器件物理(1-2)

1、1半導(dǎo)體器件物理哈爾濱工業(yè)大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)系劉曉為 陳偉平()2課程安排 內(nèi)容內(nèi)容（24學(xué)時）第一章 器件工作的基本方程1h第二章 特種二極管（變?nèi)荻O管、PIN二極管、隧道二極管、雪崩二極管）7h第三章 電荷耦合器件（CCD) 4h第四章 太陽電池2h第五章 電力電子器件（晶閘管、IGBT）10h 參考書參考書王家驊 等編著 半導(dǎo)體器件物理 科學(xué)出版社 1983（美）B. Jayant Baliga, 功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)，電子工業(yè)出版社，2013年2. （美）施敏 著 半導(dǎo)體器件與工藝 科學(xué)出版社 19923. （美）施敏 著 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 科學(xué)出版社 20014. 王志良 主編

2、電力電子新器件 國防出版社 1995 教學(xué)方式教學(xué)方式講授+討論（70%）；試驗（30%） 考試方式考試方式 （50%+20%）試驗（30%）3緒論緒論 - 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 基本器件基本器件P-N二極管(1949,Shockley)M-S結(jié)構(gòu)(1874,Braun)MIS/MOS結(jié)構(gòu)(1959,Moll) 晶體管晶體管雙極晶體管（雙極晶體管（1947，Bell）MOS場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)晶體管（1960，Kahng）：）：DRAM、P P、ROM、RAM、非揮發(fā)非揮發(fā)RAMSOI-FET、SET（1987，F(xiàn)ulton）JFET、MESFET（1966，Mead）、）、MODFET（19

3、69，Esaki） 負(fù)阻器件負(fù)阻器件隧道器件（隧道器件（1958，Esaki江崎）江崎）碰撞電離雪崩渡越世間二極管碰撞電離雪崩渡越世間二極管轉(zhuǎn)移電子器件（轉(zhuǎn)移電子器件（TED）（）（1963。Gunn）4半導(dǎo)體器件 基本器件基本器件 晶體管晶體管 負(fù)阻器件負(fù)阻器件 功率器件功率器件晶閘管（晶閘管（1950，Shockley）、）、IGBT（1979，Baliga）、）、SIT（1972，Nishizawa）VDMOS 光學(xué)器件光學(xué)器件LED、半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體激光器光電二極管和太陽能電池光電二極管和太陽能電池 傳感器傳感器溫度傳感器、磁傳感器、化學(xué)傳感器、微機械傳感器溫度傳感器、磁傳感器、化

4、學(xué)傳感器、微機械傳感器半導(dǎo)體器件材料的變化與發(fā)展半導(dǎo)體器件材料的變化與發(fā)展第一章第一章 半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體基本知識6 un：電子遷移率：電子遷移率 up：空穴遷移率：空穴遷移率 Jn：電子電流密度：電子電流密度 Jp: 空穴電流密度空穴電流密度 n：電子濃度：電子濃度 p：空穴濃度：空穴濃度總電流密度總電流密度J兩式相比可以得到半導(dǎo)體的電導(dǎo)率兩式相比可以得到半導(dǎo)體的電導(dǎo)率 8基本方程包括：麥克斯韋方程、電流密度方程、連續(xù)性方程基本方程包括：麥克斯韋方程、電流密度方程、連續(xù)性方程1、麥克斯韋方程、麥克斯韋方程對均勻各向同性材料有對均勻各向同性材料有 在靜態(tài)或低頻狀態(tài)下， s和。分別為介電率和導(dǎo)

5、磁率半導(dǎo)體工作的基本方程半導(dǎo)體工作的基本方程HBzyxDJJtDHtBEtotcond),(EDs92、電流密度方程、電流密度方程D和和分別為載流子的擴散系數(shù)和遷移率分別為載流子的擴散系數(shù)和遷移率3、連續(xù)性方程、連續(xù)性方程、G和和U分別為載流子壽命、產(chǎn)生率和復(fù)合率分別為載流子壽命、產(chǎn)生率和復(fù)合率qTkDJJJpqDEpqJnqDEnqJpncondpppnnn;222211注入情況下一維xpDxpExEpppGtpxnDxnExEnnnGtnJqUGtpJqUGtnnpnppnpnnppnpnnpnppnpppnnn。、小PN結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖101112第二章第二章 特種二極管特種二極管 2.

6、1變?nèi)荻O管（變?nèi)荻O管（Tuning Diode）利用利用p-n結(jié)電容隨外加電壓的非線性變化工作的半導(dǎo)體器件，結(jié)電容隨外加電壓的非線性變化工作的半導(dǎo)體器件，1958年年提出后，已制成提出后，已制成Ge、Si和和GaAs變?nèi)菸⒉ㄆ骷?，得到了廣泛的應(yīng)用：微變?nèi)菸⒉ㄆ骷?，得到了廣泛的應(yīng)用：微波開關(guān)、調(diào)制器；混頻器；壓控振蕩器和參量放大器。波開關(guān)、調(diào)制器；混頻器；壓控振蕩器和參量放大器。自動調(diào)諧收音機自動調(diào)諧收音機AFC系統(tǒng)系統(tǒng)13第二章第二章 特種二極管特種二極管 2.1.1 變?nèi)荻O管的電容變?nèi)荻O管的電容-電壓關(guān)系電壓關(guān)系理想變?nèi)荻O管要求損耗小一般利用理想變?nèi)荻O管要求損耗小一般利用p-n結(jié)

7、勢壘電結(jié)勢壘電容工作，工作區(qū)反偏（容工作，工作區(qū)反偏（0擊穿電壓）。擊穿電壓）。勢壘電容：勢壘電容：);exp()(02TkqVLpLnTkqAdVdQCpnnpD21)(2ADmmrBqNVVxxAC正向擴散電容：正向擴散電容：14變?nèi)荻O管的雜質(zhì)分布變?nèi)荻O管的雜質(zhì)分布p+-n結(jié)為例，低摻雜側(cè)結(jié)為例，低摻雜側(cè)雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度:N(x)=Bxm x 0, B為常數(shù)為常數(shù)m=1 線性緩變結(jié)線性緩變結(jié)m=0 單邊突變結(jié)單邊突變結(jié)m0 超突變結(jié)超突變結(jié) 15變?nèi)荻O管的雜質(zhì)分布變?nèi)荻O管的雜質(zhì)分布p+-n結(jié)為例，結(jié)為例，由泊松方程：由泊松方程：利用利用V(0)=0; V(W)=VD+Va 解出解出

8、：當(dāng)當(dāng)m=-3/2時，時，n=2 超突變結(jié)，變?nèi)荻O管的共振頻率超突變結(jié)，變?nèi)荻O管的共振頻率 rxqNdxVd)(22naDmaDmrmaDrVVVVmqBCmnqBVVmW)()(2()(21;)(2(21121令aDnaDrVVVVLCf221串聯(lián)電阻的影響使得超突變結(jié)并不是最好的雜質(zhì)分布。串聯(lián)電阻的影響使得超突變結(jié)并不是最好的雜質(zhì)分布。 162.1.2變?nèi)荻O管的結(jié)構(gòu)和參數(shù)變?nèi)荻O管的結(jié)構(gòu)和參數(shù)等效電路中等效電路中Rj 10M , C j 幾幾pF,因此簡化為因此簡化為Cj與與Rs的串聯(lián)的串聯(lián)1. 電容變化系數(shù)電容變化系數(shù)越大越好。越大越好。2. 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)存儲能量存儲能量/消耗

9、能量消耗能量微波頻段微波頻段Cj0為零偏結(jié)電容，為零偏結(jié)電容，RsQ Q=1時，時， 為零偏截止頻率為零偏截止頻率)(2minmaxminmaxCCCC021jsCfRQ0210jscCRf173. 串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻RS=Rp+Rn+RB+RC非外延變?nèi)莨埽悍峭庋幼內(nèi)莨埽篟SRB=（ B/4rm)F 10-50 外延變?nèi)莨埽和庋幼內(nèi)莨埽?RS 0.n-n 一般變?nèi)莨茈s質(zhì)分布如圖一般變?nèi)莨茈s質(zhì)分布如圖3.1.3 變?nèi)荻O管的設(shè)計變?nèi)荻O管的設(shè)計材料：遷移率大；介電常數(shù)小；材料：遷移率大；介電常數(shù)?。唤麕挾却?；雜質(zhì)電離能小；禁帶寬度大；雜質(zhì)電離能??；導(dǎo)熱率高。導(dǎo)熱率高。結(jié)構(gòu)：外延臺面管；臺面小；

10、摻雜高結(jié)構(gòu)：外延臺面管；臺面?。粨诫s高提高截止頻率。提高截止頻率。dxxARexxnn)(1218（1）臺面外延變?nèi)荻O管）臺面外延變?nèi)荻O管外延層外延層 電阻率電阻率外延層厚度外延層厚度擴散深度擴散深度mDcrNqf210210BcVf不同外延層厚度下零偏截止頻率與擊穿電不同外延層厚度下零偏截止頻率與擊穿電壓的關(guān)系圖見圖壓的關(guān)系圖見圖結(jié)論：零偏截止頻率，有低的結(jié)論：零偏截止頻率，有低的擊穿電壓擊穿電壓1920對于較小的擴散深度，電容接近于突變結(jié)情況；對于較大的擴散探底則接近于對于較小的擴散深度，電容接近于突變結(jié)情況；對于較大的擴散探底則接近于線性緩變結(jié)的情況。線性緩變結(jié)的情況。在電阻率一定，

11、串聯(lián)電阻隨結(jié)深的增加而迅速地減小，在結(jié)較淺時串電阻近似在電阻率一定，串聯(lián)電阻隨結(jié)深的增加而迅速地減小，在結(jié)較淺時串電阻近似正比于外延層電阻率，結(jié)深較深時串聯(lián)電阻與外延層電阻率的關(guān)系則減弱，重正比于外延層電阻率，結(jié)深較深時串聯(lián)電阻與外延層電阻率的關(guān)系則減弱，重達擴散時串聯(lián)電阻就變得與外延層電阻率無關(guān)。達擴散時串聯(lián)電阻就變得與外延層電阻率無關(guān)。所以變?nèi)荻O管偏壓截止頻率隨結(jié)深的增加而增加所以變?nèi)荻O管偏壓截止頻率隨結(jié)深的增加而增加212.2 PIN二極管二極管PIN二極管：在二極管：在p型區(qū)和型區(qū)和n型區(qū)之間加入本征層（型區(qū)之間加入本征層（10-200 m）I層一般為高阻區(qū)（高阻層一般為高阻區(qū)（高

12、阻p型稱為型稱為P N；高阻高阻n型稱為型稱為P N）用途：大功率微波開關(guān)（速度用途：大功率微波開關(guān)（速度W/2v）、）、微波可變衰減器（電阻控制）微波可變衰減器（電阻控制）大功率整流器、光電器件等大功率整流器、光電器件等22 PIN二極管的能帶、電荷及電場分布（以長二極管的能帶、電荷及電場分布（以長I區(qū)為例）區(qū)為例）結(jié)構(gòu)相當(dāng)于：結(jié)構(gòu)相當(dāng)于：I區(qū)電阻區(qū)電阻+PI突變結(jié)突變結(jié)+IN突變結(jié)突變結(jié)正向工作：正向工作：兩個結(jié)正向?qū)ㄏ騼蓚€結(jié)正向?qū)ㄏ騃區(qū)注入電荷電荷；區(qū)注入電荷電荷；I區(qū)電阻受到調(diào)制。區(qū)電阻受到調(diào)制。2.2.1 PIN二極管的定性分析二極管的定性分析23 外電壓的影響外電壓的影響 等效

13、電路等效電路RS為接觸電阻；為接觸電阻；RJ，CJ為為PI和和IN二極管結(jié)二極管結(jié)電阻和電容；電阻和電容；CD為擴散電容（高頻忽略）；為擴散電容（高頻忽略）；RI（正向電荷控制）正向電荷控制）CI（未耗盡部分未耗盡部分I區(qū)）區(qū)）242.2.2 正偏正偏I區(qū)電阻區(qū)電阻一維情況下，設(shè)：一維情況下，設(shè)：I層層 ， 恒定；恒定；電子和空穴電子和空穴 ， 相同；相同；I層層n(x)=p(-x)，即電中性即電中性PI只有空穴電流、只有空穴電流、NI只有電子電流。只有電子電流。I區(qū)中：區(qū)中：)4()3()2(1) 1 (1dxdpqDpEqJdxdnqDnEqJJqnptpJqnntnpnpini252.2

14、.2 正偏正偏I區(qū)電阻區(qū)電阻I區(qū)正偏時，區(qū)正偏時，E 0，p,nni，穩(wěn)態(tài)：穩(wěn)態(tài)：n,p與與t無關(guān)，令無關(guān)，令方程簡化為：方程簡化為： 方程解與邊界條件：方程解與邊界條件： 解得：解得：)6(0)5(0222222LpdxpdLndxnd)2()(,20)(, 0)()()7()exp()exp()(21WnxnWxdxxdnxxpxnLxCLxCxndxdnqDAWJILWqDAshLxLchIxpxnnFF2)2()8()2(2)()()( DL26由（由（8）作圖可見）作圖可見W越小，越小， 越大，越大，載流子濃度越平坦。載流子濃度越平坦。 （x)=2q n(x), I區(qū)電阻：區(qū)電阻：帶

15、入n(x)得到：當(dāng)WL時，可見可見RF 1/IF受到電流受到電流IF的調(diào)制的調(diào)制;LWLWFxdxAR)(1)2()2(21LWshtgLWshqIkTRFFFFIWR22272.2.3反偏電阻：反偏電阻： 、電容和擊穿電壓、電容和擊穿電壓反偏電阻：反偏電阻：反偏下，反偏下，I區(qū)為耗盡區(qū)，但從區(qū)為耗盡區(qū)，但從0偏到反偏有一個偏到反偏有一個I區(qū)串聯(lián)電區(qū)串聯(lián)電阻降低為近似阻降低為近似0的過程。因此曲線有相應(yīng)的變化。的過程。因此曲線有相應(yīng)的變化。電容和擊穿電壓電容和擊穿電壓電容：反偏下，電容：反偏下，PIN二極管為平行板電容二極管為平行板電容CJ= . rA/W擊穿電壓：擊穿電壓：VB EmW因為因

16、為I區(qū)為本征材料，區(qū)為本征材料，Em很高，且很高，且W也也可較大，所以可較大，所以PIN二極管可以達到高擊二極管可以達到高擊穿電壓。穿電壓。PIN二極管作為微波開關(guān)應(yīng)用時要求二極管作為微波開關(guān)應(yīng)用時要求Ron小，小，Roff大。大。反向阻抗：反向阻抗：RS+CJ的串聯(lián)的串聯(lián)Roff=RS+1/(CJ )= RS+W/( . rA)， -1要提高要提高Roff，應(yīng)增加應(yīng)增加W和和 282.2.4 PIN二極管的開關(guān)時間二極管的開關(guān)時間PIN二極管相當(dāng)于電容器：正向?qū)ù鎯﹄姾?，反向釋放電荷達到截止?fàn)顟B(tài)。二極管相當(dāng)于電容器：正向?qū)ù鎯﹄姾?，反向釋放電荷達到截止?fàn)顟B(tài)。開關(guān)時間主要取決于反向恢復(fù)時間

17、：減少存儲電荷將增加通態(tài)電阻，只能減少電開關(guān)時間主要取決于反向恢復(fù)時間：減少存儲電荷將增加通態(tài)電阻，只能減少電荷的抽取時間。荷的抽取時間。關(guān)斷時：關(guān)斷時：極端情況：極端情況：IR=0, 可見減小壽命可減小關(guān)斷時間；可見減小壽命可減小關(guān)斷時間；忽略復(fù)合：忽略復(fù)合：IR大，可有效減小關(guān)斷時間，實際上一般采用大反向脈沖電流的措施大，可有效減小關(guān)斷時間，實際上一般采用大反向脈沖電流的措施。RItQdtdQ)()exp()()(tQtQtQdtdQ解出：RFRRRIIIQtttQQtItQQQtIdtdQ間，則為全部抽完電荷所用時，則令0)()(, 0292.3 隧道二極管隧道二極管1957年江崎鈴實驗

18、發(fā)現(xiàn)在重?fù)诫s年江崎鈴實驗發(fā)現(xiàn)在重?fù)诫sp-n結(jié)正向特性中的負(fù)阻現(xiàn)象，結(jié)正向特性中的負(fù)阻現(xiàn)象，1958年用量子隧穿理論解釋了這種反常現(xiàn)象。隧道二極管具有超高速、年用量子隧穿理論解釋了這種反?，F(xiàn)象。隧道二極管具有超高速、低噪聲特點，在小功率微波放大、開關(guān)、振蕩和頻率鎖定電路中應(yīng)低噪聲特點，在小功率微波放大、開關(guān)、振蕩和頻率鎖定電路中應(yīng)用。用。2.3.1 隧道二極管的定性分析隧道二極管的定性分析由重?fù)诫s（簡并）的由重?fù)诫s（簡并）的p+和和n+ 區(qū)組成的二極管，區(qū)組成的二極管，Vp和和Vn為數(shù)為數(shù)kT; Xd100 30摻雜濃度摻雜濃度1019-1020/cm3。下圖定性說明隧道二極管電流電壓特性。下圖

19、定性說明隧道二極管電流電壓特性。31直接隧穿（直接帶隙半導(dǎo)體），間接隧穿（間接帶隙半導(dǎo)體）直接隧穿（直接帶隙半導(dǎo)體），間接隧穿（間接帶隙半導(dǎo)體）由于動量守恒要求，間接隧穿要有聲子輔助，因此，直接隧穿幾率由于動量守恒要求，間接隧穿要有聲子輔助，因此，直接隧穿幾率大于間接隧穿。大于間接隧穿。322.3.2 隧道幾率和隧道電流隧道幾率和隧道電流1. 隧道幾率隧道幾率由量子力學(xué)的由量子力學(xué)的WKB（文策耳文策耳-克萊默克萊默-布里淵法）近似，隧穿幾率布里淵法）近似，隧穿幾率可見可見P取決于取決于Eg和和x摻雜濃度。摻雜濃度。 K=1.33 K=2.0 K=1.59dxExVmPXX2/1212/1)(

20、)*2(2exp)/2(exp2/12xhmEKPg332.隧道電流隧道電流假設(shè)：假設(shè)：1）小電壓下，）小電壓下，P為常數(shù)；為常數(shù)；2）狀態(tài)密度函數(shù)）狀態(tài)密度函數(shù)（E-EC)1/2和和(EV-E)1/2;3）qVn和和qVp2kT；分布函數(shù)線性近似分布函數(shù)線性近似正向隧道電流正向隧道電流2.3.3 過量電流過量電流VVp+Vn，隧道電流應(yīng)為隧道電流應(yīng)為0過量電流：谷電流過量電流：谷電流+指數(shù)過量電流指數(shù)過量電流2)(VqVqVkTqVPAIIIpnCVVC34谷電流：重?fù)诫s半導(dǎo)體的帶尾效應(yīng)，造成禁帶變窄，從而導(dǎo)致勢壘谷電流：重?fù)诫s半導(dǎo)體的帶尾效應(yīng)，造成禁帶變窄，從而導(dǎo)致勢壘變窄，隧道電流加強。

21、對隧道二極管，重?fù)诫s是必要條件，因此谷變窄，隧道電流加強。對隧道二極管，重?fù)诫s是必要條件，因此谷電流不可避免。電流不可避免。35指數(shù)過量電流：載流子通過禁帶中的能級發(fā)生的隧道效應(yīng)電流，這指數(shù)過量電流：載流子通過禁帶中的能級發(fā)生的隧道效應(yīng)電流，這種隧道電流種隧道電流Ix隨隨V電壓指數(shù)上升。電壓指數(shù)上升。)(exppngxxxVVqqVEADI362.3.4 等效電路等效電路等效電路如圖所示，等效電路如圖所示，RS為串聯(lián)電阻包括歐姆接觸、引線和材料的擴展為串聯(lián)電阻包括歐姆接觸、引線和材料的擴展電阻；電阻；LS為串聯(lián)電阻電感；為串聯(lián)電阻電感；C為突變結(jié)電容。負(fù)阻區(qū)開始點的斜率為為突變結(jié)電容。負(fù)阻區(qū)開

22、始點的斜率為最小負(fù)阻，近似為：最小負(fù)阻，近似為：Rmin2Vp/Ip)ln(2303. 212rrlLs37隧道二極管阻抗：隧道二極管阻抗：令電阻部分為令電阻部分為0，得電阻截止頻率，得電阻截止頻率令電抗部分等于令電抗部分等于0，得電抗截止頻率，得電抗截止頻率)()1(-1-)1(1122222221RCRCLjRCRRRjCRjLRjCRjLRZssssssin121RrRRCfr2)(1121RCCLfzs382.3.5 反向二極管反向二極管 當(dāng)當(dāng)p區(qū)和區(qū)和n區(qū)摻雜濃度達到弱簡并狀態(tài)，但費米能級區(qū)摻雜濃度達到弱簡并狀態(tài)，但費米能級未進入導(dǎo)帶或價帶。能帶如下圖所示：未進入導(dǎo)帶或價帶。能帶如下

23、圖所示：39但因高摻雜效應(yīng)使得勢壘區(qū)寬度但因高摻雜效應(yīng)使得勢壘區(qū)寬度Xd很小，正向特性無隧道電流發(fā)射很小，正向特性無隧道電流發(fā)射條件，無負(fù)阻或很小負(fù)阻效應(yīng)；反向特性因薄勢壘，存在很大隧道條件，無負(fù)阻或很小負(fù)阻效應(yīng)；反向特性因薄勢壘，存在很大隧道電流。電流。問題：為什么圖（問題：為什么圖（b）存在正向負(fù)阻現(xiàn)象？存在正向負(fù)阻現(xiàn)象？反向二極管，在零偏附近特性曲線有較大的曲率，比點接觸二極管反向二極管，在零偏附近特性曲線有較大的曲率，比點接觸二極管檢波和混頻特性更好，常用于小信號微波檢波和混頻。檢波和混頻特性更好，常用于小信號微波檢波和混頻。402.3.6 負(fù)阻概念負(fù)阻概念普通電阻普通電阻: R=V/

24、I 電壓與電流同相，電壓與電流同相，R0，為正阻。為正阻。電阻消耗的能量電阻消耗的能量P=I2R P0，為耗能元件。為耗能元件。負(fù)阻負(fù)阻R負(fù)負(fù): R負(fù)負(fù)=-V/I=-R 電壓與電流反相，電壓與電流反相，R負(fù)負(fù)0，為負(fù)阻。，為負(fù)阻。負(fù)阻消耗的能量負(fù)阻消耗的能量P負(fù)負(fù)=-I2R P負(fù)負(fù)0，為能量供給元件。，為能量供給元件。41正阻包括非線性電阻，電流隨電壓的增加而增加；正阻包括非線性電阻，電流隨電壓的增加而增加；而負(fù)阻特性電壓增加，電流減小。而負(fù)阻特性電壓增加，電流減小。負(fù)阻的作用：負(fù)阻的作用：交流振蕩：如圖所示，交流振蕩：如圖所示，i(t)與與v(t)反相，直流能量反相，直流能量I0V0i(t)

25、v(t)交流振蕩；交流振蕩；交流放大：交流放大：若若RRL，則則Av1，產(chǎn)生放大。產(chǎn)生放大。 LLLLRRRRRvvAv11422.4 崩越二極管崩越二極管IMPATTD(IMPact Avalanche Transit Time Diode) 雪崩二極管利用雪崩二極管利用p-n結(jié)的雪崩倍增和載流子的渡越效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)阻結(jié)的雪崩倍增和載流子的渡越效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)，能夠產(chǎn)生微波震蕩，雪崩二極管主要用于大功率微波振蕩器。效應(yīng)，能夠產(chǎn)生微波震蕩，雪崩二極管主要用于大功率微波振蕩器。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)電路簡單、輸出功率大、效率高、高頻特性好。缺點是優(yōu)點是結(jié)構(gòu)電路簡單、輸出功率大、效率高、高頻特性好。缺點是噪聲大，

26、電壓高。噪聲大，電壓高。1958年年 Read 提出提出N+-P-I-P+結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生微波震蕩；結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生微波震蕩；1965年年 Johnston觀察到觀察到p-n結(jié)的微波震蕩效應(yīng)；同年結(jié)的微波震蕩效應(yīng)；同年Lee制成了制成了Read二極管；二極管；1966年年 Misawa證明任何雜質(zhì)分布的證明任何雜質(zhì)分布的p-n結(jié)都可產(chǎn)生碰撞電離、雪崩結(jié)都可產(chǎn)生碰撞電離、雪崩渡越時間決定的微波震蕩；渡越時間決定的微波震蕩；1967年年P(guān)rager和和K. N. Chang 發(fā)現(xiàn)了俘越模式的雪崩二極管。發(fā)現(xiàn)了俘越模式的雪崩二極管。雪崩二極管采用雪崩二極管采用Si、Ge和和GaAs制作。制作。43 碰撞電離碰撞

27、電離 雪崩倍增雪崩倍增 雪崩倍增因子雪崩倍增因子 雪崩倍增條件雪崩倍增條件2.4.1 雪崩倍增雪崩倍增442.4.3 崩越振蕩機理崩越振蕩機理以以Read二極管（二極管（ N+PIP+ ）為例，負(fù)阻特性是由于雪崩倍增過程和載）為例，負(fù)阻特性是由于雪崩倍增過程和載流子的渡越時間所造成的電流和電壓的相移而產(chǎn)生的。流子的渡越時間所造成的電流和電壓的相移而產(chǎn)生的。假設(shè)：載流子的電離率相等假設(shè)：載流子的電離率相等n=p=，發(fā)生雪崩擊穿，發(fā)生雪崩擊穿，雪崩區(qū)雪崩區(qū)0 xA：臨界直流電壓臨界直流電壓VD+射頻電壓射頻電壓v(t)， v(t)正半周，雪崩擊穿；正半周，雪崩擊穿； v(t)負(fù)半周，雪崩停止。負(fù)半

28、周，雪崩停止。漂移區(qū)漂移區(qū)xAxA+W：雪崩產(chǎn)生的載流子進入漂移區(qū)以飽和速度通過漂移雪崩產(chǎn)生的載流子進入漂移區(qū)以飽和速度通過漂移區(qū)，渡越時間區(qū)，渡越時間=W/vd。95. 00dxAx45波形分析：波形分析：雪崩區(qū)：雪崩區(qū)：射頻電壓射頻電壓v正半周時，正半周時，0/2，N+P結(jié)開始發(fā)生擊穿，積累結(jié)開始發(fā)生擊穿，積累電子空穴對，形成電子空穴對，形成Ia ；/2 范圍，繼續(xù)雪崩過程積累電子空穴對，范圍，繼續(xù)雪崩過程積累電子空穴對，Ia增加；增加； 3 /2，雪崩擊穿結(jié)束，雪崩區(qū)積累的載流子（空穴）進雪崩擊穿結(jié)束，雪崩區(qū)積累的載流子（空穴）進入漂移區(qū)，入漂移區(qū)， Ia繼續(xù)存在，但不斷減??；繼續(xù)存在，

29、但不斷減?。?Ia 相對于相對于v落后落后/2相位，這相位，這就是雪崩區(qū)延遲。就是雪崩區(qū)延遲。漂移區(qū)：漂移區(qū)：漂移區(qū)電場低于擊穿臨界電場，載流子數(shù)量不變，以飽漂移區(qū)電場低于擊穿臨界電場，載流子數(shù)量不變，以飽和速度渡越通過漂移區(qū)。這個恒定的勻速空穴電荷流，將在外電路和速度渡越通過漂移區(qū)。這個恒定的勻速空穴電荷流，將在外電路產(chǎn)生脈沖電流產(chǎn)生脈沖電流Ic。設(shè)：設(shè)：x=0，雪崩倍增產(chǎn)生空穴電流雪崩倍增產(chǎn)生空穴電流 I0(t)流入漂移區(qū)，任意流入漂移區(qū)，任意點點x，t時刻的空穴電流時刻的空穴電流I(x, t)=I0(0, t-x/v)=I0(t-x/v)，則外電路電流則外電路電流ttWsWcdttIWd

30、xvxtIWdxtxIWI0000) (1)(1),(146其基波相對于其基波相對于Ia相位延遲了相位延遲了/2，上述分析中忽略了對相移上述分析中忽略了對相移無貢獻的外電路對無貢獻的外電路對N+P結(jié)勢壘的充電電流。結(jié)勢壘的充電電流。設(shè)設(shè)IaI的頻率為的頻率為f，Ic相對與相對與Ia落后的相位為落后的相位為（注入相位）（注入相位） 令令= /2，則有則有可見可見f與與W成反比成反比，上式確定的上式確定的f為漂移頻率。為漂移頻率。令渡越角為：令渡越角為： =， 0，出現(xiàn)負(fù)阻，出現(xiàn)負(fù)阻， = 時，時，負(fù)阻最大。負(fù)阻最大。svWf WvffvWss22或47雪崩二極管振蕩：雪崩二極管振蕩：器件結(jié)構(gòu)如圖

31、雪崩二極管，雪崩二極管置于微波諧振腔中，反偏到器件結(jié)構(gòu)如圖雪崩二極管，雪崩二極管置于微波諧振腔中，反偏到雪崩擊穿點附近，絕緣的活塞可以上下活動改變諧振頻率，使雪崩擊穿點附近，絕緣的活塞可以上下活動改變諧振頻率，使f=1/(2)時，能產(chǎn)生頻率為時，能產(chǎn)生頻率為f的微波振蕩，從耦合口輸出。的微波振蕩，從耦合口輸出。振蕩產(chǎn)生過程：自激振蕩、熱起伏、微擾等形成廣譜噪聲振蕩，頻振蕩產(chǎn)生過程：自激振蕩、熱起伏、微擾等形成廣譜噪聲振蕩，頻率為率為f的振蕩諧振加強形成射頻電壓輸出，負(fù)阻效應(yīng)隨振幅的增加而的振蕩諧振加強形成射頻電壓輸出，負(fù)阻效應(yīng)隨振幅的增加而減小，電源提供的能量等于腔體的消耗時，達到穩(wěn)定振蕩。減

32、小，電源提供的能量等于腔體的消耗時，達到穩(wěn)定振蕩。48（a）雪崩開始）雪崩開始（b）漂移開始）漂移開始（c）渡越期）渡越期（d）退出漂移區(qū)）退出漂移區(qū)能量轉(zhuǎn)換：能量轉(zhuǎn)換：直流電場將直流電場將能量注入或能量注入或轉(zhuǎn)換成交變轉(zhuǎn)換成交變電場。電場。49（1）P+NN+型：單邊突變（型：單邊突變（N+PP+型）微波震蕩、放大型）微波震蕩、放大（2）PIN型：型：大頻寬、高效、大頻寬、高效、脈沖應(yīng)用脈沖應(yīng)用（圖與（圖與Read二極管相似）二極管相似）（3）P+PNN+型：型：雙漂移型，雙漂移型，高效率、高功率高效率、高功率2.4.4 崩越二極管結(jié)構(gòu)崩越二極管結(jié)構(gòu)50（5） P+N1N2N+ ：高：高-低

33、結(jié)型，低噪聲（勢壘注入渡越時間二極管）低結(jié)型，低噪聲（勢壘注入渡越時間二極管）（6）P+N1-NN2-N+和和MN1N2N3型：低型：低-高高-低結(jié)型，高效率低結(jié)型，高效率512.4.5 崩越二極管的等效電路崩越二極管的等效電路 崩越二極管的等效電路出自其交流小信號分析崩越二極管的等效電路出自其交流小信號分析結(jié)果。過程繁雜（忽略）結(jié)果。過程繁雜（忽略）模型：模型：雪崩區(qū)等效電路52崩越二極管總阻抗崩越二極管總阻抗Z是雪崩區(qū)阻抗是雪崩區(qū)阻抗ZA、漂移區(qū)阻抗漂移區(qū)阻抗Zd和無源區(qū)電阻和無源區(qū)電阻RS之和。之和。當(dāng)當(dāng)/4時，上式簡化為時，上式簡化為C=A/W耗盡層電容耗盡層電容第一項為有源電阻，當(dāng)?shù)?/p>

34、一項為有源電阻，當(dāng)r時，為負(fù)阻。時，為負(fù)阻。 22s22r21sin1sin)2cos1)(11(21rAAddxWxCjRCZ11)1 (2)(22222rSrsACjRAvxWZSsrJ/20SsrJ/20SsrJ/20SsrJ/20 /20SsrJ53小渡越角崩越二極管的等效電路小渡越角崩越二極管的等效電路第三項是電抗性的，由等效電路圖可見第三項是電抗性的，由等效電路圖可見相當(dāng)于二極管電容與電感并聯(lián)的諧振電路。相當(dāng)于二極管電容與電感并聯(lián)的諧振電路。r 時，時， 0電感；電感；r時，時， 0電容。電容。)11(122rC)11(122rC54崩越二極管的交流導(dǎo)納崩越二極管的交流導(dǎo)納YG為導(dǎo)

35、納的實部；為導(dǎo)納的實部；B為導(dǎo)納的虛部。為導(dǎo)納的虛部。jBGVJZYA1552.4.6 崩越二極管的特性崩越二極管的特性 1. 崩越二極管的效率崩越二極管的效率定義：交流輸出功率定義：交流輸出功率Pa/直流功率直流功率Pd為崩越二極管的效率為崩越二極管的效率為注入相位延遲，為注入相位延遲，Si: m=1/2; GaAs: m=1對理想對理想Read二極管的尖峰脈沖近似下，二極管的尖峰脈沖近似下，Va/Vd1/2; Ia/Id 2/，因此效率因此效率大于大于1/ ，超過超過30%。實際崩越二極管的效率只達到實際崩越二極管的效率只達到20%以下，影響因素包括：以下，影響因素包括：空間電荷效應(yīng)、反向

36、飽和電流效應(yīng)、少子注入電流效應(yīng)、空間電荷效應(yīng)、反向飽和電流效應(yīng)、少子注入電流效應(yīng)、趨膚效應(yīng)和未耗盡外延層串聯(lián)電阻效應(yīng)等。趨膚效應(yīng)和未耗盡外延層串聯(lián)電阻效應(yīng)等。cos/112dadadadaVVmIIVVPP56空間電荷效應(yīng)空間電荷效應(yīng)圖（圖（a）雪崩電荷之間的電場與外電雪崩電荷之間的電場與外電場相反可造關(guān)閉雪崩過程，減少了場相反可造關(guān)閉雪崩過程，減少了相位延遲。相位延遲。圖（圖（b）改變了電場和端電流分布，改變了電場和端電流分布，降低了效率。降低了效率。反向飽和電流效應(yīng)反向飽和電流效應(yīng)反向飽和電流會使雪崩過程建立太反向飽和電流會使雪崩過程建立太快，從而引起雪崩相位延遲減小?？?，從而引起雪崩相位延遲減小。少子注入電流也會引起這種效應(yīng)加少子注入電流也會引起這種效應(yīng)加劇。劇。趨膚效應(yīng)和未耗盡外延層串聯(lián)趨膚效應(yīng)和未耗盡外延層串聯(lián)電阻會使得有效輸出功率下降電阻會使得有效輸出功率下降從而減小效率。從而減小效率。572.崩越二極管的噪聲崩越二極管的噪聲噪聲大是崩越二極管的致命缺點，其噪聲電平高達噪聲大是崩越二極管的致命缺點，其噪聲電平高達20-40db。然而在然而在微波頻段崩越二極管可作為噪聲源。微波頻段崩越二極管可作為噪聲源。崩越二極管的噪聲可分為調(diào)幅（崩越二極管的噪聲可分為調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（和調(diào)頻（FM），），包含三部分：包含三部分：雪崩噪聲雪崩噪聲