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結管、肖特基結管、變容管、階越恢復管、雪崩管、體效應管、PIN管等，屬于微波三極管的雙極晶體管及異質結管、場效應管以及高電子遷移率晶體管等。它們是構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半導體基礎1.半導體的概念及分類2.1.1半導體基礎半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的一種物質。金屬半導體絕緣體半導體材料的特性參數(shù)微波器件的分類電子遷移率、空穴遷移率、帶隙、雪崩電場二極管、三端晶體管半導體基礎2.半導體共價鍵模型和能帶模型共價鍵模型能夠直觀地說明半導體所具有的很多性質，但不能作深入的定量討論，而能帶模型可以使我們對于半導體的理解比較深入，因此一般要綜合運用兩種模型來展開討論。金剛石結構○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○原子共價鍵GaAs一個Ga原子由位于正四面體的四個頂角的As原子包圍著，而一個As原子也由位于正四面體的四個頂角的Ga原子包圍著，但形成四個共價鍵的八個電子三個來自于III族原子，五個來自于V族，形成鍵的兩個電子在原子間的分布并非完全對稱，偏向于兩個原子中的一個，含有“離子鍵”的成分。半導體基礎3.半導體的本征激發(fā)○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○半導體的本征激發(fā)自由電子“空位”（空穴）完整的共價鍵無電流電中性－q電子移動出現(xiàn)＋q電荷電場電流這一空位可以看作是一個帶有電量的粒子，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，掙脫約束形成一個自由電子和一個空穴――電子-空穴對的過程半導體基礎激發(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出現(xiàn)）的濃度就不同，材料的電阻率也就不同，金剛石可達，而鍺只有，可見絕緣體與半導體并沒有本質區(qū)別。“復合”：如果一個自由電子和一個空穴在移動中相遇，或者說一個掙脫了鍵的束縛的電子，又正好落到一個鍵上電子的空位上去，就會造成一對自由電子和空穴同時消失。

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

子在半導體內作定向運動的難易程度，其單位為或。在一定電場強度范圍內，遷移率是一個與電場強度無關的常數(shù)，

當電場增大到一定程度以后，遷移率將隨著電場增加而下降，載流子漂移速度也將趨近于飽和值。半導體基礎漂移和擴散的關系遷移率反映了半導體中載流子在電場作用下定向運動的難易程度，而擴散系數(shù)反映了載流子擴散的本領大小。愛因斯坦關系半導體基礎1.PN半導體的接觸電勢差與勢壘2.1.2PN結半導體基礎在同一塊半導體中，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渡區(qū)即稱為PN結，它是許多半導體器件的核心部分。P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結電離受主電離施主PN結空間電荷區(qū)位置不能自由移動的電離雜質在“結”的兩側附近形成了帶異性電荷的“空間電荷層”，將產(chǎn)生“內建電場”，此電場的方向為由N指向P。半導體基礎P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結PN結接觸電勢差電勢電子勢能空穴勢能P區(qū)N區(qū)PN結接觸勢壘的形成P區(qū)N區(qū)P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結電離受主電離施主PN結空間電荷區(qū)當PN結加上正向偏壓時（即P端接外電源的正極，N端接外

電源的負極）半導體基礎半導體基礎當PN結加上正向偏壓時（即P端接外電源的正極，N端接外

電源的負極）PN結加正向偏壓PNPN結的“正向導通狀態(tài)”PN結的理想“伏安特性（特性）方程”P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結電離受主電離施主PN結空間電荷區(qū)當PN結加上反向偏壓時（即P端接外電源的負極，N端接外

電源的正極）半導體基礎3.PN結的電容效應PN結的電容效應有兩種：勢壘電容和擴散電容

（1)PN結的電荷、電場及電勢分布按照制作工藝的不同，PN結可以分為兩種：突變結與緩變結。N突變PN結結N緩變PN結○空間電荷區(qū)的電荷密度的分析一般采用“耗盡層模型”，半導體基礎突變PN結空間電荷層寬度緩變PN結空間電荷層寬度○根據(jù)PN結空間電荷區(qū)的電荷密度可以得出其內電場強度與電勢的分布。欲求空間電荷區(qū)的電場及電勢分布，可以采用一維的泊松（Poisson）方程。半導體基礎根據(jù)突變結的空間電荷密度分布，可以求得N區(qū)和P區(qū)的電勢

分布規(guī)律為：因此空間電荷區(qū)兩端之間的電勢差為：空間電荷區(qū)的總寬度為：突變結一側為重摻雜時，為：半導體基礎（2)PN結的勢壘電容設用來代表PN結空間電荷區(qū)的正、負電荷量：半導體基礎（3)PN結的擴散電容PN結在正向偏置下有少子注入效應，在空間電荷區(qū)兩側的少子擴散區(qū)內存在著少子電荷的積累，這一部分電荷也與外加電壓有關，存在著電容效應。PN結的總電容是勢壘電容與擴散電容之和：正偏時，由于通常遠大于，故；而反偏時，由于結邊界附近空間電荷區(qū)的少子濃度隨反偏電壓變化很小，故反偏時擴散電容極小，通常可以忽略，此時有。半導體基礎4.PN結的擊穿PN結的擊穿有兩種情況：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強度載流子速度動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程相似，稱之為PN結的“雪崩擊穿”現(xiàn)象，對應的反向電壓稱為“雪崩擊穿電壓”。2.1.3金屬與半導體的肖特基接觸半導體基礎

肖特基接觸:是一種金屬與半導體的接觸（簡稱金半接觸）形式，在某些情況下它可以具有非對稱的導電特性，其關系與PN結的類似。這一類接觸是某些半導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域獲得了廣泛應用。1.金半接觸的接觸電勢差－肖特基（Schottky）勢壘金半接觸的特性與半導體的導電類型（N型或P型）以及金屬和半導體的“逸出功”的相對大小有關。逸出功:使電子從材料（半導體或金屬）體內進入真空所必須賦予電子的能量。確切地說：功函數(shù)表示恰好使一個電子從材料的費米能級進入材料外表面真空中，且處于靜止狀態(tài)（動能為0）所需的能量。半導體基礎金屬和N型半導體能帶結構真空能級金屬N型半導體當金半發(fā)生接觸而無外加電壓、處于平衡狀態(tài)時，應有統(tǒng)一的費米能級，這與PN結的情形一樣，也是靠在金屬與半導體之間的電子轉移，而形成內建電勢差－接觸電勢差來實現(xiàn)的。（1)金屬與N型半導體形成金半接觸金屬和N型半導體接觸勢壘金屬的功函數(shù)大于半導體的功函數(shù):

半導體基礎當金屬與N型半導體接觸時，若，在半導體表面處形成正的空間電荷區(qū)，電場方向由半導體體內指向表面，即半導體表面電勢較體內為低。若半導體體內電勢為0，半導體表面電勢用代表，則有，這時半導體表面電子勢能高于體內，能帶向上彎曲形成表面勢壘，表面處由于電子逸出而使?jié)舛容^體內為小。金屬的功函數(shù)小于半導體的功函數(shù):

金屬和N型半導體接觸反阻擋層金屬帶正電、半導體帶負電，電場方向由金屬指向半導體，半導體表面電勢高于體內電勢，半導體表面處電子勢能較體內為低，能帶向下彎曲。半導體基礎（2)金屬與P型半導體形成金半接觸金屬與P型半導體形成金半接觸的情形正好與N型相反，當時，形成反阻擋層，而時，形成阻擋層。2.金半接觸的整流特性以金屬與N型半導體接觸構成金半結、而且的情況為例說明金半接觸的整流特性。（1)金半結兩端施加正向偏壓V（即金屬端接外電源的正極，而N型半導體端接外電源的負極）金半結加正向偏壓“正向導通”

金半結的理想“伏安特性（特性）方程”為：半導體基礎（2)金半結兩端施加正向偏壓V（即金屬端接外電源的負極，而N型半導體端接外電源的正極）金半結加反向偏壓金半結的電壓電流特性PN結金半結不同之處：導通電壓較低、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電阻，而且當外加大信號交流電壓時可導致微分電導（）有較陡的變化。半導體基礎3.金半接觸的電容效應金半接觸結可以看作是單邊突變結，因此根據(jù)求PN結空間電荷區(qū)寬度所使用的方法，求出金半（N型）接觸結半導體一側的勢壘區(qū)寬度與偏壓的關系為:（1)勢壘電容（2)擴散電容金半接觸結（MN結）的正向電流是從N型半導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題，因而也就不存在擴散電容效應，這是金半結與PN結的顯著區(qū)別。PN結的“大”電容限制了PN結開關速度的提高，導致其導電特性的改變來不及跟上外加高頻交流電壓的變化；而金半結的電容遠較PN結為小，可大大減小對正偏非線性電阻的旁路作用，“開關”特性好，這是以金半結為基礎構成的半導體元件在射頻和微波領域獲得廣泛應用的主要原因所在。4.金半接觸的擊穿金半結勢壘區(qū)寬度較薄，反向擊穿電壓比PN結低，因此不能承受大的功率。半導體基礎2.1.4金屬與半導體的歐姆接觸半導體基礎兩端非歐姆接觸PN結管PN金屬引線與半導體的接觸只能是沒有整流特性的接觸，或者說接觸應該具有對稱的、線性的特性，同時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”。沒有良好的歐姆接觸，器件性能就發(fā)揮不出來。構成歐姆接觸：在欲形成歐姆接觸的N型（或P型）半導體上先形成一層重摻雜N＋（或P＋）層，然后再與金屬接觸，即為金屬-N＋-N或金屬-P＋-P結構。半導體基礎隧道效應歐姆接觸的電壓電流特性N+N結勢壘金屬與重摻雜半導體接觸時，金半接觸在半導體內形成的勢壘層（或稱阻擋層）的厚度會很薄。對于金屬和半導體兩側的電子來說，這樣薄的勢壘區(qū)幾乎是透明的，即兩側電子可以不需越過勢壘而是通過隧道效應“鉆”到對方去。由于勢壘高度較低，結的空間電荷區(qū)也較窄，不能認為空間電荷區(qū)處于“耗盡”狀態(tài)，因而也就不是高阻區(qū)。當其上施加偏壓時，外加電壓就不是降落在空間電荷區(qū)，而是降落在結兩側的半導體上。多數(shù)載流子在N＋N結之間可以認為是不受阻礙地自由流動。這樣，金屬-N＋-N結構就體現(xiàn)出了歐姆性的關系。半導體基礎2.1.5N型砷化鎵（GaAs）半導體特性

N型砷化鎵（GaAs）半導體材料（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）的能帶結構

價帶禁帶導帶高能谷低能谷N型GaAs的能帶模型N型GaAs的能帶具有特殊結構，在它的導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“雙谷結構”。半導體基礎研究和實驗已經(jīng)證明：在300K時，導帶底和價帶頂之間的禁帶寬度約為1.43eV，

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

重力質量（），它的遷移率為：高能谷中的電子有效質量約為，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。半導體基礎“電子轉移效應”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（），電子的平均熱動能為，

要遠小于高低能谷的能量差，因而電子基本處于低能谷，只有

當外加足夠高的電壓以產(chǎn)生足夠高的電場強度時，電子才可能

獲得足夠大的動能躍遷到高能谷上去；由于禁帶寬度遠大于高低能谷的能量差，故在電子躍遷過程

中一般不會發(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可以全部躍遷到高能

谷中去，同時也保證了處在高能谷中的電子，在能量未減小

時反躍遷回低能谷的概率很小。半導體基礎2.N型砷化鎵的速度-電場特性和特性（1)電子平均漂移速度為：相應的電流密度為：（2)當外加電壓繼續(xù)增大，材料內電場也不斷加強，將有一部分電子從電場獲得大于0.36eV的能量，開始由低能谷向高能谷轉移，從快電子變成慢電子，直到電場足夠高使電子全部躍遷到高能谷中時為止。N型GaAs的速度電場特性N型GaAs的電壓電流特性半導體基礎半導體基礎在峰點和谷點間的這段曲線上任一點的斜率均為負值：負微分遷移率段：材料的微分電導率：半導體基礎N型GaAs的速度電場特性N型GaAs的電壓電流特性半導體基礎（3)當電場大于時，低能谷中的電子已經(jīng)全部轉移到高能谷：可見電子平均漂移速度及電流密度又與外加電場呈線性正比關系。電場