04-微波有源器件.pdf

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“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 I F 。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有随偏压变化的势垒电阻 R j ,由半导体材料体电阻与接触电阻组合的串联电阻 R series ,势垒电容, 即结电容 C j ,引线电感 L s 和封装电容 C p ,如图 2-3 。图 2-2 肖特基势垒二极管 C p 图 2-3 肖特基势垒二极管等效电路 4 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 I sat 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 I sat 值。当 V=V B 时,反向电流迅速增长, V B 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( DMB )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。?? 1 ?? V sat e I i ? 40 1 ??肖特基势垒二极管的伏- 安特性 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 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 6 甘氏二极管结构及等效电路 R—负阻; R s —体及接触电阻; C j —等效电容; L s —封装电感; C p —封装电容有源工作区( Active region )通常为 6- 8 ? m 长, N + 区域厚度 1-2 ? m ,是欧姆型材料,电阻率很低( ?-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 KT 0 ? 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