成的半導(dǎo)體元件在射頻和微波領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的主要原因所在。4.金半接觸的擊穿金半結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬度較薄，反向擊穿電壓比PN結(jié)低，因此不能承受大的功率。半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.1.4金屬與半導(dǎo)體的歐姆接觸半導(dǎo)體基礎(chǔ)兩端非歐姆接觸PN結(jié)管PN金屬引線與半導(dǎo)體的接觸只能是沒(méi)有整流特性的接觸，或者說(shuō)接觸應(yīng)該具有對(duì)稱的、線性的特性，同時(shí)還要求接觸電阻盡可能小，我們把這樣一種接觸稱為“歐姆接觸”。沒(méi)有良好的歐姆接觸，器件性能就發(fā)揮不出來(lái)。構(gòu)成歐姆接觸：在欲形成歐姆接觸的N型（或P型）半導(dǎo)體上先形成一層重?fù)诫sN＋（或P＋）層，然后再與金屬接觸，即為金屬-N＋-N或金屬-P＋-P結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體基礎(chǔ)隧道效應(yīng)歐姆接觸的電壓電流特性N+N結(jié)勢(shì)壘金屬與重?fù)诫s半導(dǎo)體接觸時(shí)，金半接觸在半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢(shì)壘層（或稱阻擋層）的厚度會(huì)很薄。對(duì)于金屬和半導(dǎo)體兩側(cè)的電子來(lái)說(shuō)，這樣薄的勢(shì)壘區(qū)幾乎是透明的，即兩側(cè)電子可以不需越過(guò)勢(shì)壘而是通過(guò)隧道效應(yīng)“鉆”到對(duì)方去。由于勢(shì)壘高度較低，結(jié)的空間電荷區(qū)也較窄，不能認(rèn)為空間電荷區(qū)處于“耗盡”狀態(tài)，因而也就不是高阻區(qū)。當(dāng)其上施加偏壓時(shí)，外加電壓就不是降落在空間電荷區(qū)，而是降落在結(jié)兩側(cè)的半導(dǎo)體上。多數(shù)載流子在N＋N結(jié)之間可以認(rèn)為是不受阻礙地自由流動(dòng)。這樣，金屬-N＋-N結(jié)構(gòu)就體現(xiàn)出了歐姆性的關(guān)系。半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.1.5N型砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體特性

N型砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體材料（或其它III-V族及II-VI族化合物，如磷化銦InP、碲化鎘CdTe、硒化鋅ZnSe等具有相似特性）在射頻和微波頻段獲得了廣泛應(yīng)用，可作為微波毫米波放大、振蕩等器件的核心，也是目前最廣泛采用的微波毫米波集成電路的基板材料。1.N型砷化鎵（GaAs）的能帶結(jié)構(gòu)

價(jià)帶禁帶導(dǎo)帶高能谷低能谷N型GaAs的能帶模型N型GaAs的能帶具有特殊結(jié)構(gòu)，在它的導(dǎo)帶中電子有兩種能量狀態(tài)，電子除了位于具有極小能量值的中心能谷外，還可以在子能谷中存在，子能谷的能量比中心能谷為高，稱為“高能谷”，相比較于子能谷，中心能谷稱為“低能谷”，稱為“雙谷結(jié)構(gòu)”。半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明：在300K時(shí)，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間的禁帶寬度約為1.43eV，

而導(dǎo)帶中高低能谷的能量差約為0.36eV；低能谷中的電子有效質(zhì)量約為，是電子的

重力質(zhì)量（），它的遷移率為：高能谷中的電子有效質(zhì)量約為，它的遷移率為高低能谷的能態(tài)密度差別極大，高能谷的能態(tài)密度是低能

谷的約60倍。半導(dǎo)體基礎(chǔ)“電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)”的一些特性：低能谷中的電子是“輕”電子及“快”電子，而高能谷中的電子

是“重”電子及“慢”電子；在室溫下（），電子的平均熱動(dòng)能為，

要遠(yuǎn)小于高低能谷的能量差，因而電子基本處于低能谷，只有

當(dāng)外加足夠高的電壓以產(chǎn)生足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，電子才可能

獲得足夠大的動(dòng)能躍遷到高能谷上去；由于禁帶寬度遠(yuǎn)大于高低能谷的能量差，故在電子躍遷過(guò)程

中一般不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿；由于高低能谷的能量差較小，在較低電壓下（一般小于10V）

就能使電子開始發(fā)生躍遷；低能谷中的電子在獲得足夠大的能量時(shí)可以全部躍遷到高能

谷中去，同時(shí)也保證了處在高能谷中的電子，在能量未減小

時(shí)反躍遷回低能谷的概率很小。半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.N型砷化鎵的速度-電場(chǎng)特性和特性（1)電子平均漂移速度為：相應(yīng)的電流密度為：（2)當(dāng)外加電壓繼續(xù)增大，材料內(nèi)電場(chǎng)也不斷加強(qiáng)，將有一部分電子從電場(chǎng)獲得大于0.36eV的能量，開始由低能谷向高能谷轉(zhuǎn)移，從快電子變成慢電子，直到電場(chǎng)足夠高使電子全部躍遷到高能谷中時(shí)為止。N型GaAs的速度電場(chǎng)特性N型GaAs的電壓電流特性半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)在峰點(diǎn)和谷點(diǎn)間的這段曲線上任一點(diǎn)的斜率均為負(fù)值：負(fù)微分遷移率段：材料的微分電導(dǎo)率：半導(dǎo)體基礎(chǔ)N型GaAs的速度電場(chǎng)特性N型GaAs的電壓電流特性半導(dǎo)體基礎(chǔ)（3)當(dāng)電場(chǎng)大于時(shí)，低能谷中的電子已經(jīng)全部轉(zhuǎn)移到高能谷：可見(jiàn)電子平均漂移速度及電流密度又與外加電場(chǎng)呈線性正比關(guān)系。電場(chǎng)