微波器件與固體電路作業(yè)201521901012任利鵬

微波器件與固體電路作業(yè)電技201521901012任利鵬一．微波電路設計涉及到以下方面，簡要敘述（一）材料技術（1）砷化鎵砷化鎵是一種重要的半導體材料。屬Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體。屬閃鋅礦型晶格結(jié)構(gòu)，砷化鎵可以制成電阻率比硅、鍺高3個數(shù)量級以上的半絕緣高阻材料。由于其電子遷移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速數(shù)字電路方面得到重要應用。用砷化鎵制成的半導體器件具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優(yōu)點。GaAs電路可以運用在移動電話、衛(wèi)星通訊、微波點對點連線、雷達系統(tǒng)等地方。GaAs曾用來做成甘恩二極管、微波二極管和耿氏二極管)以發(fā)射微波。（2）硅單晶硅是重要的半導體材料。廣泛應用的二極管、三極管、晶閘管、場效應管和各種集成電路都是用硅做的原材料。（3）異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)，是指半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)一般是由兩層以上不同材料所組成，它們各具不同的能帶隙。這些材料可以是GaAs之類的化合物，也可以是Si-Ge之類的半導體合金。高速電子遷移率晶體管，就是利用半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)與電子在空間能被分隔的優(yōu)點，因此電子得以有很高的遷移率。在此結(jié)構(gòu)中，改變閘極(gate)的電壓，就可以控制由源極(source)到泄極(drain)的電流，而達到放大的目的。因該組件具有很高的向應頻率(600GHz)且低噪聲的優(yōu)點，因此廣泛應用于無限與太空通訊，以及天文觀測。（4）外延生長在單晶襯底（基片）上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來的晶體向外延伸了一段，故稱外延生長。為了制造高頻大功率器件，需要減小集電極串聯(lián)電阻，又要求材料能耐高壓和大電流，因此需要在低阻值襯底上生長一層薄的高阻外延層。外延生長的新單晶層可在導電類型、電阻率等方面與襯底不同，還可以生長不同厚度和不同要求的多層單晶，從而大大提高器件設計的靈活性和器件的性能。對外延片檢查主要包括：表面質(zhì)量（不應有突起點、凹坑等）、導電類型、電阻率、外延層厚度、外延片（片中和各片間的均勻性）和缺陷密度（包括層錯、位錯、霧狀微缺陷或小丘）等。（二）器件技術（1）BJTBJT：BJT是雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor—BJT）的縮寫，又常稱為雙載子晶體管。它是通過一定的工藝將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，有PNP和NPN兩種組合結(jié)構(gòu)。極結(jié)型晶體管，外部引出三個極：集電極，發(fā)射極和基極，集電極從集電區(qū)引出，發(fā)射極從發(fā)射區(qū)引出，基極從基區(qū)引出（基區(qū)在中間）；BJT有放大作用，主要依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸?shù)竭_集電區(qū)而實現(xiàn)的，為了保證這一傳輸過程，一方面要滿足內(nèi)部條件，即要求發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，同時基區(qū)厚度要很小，另一方面要滿足外部條件，即發(fā)射結(jié)要正向偏置（加正向電壓）、集電結(jié)要反偏置；BJT種類很多，按照頻率分，有高頻管，低頻管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半導體材料分，有硅管和鍺管等；其構(gòu)成的放大電路形式有：共發(fā)射極、共基極和共集電極放大電路。（2）HBTHBT:一種由砷化鎵(GaAs)層和鋁鎵砷(AlGaAs)層構(gòu)成的雙極晶體管。異質(zhì)結(jié)是兩種帶隙寬度不同的半導體材料構(gòu)成的結(jié)，和導電類型不同的結(jié)（PN結(jié)）無關。多數(shù)情況兩類相結(jié)合，有時不重合。由寬帶隙半導體材料制作發(fā)射區(qū)，以窄帶隙材料制作基區(qū)的雙極型晶體管成為異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。工作原理:同質(zhì)結(jié)雙極管存在的主要問題：為提高電流增益，要求發(fā)射區(qū)重摻雜、基區(qū)輕摻雜，與為提高頻率，又要求減小發(fā)射結(jié)電容、減少基區(qū)電阻而互相矛盾。為了解決該矛盾的根本途徑是采用寬帶隙半導體材料作成發(fā)射區(qū)，窄帶隙材料作基區(qū)。由于降低了電子從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的勢壘，同時提高了空穴由基區(qū)向發(fā)射區(qū)反注入的勢壘，提高了注入效率，進一步提高了電流增益，使器件在保持較高電流增益的條件下，提高晶體管的速度和工作頻率。特點:HBT與結(jié)構(gòu)相近的同質(zhì)結(jié)晶體管相比，具有以下特點：特征頻率fT高；最高振蕩頻率fmax高；厄利（Early）電壓較高（因基區(qū)摻雜濃度高，耗盡區(qū)不易在基區(qū)內(nèi)擴展）；基區(qū)穿通電壓較高；當輸出功率大導熱差時，Ic-UCE特性常出現(xiàn)負阻效應。應用領域:微波、毫米波放大和震蕩移動通信化合物超高速數(shù)字電路低溫電路（Si/SiGeHBT），高溫電路（AlGaN/GaNHBT）超高增益放大電路（PET和MISTJET)。（3）MESFETMESFET（Metal-SemiconductorFET），即金屬-半導體[接觸勢壘]場效應晶體管。MESFET是一種由Schottky勢壘柵極構(gòu)成的場效應晶體管。它與p-n結(jié)型柵場效應晶體管相比，只是用金屬-半導體接觸勢壘代替了p-n結(jié)柵，則熱穩(wěn)定性較差、漏電流較大、邏輯擺幅較小、抗噪聲能力較弱；但是金屬-半導體接觸可以低溫形成，而且不僅可用Si，而且也能采用GaAs材料來制造出性能優(yōu)良的晶體管。MESFET的工作原理與JFET基本相同,但是有兩點差異:a）在短溝道(0.5~2μm)GaAs-MESFET中,速度飽和模型能較好地描述I-V特性(雖然飽和機理是由于谷間躍遷而引起的速度飽和，但與Si和SiC等的MESFET相同，都將產(chǎn)生偶極疇并使電流飽和)；b）對于柵長<0.5μm的GaAs-MESFET,由于GaAs中電子的能量弛豫時間>>動量弛豫時間，則電子的輸運將是瞬態(tài)的,有明顯的速度過沖效應(對短溝道Si器件,無明顯的速度過沖)。（4）MOSFET金屬-氧化物半導體場效應晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管（field-effecttransistor）。MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型”的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱尚包括NMOS、PMOS等。（5）HEMTHEMT（HighElectronMobilityTransistor），高電子遷移率晶體管。這是一種異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，又稱為調(diào)制摻雜場效應晶體管（MODFET）、二維電子氣場效應晶體管（2-DEGFET）、選擇摻雜異質(zhì)結(jié)晶體管(SDHT)等。這種器件及其集成電路都能夠工作于超高頻（毫米波）、超高速領域，原因就在于它是利用具有很高遷移率的所謂二維電子氣來工作的。FET-IC實現(xiàn)超高頻、超高速的困難（提高載流子遷移率的重要性）因為一般的場效應集成電路為了達到超高頻、超高速，必須要減短信號傳輸?shù)难舆t時間τd∝CL/(μnVm)和減小器件的開關能量(使IC不致因發(fā)熱而損壞)E=(Pdτd)≈CLVm2/2，而這些要求在對邏輯電壓擺幅Vm的選取上是矛盾的，因此難以實現(xiàn)超高頻、超高速；解決的一個辦法就是，首先適當降低邏輯電壓擺幅,以適應IC穩(wěn)定工作的需要，而要縮短τd則主要是著眼于提高電子的遷移率μn，這就發(fā)展出了HEMT。（三）電路技術1阻抗匹配（impedancematching）信號源內(nèi)阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài)，簡稱為阻抗匹配。否則，便稱為阻抗失配。有時也直接叫做匹配或失配。大體上，阻抗匹配有兩種，一種是透過改變阻抗力（lumped-circuitmatching），另一種則是調(diào)整傳輸線的波長（transmissionlinematching）。2濾波（Wavefiltering）是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。濾波分為經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。是根據(jù)觀察某一隨機過程的結(jié)果，對另一與之有關的隨機過程進行估計的概率理論與方法。濾波是信號處理中的一個重要概念，濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波兩種。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅立葉分析和變換提出的一個工程概念。根據(jù)高等數(shù)學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。3網(wǎng)絡分析（networkanalysis)在激勵和網(wǎng)絡已知的情況下計箅網(wǎng)絡響應的方法,也稱電路分析。其最基本的計算法則是基爾霍夫電壓定律（KVL)和電流定律(KCL)，再加上網(wǎng)絡中各元器件的電流電壓關系（簡記作VCR)，就可以得出足夠的網(wǎng)絡方程(通常是微積分方程組)來求出所需的響應。依照激勵源和網(wǎng)絡種類以及所需求解響應的不同，有多種不同的分析方法。直接求解網(wǎng)絡微積分方程的方法屬于時域分析或時域解，這里激勵和響應都是時間t的函數(shù)；采用拉普拉斯變換或傅里葉變換來求解網(wǎng)絡方程的方法屬于頻域分析或頻域解，這里網(wǎng)絡方程變換成了代數(shù)方程，其中激勵和響應都是復頻率變量s或jω的函數(shù)。（四）無線通信系統(tǒng)簡易無線通信系統(tǒng)由正弦波信號源部分、發(fā)射部分和接收部分組成。無線通信系統(tǒng)（WirelessCommunicationSystem）：也稱為無線電通信系統(tǒng)，是由發(fā)送設備、接收設備、無線信道三大部分組成的，利用無線電磁波，以實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。它根據(jù)工作頻段或傳輸手段分類,可以分為中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。無線通信系統(tǒng)包括：發(fā)送設備、接收設備、傳輸媒體。發(fā)送設備

（1）變換器（換能器）：將被發(fā)送的信息變換為電信號。例如\o"話筒"話筒將聲音變?yōu)殡娦盘枴?/p>

（2）發(fā)射機：將換能器輸出的電信號變?yōu)閺姸茸銐虻腬o"高頻"高頻\o"電振蕩"電振蕩。

（3）天線：將高頻電振蕩變成\o"電磁波"電磁波向傳輸媒質(zhì)輻射。傳輸媒體——電磁波

無線電波是一種頻率相對較低的電磁波。對\o"頻率"頻率或\o"波長"波長進行分段，分別稱為\o"頻段"頻段或\o"波段"波段。電磁波從發(fā)射機\o"天線"天線輻射后，不僅電波的能量會擴散，\o"接收機"接收機只能收到其中極小的一部分，而且在傳播過程中，電波的能量會被地面、建筑物或高空的\o"電離層"電離層吸收或\o"反射"反射；或在大氣層中產(chǎn)生折射或散射，從而造成強度的衰減。根據(jù)無線電波在傳播過程所發(fā)生的現(xiàn)象,電波的傳播方式主要有繞射（地波），反射和折射（天波），直射（空間波）。決定傳播方式的關鍵因素是無線電信號的\o"頻率"頻率。接收設備

（1）接收天線：將空間傳播到其上的電磁波轉(zhuǎn)化為\o"高頻"高頻電振蕩

（2）接收機：高頻電振蕩轉(zhuǎn)化為電信號

（3）變換器（換能器）：將電信號轉(zhuǎn)化為所傳送信息為了解決無線通信系統(tǒng)中存在的問題，發(fā)射機和接收機借助\o"線性"線性和\o"非線性"非線性電子線路對攜有信息的電信號進行變換和處理。除放大外，最主要有\(zhòng)o"調(diào)制"調(diào)制、\o"解調(diào)"解調(diào)。1.

\o"調(diào)制"調(diào)制：由攜有信息的電信號去控制高頻振蕩信號的某一參數(shù)，使該參數(shù)按照電信號的規(guī)律而變化。調(diào)制信號：攜有信息的電信號。\o"載波"載波信號：未調(diào)制的高頻振蕩信號。已調(diào)波：經(jīng)過調(diào)制后的高頻振蕩信號。

調(diào)幅、調(diào)角（\o"調(diào)頻"調(diào)頻、\o"調(diào)相"調(diào)相）。2.解調(diào)：調(diào)制的逆過程，將已調(diào)波轉(zhuǎn)換為載有信息的電信號。3.調(diào)制的作用：

（1）顯著減小\o"天線"天線的尺寸；(聲音30～3000Hz，天線要幾百km)；如果天線高度為輻射信號波長的四分之一，更便于發(fā)揮天線的輻射能力。于是分配民用廣播的\o"頻段"頻段為535-1605KHz（\o"中頻"中頻段），對應波長為187-560m，天線需要幾十米到上百米；而移動通信\o"手機"手機天線只不過10cm，它使用了900MHz頻段。這些廣播與移動通信都必須進行某種調(diào)制，而將話音或編碼基帶頻譜搬移到應用頻段。

（2）將不同電臺發(fā)送的信息分配到不同頻率的載波信號上，使接收機可選擇特定電臺的信息而抑制其它電臺發(fā)送的信息和各種干擾。在無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射機組成包括以下幾個部分：\o"振蕩"振蕩器：產(chǎn)生fosc的高頻振蕩信號，幾十kHz以上。

（2）高頻放大器（倍頻器）：一或多級小信號諧振放大器，放大振蕩信號，使頻率倍增至fc，并提供足夠大的載波功率。

（3）低頻放大器：多級\o"放大器"放大器組成，前幾級為小信號放大器，用于放大微音器的電信號；后幾級為功放，提供功率足夠的\o"調(diào)制"調(diào)制信號。

（4）高頻功放及\o"調(diào)幅"調(diào)幅器：實現(xiàn)調(diào)幅功能，將輸入的載波信號和調(diào)制信號變換為所需的調(diào)幅波信號，并加到天線上。二．有源（固體）器件在微波范圍內(nèi)的應用：（一）二極管的分類與典型型號與其頻率范圍，應用的電路：1檢波二極管檢波二極管的主要作用是把高頻信號中的低頻信號檢出。它們的結(jié)構(gòu)為點接觸型，所以其結(jié)電容較小，工作頻率較高。一般都采用鍺材料制成。就原理而言，從輸入信號中取出調(diào)制信號是檢波，以整流電流的大?。?00mA）作為界線通常把輸出電流小于100mA的叫檢波。鍺材料點接觸型、工作頻率可達400MHz，正向壓降小，結(jié)電容小，檢波效率高，頻率特性好，為2AP型。類似點觸型那樣檢波用的二極管，除用于檢波外，還能夠用于限幅、削波、調(diào)制、混頻、開關等電路。也有為調(diào)頻檢波專用的特性一致性好的兩只二極管組合件。常用型號為2AP1到30系列，截止頻率在50到150左右2快恢復二極管PIN型二極管（PINDiode）這是在P區(qū)和N區(qū)之間夾一層本征半導體（或低濃度雜質(zhì)的半導體）構(gòu)造的晶體二極管。PIN中的I是"本征"意義的英文略語。當其工作頻率超過100MHz時，由于少數(shù)載流子的存貯效應和"本征"層中的渡越時間效應，其二極管失去整流作用而變成阻抗元件，并且，其阻抗值隨偏置電壓而改變。在零偏置或直流反向偏置時，"本征"區(qū)的阻抗很高；在直流正向偏置時，由于載流子注入"本征"區(qū)，而使"本征"區(qū)呈現(xiàn)出低阻抗狀態(tài)。因此，可以把PIN二極管作為可變阻抗元件使用。它常被應用于高頻開關（即微波開關）、移相、調(diào)制、限幅等電路中?？旎謴投O管（簡稱FRD）是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管，主要應用于開關電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用?？旎謴投O管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復電荷很小，所以快恢復二極管的反向恢復時間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高。常見快恢復二極管參數(shù)型號品牌額定電流額定電壓反向恢復時間IN5817GJ1A20V10nsIN5819GJ1A40V10nsIN5819MOT1A40V10nsIN5822MOT3A40V10ns21D-06FUI3A60V10nsSBR360GI3A60V10nsC81-004FUI3A40V10ns8TQ080IR8A80V10nsMBR1045MOT10A45V10nsMBR1545CTMOT15A45V10nsMBR1654MOT16A45V10ns16CTQ100IR16A100V10nsMBR2035CTMOT20A35V10nsMBR2045CTMOT20A45V10nsMBR2060CTMOT20A60V10nsMBR20100CTIR20A100V10ns025CTQ045IR25A45V10ns30CTQ045IR30A45V10nsC85-009*FUI20A90V10nsD83-004*FUI30A40V10nsD83-009*FUI30A90V10nsMBR4060*IR40A60V10ns3.變?nèi)荻O管用于自動頻率控制（AFC）和調(diào)諧用的小功率二極管稱變?nèi)荻O管。日本廠商方面也有其它許多叫法。通過施加反向電壓，；使其PN結(jié)的靜電容量發(fā)生變化。因此，被使用于自動頻率控制、掃描振蕩、調(diào)頻和調(diào)諧等用途。通常，雖然是采用硅的擴散型二極管，但是也可采用合金擴散型、外延結(jié)合型、雙重擴散型等特殊制作的二極管，因為這些二極管對于電壓而言，其靜電容量的變化率特別大。結(jié)電容隨反向電壓VR變化，取代可變電容，用作調(diào)諧回路、振蕩電路、鎖相環(huán)路，常用于電視機高頻頭的頻道轉(zhuǎn)換和調(diào)諧電路，多以硅材料制作。4.雪崩二極管(AvalancheDiode)它是在外加電壓作用下可以產(chǎn)生高頻振蕩的晶體管。產(chǎn)生高頻振蕩的工作原理是欒的：利用雪崩擊穿對晶體注入載流子，因載流子渡越晶片需要一定的時間，所以其電流滯后于電壓，出現(xiàn)延遲時間，若適當?shù)乜刂贫稍綍r間，那么，在電流和電壓關系上就會出現(xiàn)負阻效應，從而產(chǎn)生高頻振蕩。它常被應用于微波領域的振蕩電路中。常用型號:C30659-900-R5BH，C30659-900-R8AH,C30659-1060-R8BH，C30659-1060-3AH,C30659-1550-R08BHSPcM-AQRH-10，SPcM-AQRH-11，SB2480CLQ-011，SB4480CL，RL0512P，RL1024P，RL2048P，HL2048P，HL4096P，RL1201，RL1202，RL1205RL1210，RL1501，RL1502，RL1505，c30659-900-R5BH，c30659-900-R8AH，c30659-1060-R8BH，c30659-1060-3AH5.隧道二極管（TunnelDiode）它是以隧道效應電流為主要電流分量的晶體二極管。其基底材料是砷化鎵和鍺。其P型區(qū)的N型區(qū)是高摻雜的（即高濃度雜質(zhì)的）。隧道電流由這些簡并態(tài)半導體的量子力學效應所產(chǎn)生。發(fā)生隧道效應具備如下三個條件：①費米能級位于導帶和滿帶內(nèi)；②空間電荷層寬度必須很窄（0.01微米以下）；簡并半導體P型區(qū)和N型區(qū)中的空穴和電子在同一能級上有交疊的可能性。江崎二極管為雙端子有源器件。其主要參數(shù)有峰谷電流比（IP/PV），其中，下標"P"代表"峰"；而下標"V"代表"谷"。江崎二極管可以被應用于低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中（其工作頻率可達毫米波段），也可以被應用于高速開關電路中。常用型號:2BS4D2ES32隧道二極管6.快速關斷（階躍恢復）二極管(StepRecovaryDiode)它也是一種具有PN結(jié)的二極管。其結(jié)構(gòu)上的特點是：在PN結(jié)邊界處具有陡峭的雜質(zhì)分布區(qū)，從而形成"自助電場"。由于PN結(jié)在正向偏壓下，以少數(shù)載流子導電，并在PN結(jié)附近具有電荷存貯效應，使其反向電流需要經(jīng)歷一個"存貯時間"后才能降至最小值（反向飽和電流值）。階躍恢復二極管的"自助電場"縮短了存貯時間，使反向電流快速截止，并產(chǎn)生豐富的諧波分量。利用這些諧波分量可設計出梳狀頻譜發(fā)生電路。快速關斷（階躍恢復）二極管用于脈沖和高次諧波電路中。7.限幅二極管二極管正向?qū)ê?，它的正向壓降基本保持不變（硅管?.7V，鍺管為0.3V）。利用這一特性，在電路中作為限幅