微波電子線路第二章(中)課件

肖特基勢壘二極管點接觸二極管和肖特基表面勢壘二極管（簡稱肖特基勢壘二極管）

后者性能優(yōu)于前者，原因是：點接觸管表面不易清潔，針點壓力會造成半導(dǎo)體表面畸變，

因而其接觸勢壘不是理想的肖特基勢壘，受到機械震動時還

會產(chǎn)生顫抖噪聲。但面結(jié)合型管子金半接觸界面比較平整，

不暴露而較易清潔，其接觸勢壘幾乎是理想的肖特基勢壘。不同的點接觸管子生產(chǎn)時壓接壓力不同，使肖特基結(jié)的直徑

不同，因此性能一致性差，可靠性也差。但面結(jié)合型管子由

于采用平面工藝，因此管子性能穩(wěn)定、一致性好、不易損壞。點接觸型和面結(jié)合型二極管的典型封裝結(jié)構(gòu)可采用‘炮彈式’、

同軸式、微帶式等。肖特基勢壘二極管還有其它一些變形：如將點

接觸和平面工藝優(yōu)點結(jié)合起來的觸須式肖特基勢壘二極管，取消管

殼、靠加厚的引線來支撐的梁式引線肖特基勢壘二極管等。肖特基勢壘二極管點接觸二極管和肖特基表面勢壘二極管（簡稱肖特肖特基勢壘二極管2.2.2等效電路稱為二極管的非線性結(jié)電阻，是阻性二極管的核心等效元件。隨著加于二極管上的偏壓改變，正向時約為幾個歐姆，反向時可達兆歐量級。肖特基勢壘二極管等效電路稱為二極管的非線性結(jié)電容，由于金半結(jié)管子不存在擴散電容，故這一電容就是金半結(jié)的勢壘電容，其數(shù)值在百分之幾到一個皮法（pF）之間。稱為半導(dǎo)體的體電阻，又叫串聯(lián)電阻。點接觸型管子的值約在十到幾十歐姆，而面結(jié)合型管子的值約為幾歐姆。引線電感，約為一至幾個納亨。管殼電容，約為幾分之一皮法。肖特基二極管電路符號肖特基勢壘二極管2.2.2等效電路稱為二極管的肖特基勢壘二極管2.2.3伏安特性當(dāng)勢壘是理想的肖特基勢壘時，，當(dāng)勢壘不理想時，。對點接觸型管子來說，通常，而面結(jié)合型管子。肖特基勢壘二極管電壓電流特性0肖特基勢壘二極管2.2.3伏安特性當(dāng)勢壘是理想的肖特肖特基勢壘二極管二極管兩端的外加偏壓由兩部分構(gòu)成：直流偏壓和交流時變偏壓（可稱為本振電壓）,為：肖特基勢壘二極管時變電流波形00肖特基勢壘二極管二極管兩端的外加偏壓由兩部分構(gòu)成：直肖特基勢壘二極管定義二極管的時變電導(dǎo)為:肖特基勢壘二極管時變電導(dǎo)波形00表明當(dāng)交流偏壓隨時間作周期性變化時，瞬時電導(dǎo)也隨時間作周期性變化。肖特基勢壘二極管定義二極管的時變電導(dǎo)為:肖特基勢壘二極管時肖特基勢壘二極管直流分量和相應(yīng)于交流偏壓的各次諧波電流振幅系數(shù)為：交流偏壓激勵的基波電流振幅為：根據(jù)貝塞爾函數(shù)的大宗量近似式，當(dāng)較大時可求得:肖特基勢壘二極管直流分量和相應(yīng)于交流偏壓的各次諧波電流振幅系肖特基勢壘二極管交流偏壓功率為:二極管對交流偏壓源所呈現(xiàn)的電導(dǎo)為：2.2.4特性參量截止頻率當(dāng)外加電壓角頻率為，使得時，

高頻信號在上的損耗為3dB，二極管已經(jīng)不能良好工作。定義這時對應(yīng)的外加信號頻率為肖特

基勢壘二極管的截止頻率：肖特基勢壘二極管交流偏壓功率為:二極管對交流偏壓源所呈現(xiàn)肖特基勢壘二極管噪聲比噪聲比定義為二極管的噪聲功率與相同電阻熱噪聲功率的比值。肖特基勢壘二極管噪聲等效電路噪聲來源載流子的散粒噪聲串聯(lián)電阻的熱噪聲取決于表面情況的閃爍噪聲噪聲發(fā)生器的均方值為:噪聲發(fā)生器內(nèi)導(dǎo)為二極管小信號電導(dǎo)：肖特基勢壘二極管噪聲比噪聲比定義為二極管的噪散粒噪聲的資用功率為：等效電阻在室溫下的熱噪聲資用功率為，因此二極管的噪聲比為：當(dāng)二極管溫度時：由于對于理想肖特基勢壘，則?？紤]到其它各種因素，可認(rèn)為。實際上對于性能較好的管子，較差的可能達到。肖特基勢壘二極管散粒噪聲的資用功率為：等效電阻在室溫下的熱噪聲資用功率為2.3.1結(jié)構(gòu)由于PN結(jié)上空間電荷層的存在，將會出現(xiàn)結(jié)電容（主要是勢

壘電容），這部分結(jié)電容將隨著加于PN結(jié)上的外電壓改變，利用

這一特性構(gòu)造了變?nèi)荻O管。它可作為非線性可變電抗應(yīng)用，構(gòu)

成參量放大器、參量變頻器、參量倍頻器（諧波發(fā)生器）、可變

衰減或調(diào)制器等。

2.3變?nèi)荻O管

兩種PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)N+襯底N層氧化層金屬歐姆接觸金屬P層N+襯底N層氧化層金屬歐姆接觸金屬P層平面型結(jié)構(gòu)臺式型結(jié)構(gòu)2.3.1結(jié)構(gòu)由于PN結(jié)上空間電荷層的存在，將會是外加電壓的函數(shù)，在反偏壓下可達兆歐量級。變?nèi)荻O管2.3.2等效電路PN結(jié)二極管等效電路在零偏壓下，值約為0.1-1.0pF。引線電感，通常小于1nH。管殼電容，通常小于1pF。通常為1～5，也應(yīng)該是外加電壓的函數(shù)，由于其值很小，可近似認(rèn)為是常量。變?nèi)莨茈娐贩柺峭饧与妷旱暮瘮?shù)，在反偏壓下可達兆歐量級。變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管2.3.3特性重?fù)诫s突變P＋N結(jié)的勢壘電容可表示為：可認(rèn)為此電容即是結(jié)電容，對應(yīng)結(jié)上的電壓考慮到緩變結(jié)或其它一些特殊結(jié)類型，結(jié)電容值可統(tǒng)一表示為：m稱為結(jié)電容非線性系數(shù)，它的大小取決于半導(dǎo)體中摻雜濃度的分布狀態(tài)，反映了電容隨外加電壓變化的快慢。變?nèi)荻O管2.3.3特性重?fù)诫s突變P＋N結(jié)的勢壘電容可表變?nèi)荻O管對于突變P＋N結(jié)，，電容變化較快；對于線性緩變結(jié)，變?nèi)莨茈妷弘娙萏匦?管子一般工作于反偏狀態(tài)，反偏壓的絕

對值越大，結(jié)電容值越小。當(dāng)時，稱為超突變結(jié)，其電容在某一反偏壓范圍內(nèi)隨電壓變化很陡，一般可用于電調(diào)諧器件；當(dāng)時，由于結(jié)電容與偏壓平方成反比，由結(jié)電容構(gòu)成的調(diào)諧

回路的諧振頻率與偏壓成線性關(guān)系，有利于壓控振蕩器實現(xiàn)線性調(diào)頻。當(dāng)時，近似可認(rèn)為，結(jié)電容近似不變，稱

為階躍恢復(fù)結(jié)。變?nèi)荻O管對于突變P＋N結(jié)，，電容變變?nèi)荻O管變?nèi)莨艿墓ぷ麟妷合拗圃诤椭g，即：當(dāng)變?nèi)莨芡瑫r加上直流負(fù)偏壓和交流時變偏壓，即：為泵浦電壓時的工作狀態(tài)稱之為滿泵工作狀態(tài)或滿泵激勵狀態(tài)，稱為欠泵工作狀態(tài)會欠泵激勵狀態(tài)，稱為過泵工作狀態(tài)或過泵激勵狀態(tài)。變?nèi)荻O管變?nèi)莨艿墓ぷ麟妷合拗圃诤椭g，即：當(dāng)變?nèi)荻O管時變電容隨泵浦電壓周期變化波形00是周期為泵頻的周期函數(shù),可以用傅立葉級數(shù)展開為：變?nèi)荻O管時變電容隨泵浦電壓周期變化波形00是周期為泵頻變?nèi)荻O管稱為基波電容，它是基波幅度的一半;稱為n次諧波電容調(diào)制系數(shù)、參量激勵系數(shù)或泵浦系數(shù)，是表示變?nèi)莨茉诮涣骷钕路蔷€性特性的一個重要參量。求得和

曲線01.61.01.0突變結(jié)線性結(jié)曲線00.501.0突變結(jié)線性結(jié)變?nèi)荻O管稱為基波電容，它是基波幅度的一半;稱為n次諧波電變?nèi)荻O管分析變?nèi)莨芴匦詴r，有時也使用“倒電容”來表征特性：靜態(tài)工作點倒電容：變?nèi)荻O管分析變?nèi)莨芴匦詴r，有時也使用“倒電容”來變?nèi)荻O管2.3.4特性參量表征變?nèi)莨芴匦缘奶匦詤⒘砍饲懊嬉呀?jīng)介紹過的相對泵幅、電容（電彈）調(diào)制系數(shù)等以外，還有靜態(tài)品質(zhì)因數(shù)和截止頻率，以及動態(tài)品質(zhì)因數(shù)和截止頻率。靜態(tài)品質(zhì)因素它表征變?nèi)莨軆Υ娼涣髂芰颗c消耗能量之比，越高說明管子損耗越小。當(dāng)偏壓一定時，結(jié)電容值一定，工作頻率越高，就越低。變?nèi)荻O管2.3.4特性參量表征變?nèi)莨芴匦缘奶匦宰內(nèi)荻O管靜態(tài)截止頻率定義當(dāng)頻率升高使得的頻率為變?nèi)莨茉谥绷髌珘合碌慕刂诡l率上述兩個參量是當(dāng)變?nèi)莨軆H有直流偏壓作用時性能的表征，故稱為靜態(tài)參量。由于結(jié)電容是偏壓的函數(shù)，因此一般以零偏壓時的

及作為比較管子的參數(shù)指標(biāo)。另外一般規(guī)定在反向擊穿電壓時的截止頻率為額定截止頻率：變?nèi)荻O管靜態(tài)截止頻率定義當(dāng)頻率升高使得動態(tài)品質(zhì)因數(shù)下面兩個參量是在直流偏壓和交流泵浦共同作用下變?nèi)莨芴匦缘谋碚?，稱為動態(tài)參量。變?nèi)荻O管動態(tài)截止頻率和是在直流偏壓和交流泵浦共同作用下變?nèi)莨茈娙莸淖钚『妥畲笾怠討B(tài)品質(zhì)因數(shù)下面兩個參量是在直流偏壓和交流泵浦共階躍恢復(fù)二極管，簡稱為階躍管（SRD）。利用階躍管由導(dǎo)通恢復(fù)到截止的電流突變可以構(gòu)成窄脈沖輸出，也可以利用其豐富諧波作為梳狀頻譜發(fā)生器或高次倍頻器。本節(jié)將介紹階躍恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理及特性參量和等效電路。2.4階躍恢復(fù)二極管

2.4.1結(jié)構(gòu)階躍管管芯結(jié)構(gòu)與摻雜濃度分布N+層N層（I層）金屬歐姆接觸金屬P+層氧化層P+

NN+101910151019階躍恢復(fù)二極管，簡稱為階躍管（SRD）。利用階躍管由2.4.2工作原理及特性參量

階躍恢復(fù)二極管1.階躍管特性階躍管電壓電容特性0結(jié)電容在反偏時近似不變，這種PN結(jié)稱為階躍恢復(fù)結(jié)，階躍管正是利用了階躍恢復(fù)結(jié)的特征，使得階躍管在反偏時近似為一個不變的小電容（處于高阻狀態(tài)，近似開路）。當(dāng)其處在正偏時，P＋區(qū)擴散到N層的空穴由于N層的摻雜濃度低而復(fù)合率低，NN+結(jié)由于濃度不同形成的內(nèi)建電場由N+

指向N方向，阻止空穴向N+層擴散，因而在N層中儲存了大量的電荷，形成了較大的擴散電容（處于低阻狀態(tài)，近似短路）。相當(dāng)于一個電容開關(guān)，也被稱為電荷儲存二極管。2.4.2工作原理及特性參量階躍恢復(fù)二極管1.階躍階躍恢復(fù)二極管2.工作原理在大信號交流電壓激勵下，正是由于階躍管在正偏下有大量的電荷儲存，使得它實際上電容的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換并不發(fā)生在外電壓由正半周到負(fù)半周的轉(zhuǎn)變時刻。（1）大信號交流電壓正半周加在階躍管上（2）信號電壓進入負(fù)半周（3）大信號交流激勵電壓的下一個周期來臨后正弦電壓激勵下階躍管的電流、電壓波形000階躍恢復(fù)二極管2.工作原理在大信號交流電壓激勵下階躍恢復(fù)二極管3.與混頻、檢波或高速開關(guān)二極管的對比對混頻、檢波或高速開關(guān)二極管來說，其整流特性要求注入少子的壽命要遠小于信號周期。當(dāng)加在二極管上的正向電壓逐漸減小時，少子濃度將逐漸減小，注入的少子也將很快復(fù)合掉，所以當(dāng)電壓從正向轉(zhuǎn)為反向時，幾乎已沒有多少剩余的尚未來得及復(fù)合的存儲少子，因此只形成很小的反向飽和電流，其開關(guān)特性轉(zhuǎn)換幾乎發(fā)生在偏壓由正向轉(zhuǎn)向反向的同時。由于采取了措施增大了階躍管的少子壽命，這時少子的復(fù)合速度跟不上交流電壓的變化，當(dāng)電壓從正向轉(zhuǎn)為反向時，正向注入的儲存電荷遠未復(fù)合完，由勢壘區(qū)的電場把剩余的儲存少子“吸出”，由此形成較大的反向電流，直到儲存電荷基本耗盡，反向電流才陡降為反向飽和電流。

階躍管在交流負(fù)半周的相當(dāng)一段時間內(nèi)，仍然處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，使其高頻整流作用失效。管子“導(dǎo)通”與“截止”兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時刻不再是外加電壓從正變負(fù)的時刻，而是在管子儲存電荷基本清除完的時刻。

階躍恢復(fù)二極管3.與混頻、檢波或高速開關(guān)二極管的對比階躍恢復(fù)二極管正弦電壓激勵下階躍管與檢波管的比較000階躍管檢波管階躍恢復(fù)二極管正弦電壓激勵下階躍管與檢波管的比較000階躍管階躍恢復(fù)二極管4.特性參量階躍管的特性參量主要有少數(shù)載流子壽命、儲存時間、階躍時間、反向擊穿電壓、截止頻率、反偏結(jié)電容、品質(zhì)因數(shù)和最大耗散功率等。其中對階躍管工作有特殊意義的是少數(shù)載流子壽命與儲存時間和階躍時間。（1）少數(shù)載流子壽命與儲存時間少數(shù)載流子壽命表示少數(shù)載流子由于復(fù)合而減少到原值的所需的時間。的值越大，意味著儲存電荷越多，反向電流的幅值就越大。儲存時間表示存儲電荷清除過程所需的時間，即從電流由正向跳變到反向開始，直到二極管儲存電荷大部分被清除，二極管上電壓為零止的時間。顯然越長，越大。階躍恢復(fù)二極管4.特性參量階躍管的特性參量主要階躍恢復(fù)二極管（2）階躍時間階躍時間全稱為階躍恢復(fù)時間，表示由反向?qū)顟B(tài)變到反向截止?fàn)顟B(tài)所需的過渡時間，工程上定義為反向電流由峰值的80％（或90％）或下降到峰值的20％（或10％）所需的時間。越小，電流階躍越陡，包含的高次諧波越豐富。理想階躍管的階躍時間應(yīng)有，但實際上只能達到幾十微微秒。由于階躍管采用了特殊結(jié)構(gòu)，可以使大量儲存電荷有效地壓縮在很薄地N層范圍內(nèi)，這樣即加大了少數(shù)載流子壽命，又減小了階躍時間，使階躍管工作特性良好。但很薄的N層又使階躍管的反向擊穿電壓降低，功率容量變小。階躍恢復(fù)二極管（2）階躍時間階躍時間全稱為階躍恢復(fù)階躍恢復(fù)二極管2.4.3等效電路

階躍管等效電路導(dǎo)通期間截止期間階躍管電路符號階躍恢復(fù)二極管2.4.3等效電路階躍管等效電路導(dǎo)通期PIN二極管是一種在微波控制電路中應(yīng)用非常廣泛的器件，具有體積小、重量輕、控制快、損耗小、控制功率大等優(yōu)點，適用于微波開關(guān)、限幅器、可變衰減器、移相器等電路。本節(jié)介紹PIN二極管的結(jié)構(gòu)、特性和工作原理。2.5PIN二極管2.5.1結(jié)構(gòu)PIN二極管的結(jié)構(gòu)是在重?fù)诫s的P+和N+區(qū)之間加入一個未摻雜的本征層I層構(gòu)成的。實際上不可能真正實現(xiàn)I層，只能使雜質(zhì)含量足夠低。中間層是低摻雜的P型半導(dǎo)體，稱為PN管中間層是低摻雜的N型半導(dǎo)體，稱為PN管

PIN管空間電荷區(qū)P＋區(qū)I區(qū)N＋區(qū)PIN二極管是一種在微波控制電路中應(yīng)用非常廣泛的器件PIN二極管PIN管管芯結(jié)構(gòu)N＋層I層氧化層金屬歐姆接觸金屬P＋層N＋層I層氧化層金屬歐姆接觸金屬P＋層平面型結(jié)構(gòu)臺式型結(jié)構(gòu)2.5.2特性

由于擴散作用，空穴和電子分別向I層擴散，然后在I層由于復(fù)合作用而消失。同時，在P層和N層靠近I層的邊界，分別建立起帶負(fù)電和帶正電的空間電荷層(耗盡層和接觸勢壘），其電場阻擋空穴和電子繼續(xù)向I層注入。因此I層保持本征不導(dǎo)電狀態(tài)，PIN管不能導(dǎo)通，處于高阻狀態(tài)。1．直流與低頻特性（1）零偏壓下PIN二極管PIN管管芯結(jié)構(gòu)N＋層I層氧化層金屬歐姆接觸金屬PIN二極管（2）PIN管加正向偏壓外加電場方向與勢壘電場方向相反，勢壘高度將降低，空間電荷

層變薄，因而P層和N層的空穴和電子將向I層注入，并在I層中因復(fù)合

而消失。I層存在大量的數(shù)量相等而符號相反的載流子，出現(xiàn)了“等離子體

狀態(tài)”，也就是導(dǎo)電狀態(tài)，因此宏觀上電流川流不息地流過PIN管，

PIN管呈現(xiàn)低阻。外加電壓越大，正向電流也越大，電阻是降低的。（3）PIN管加上反向偏壓外加電場方向與勢壘電場方向相同，勢壘升高，空間電荷層

變寬，其不導(dǎo)電程度比零偏壓更甚。如果偏壓是低頻的交變電壓，只要滿足交變電壓周期，I層

的導(dǎo)電狀態(tài)完全能夠跟隨信號周期的變化：正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止。PIN二極管（2）PIN管加正向偏壓外加電場方向與勢PIN二極管PIN管與PN結(jié)二極管的特性比較：在直流和低頻偏壓下，PIN管同樣具有整流特性，這一點與PN結(jié)

變?nèi)莨芟嗤?。由于在P層和N層之間插入了一層未摻雜的I層，其耗盡層寬度

加寬了，因此PIN管具有更小的結(jié)電容，并能承受更高的反向擊穿

電壓，可處理更大的功率；在反偏壓達到一定程度時，I層完全處于耗盡狀態(tài)，結(jié)電容相

當(dāng)于以P+和N+層為極板的平板電容，由于極板間距不會隨反偏壓

增大而再增大了，PIN管可看作是一個恒定電容器件。PIN二極管PIN管與PN結(jié)二極管的特性比較：在直PIN二極管當(dāng)一個PIN管處在直流（或低頻）電壓與微波電壓共同作用下

時，其特性將發(fā)生顯著的改變。由于此時微波信號周期，PIN管I層的導(dǎo)電狀態(tài)已經(jīng)來不及跟隨微波信號正負(fù)變化了。2．微波特性（1）PIN管處在直流（或低頻）正向偏壓下大幅度微波信號：①在微波信號正半周期間，加在PIN管上的總偏壓處于正向狀態(tài)，這時PIN管是導(dǎo)通和低阻的，大幅度的微波電流將流過PIN管。微波信號頻率為：PIN二極管當(dāng)一個PIN管處在直流（或低頻）電壓與微PIN二極管②當(dāng)微波信號負(fù)半