射頻電路設(shè)計(jì)第六章

射頻電路設(shè)計(jì)第六章第1頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六目錄第一章引言第二章傳輸線分析第三章Smith圓圖第四章單端口網(wǎng)絡(luò)和多端口網(wǎng)絡(luò)第五章有源射頻器件模型第六章匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò)第七章射頻仿真軟件ADS概況第八章射頻放大器設(shè)計(jì)第九章射頻濾波器設(shè)計(jì)第十章混頻器和振蕩器設(shè)計(jì)第2頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第六章有源射頻元件6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)6.2射頻二極管6.3BJT雙極結(jié)晶體管6.4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.5高電子遷移率晶體管第3頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)本節(jié)以三種最為通用的半導(dǎo)體：鍺(ce)、硅(si)和砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體為例，簡(jiǎn)明地介紹構(gòu)筑半導(dǎo)體器件模型的基本模塊，特別是PN結(jié)的作用。如右圖(a)原理性地給出了純硅的鍵價(jià)結(jié)構(gòu)：每個(gè)硅原子有4個(gè)價(jià)電子與相鄰原子共享，形成4個(gè)共價(jià)鍵。其中有一價(jià)鍵熱分離(T>oK)，造成一個(gè)空穴和一個(gè)運(yùn)動(dòng)電子。A、當(dāng)不存在熱能時(shí)，即溫度為絕對(duì)零度(T=oK或T=-273.150C)，所有電子都束縛在對(duì)應(yīng)原子上，半導(dǎo)體不導(dǎo)電。B、當(dāng)溫度升高時(shí)，某些電子得到足夠的能量，打破共價(jià)鍵并穿越禁帶寬度Wg=Wc—Wv，如圖b所示(在室溫T＝300K，Si的帶隙能為1.12ev，Ge為o.62ev，GaAs為1.42ev)。這些自由電子形成帶負(fù)電的載流子，允許電流傳導(dǎo)。在半導(dǎo)體中，用n表示傳導(dǎo)電子的濃度。當(dāng)一個(gè)電子打破共價(jià)鍵，留下一個(gè)帶正電的空位，后者可以被另一電子占據(jù)。這種形式的空位稱為空穴，其濃度用p表示。

在圖6.1(a)中圖示了平面晶體布置示意圖，在圖6．(b)顯示了等效能帶圖示，圖中在價(jià)帶Wv中產(chǎn)生一空穴，在導(dǎo)帶Wc中產(chǎn)生——電子，兩個(gè)帶之間的帶隙能為Wg。

第4頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)帶入得本征載流子濃度為：當(dāng)存在熱能(T〉oK)時(shí)，電子和空穴穿過(guò)半導(dǎo)體晶格作無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)。如果一電子正好碰到一空穴，兩者即結(jié)合，荷電互相抵消。在熱平衡狀態(tài)下電子和空六的結(jié)合數(shù)與產(chǎn)生數(shù)是相等的。其濃度遵從費(fèi)米(Fermi)統(tǒng)計(jì)而有：其中

分別是在導(dǎo)帶(Nc)和價(jià)帶(Nv)中的有效載流子濃度。m對(duì)應(yīng)半導(dǎo)體中電子和空穴的有效質(zhì)量，由于與晶格的相互作用，它們不同于自由電子的靜止質(zhì)量，k是波爾茨曼常數(shù)，h是普朗克常數(shù)，T是絕對(duì)溫度(K)。一、本征半導(dǎo)體：由熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子數(shù)等于空穴數(shù)，即n=p＝ni，所以電子和空穴的濃度按以下的濃度定律表述：ni是本征濃度，該式對(duì)摻雜半導(dǎo)體也適用n和p分別表示與導(dǎo)帶和價(jià)帶相關(guān)聯(lián)的能級(jí)；WF是Fermi能級(jí)，電子有50％的概率占據(jù)該能級(jí)。對(duì)本征(純)半導(dǎo)體，在室溫下其費(fèi)米能級(jí)非?？拷麕У闹胁?。第5頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)據(jù)宏觀電磁理論：材料的電導(dǎo)率為σ＝J／E，J是電流密度，E是外加電場(chǎng).在宏觀模型(Drude模型)下，電導(dǎo)率可通過(guò)載流子濃度N，有關(guān)元素的荷電量q，漂移速度vd以及電場(chǎng)E給出：在半導(dǎo)體中，電子和空穴兩者都對(duì)材料的電導(dǎo)率有作用。在低電場(chǎng)下載流子的漂移速度正比于外加電場(chǎng)強(qiáng)度，其比例常數(shù)稱為遷移率μｄ。則：

其中μn和μp分別為電子和空穴的遷移率。對(duì)于本征半導(dǎo)體，由于有n＝p=ni，則：環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)體的電性能有很大影響。由功率損耗使器件內(nèi)部加熱，可造成超過(guò)100—1500c的溫升。注：在例題中忽略了帶隙能隨溫度的變化，這將在第7章中討論。第6頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)二、摻雜半導(dǎo)體：通過(guò)引入雜質(zhì)原子可以引發(fā)半導(dǎo)體的電特性作較大的改變。這種過(guò)程稱為摻雜。1、N型半導(dǎo)體：為獲得N型摻雜(提供附加電子到導(dǎo)帶)，所引入的原子較之原來(lái)在本征半導(dǎo)體晶格上的原子有更多的價(jià)電子。如：將磷(P)原子移植到si內(nèi)，就在中性晶格內(nèi)提供了弱束縛電子，如右圖（b)

由直覺看出：“額外”電子的能級(jí)比其余4個(gè)價(jià)電子的能級(jí)更接近導(dǎo)帶。當(dāng)溫度上升到高于絕對(duì)零度時(shí)．這個(gè)弱自由電子從原子中分離出，形成自由負(fù)電荷，留下固定的磷正離子。這樣，當(dāng)仍保持電中性時(shí)，該原子施舍一個(gè)電子到導(dǎo)帶，而價(jià)帶中沒有產(chǎn)生空穴。由于在導(dǎo)帶中有了更多的電子，結(jié)果就導(dǎo)致Fermi的增高。成為N型半導(dǎo)體，其中電子濃度nn和少數(shù)空穴濃度Pn有如下關(guān)系：其中nD為施主濃度代入方程得：當(dāng)nD>>ni則：第7頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)2、P型半導(dǎo)體：現(xiàn)在考慮添加的雜質(zhì)原子比構(gòu)成本征半導(dǎo)體品格的原子有更少價(jià)電子的情況。這種類型的元素稱為受主．例如對(duì)于si晶格，硼(B)就屬于這種元素。由圖(c)（上頁(yè)）可看出：共價(jià)鍵之一出現(xiàn)空六。這一空穴在能帶隙中引入附加能態(tài)，其位置靠近價(jià)帶。當(dāng)溫度從絕對(duì)零度向上升時(shí)，一些電子得到額外能量去占據(jù)空鍵，但其能量不足以越過(guò)禁帶。這樣，雜質(zhì)原子將接受附加電子，形成凈負(fù)電荷。在電子被移去的位置上將產(chǎn)生空穴，這些空穴可自由遷移，并對(duì)半導(dǎo)體中的傳導(dǎo)電流作出貢獻(xiàn)。用受主原子對(duì)半導(dǎo)體摻雜，就產(chǎn)生P型半導(dǎo)體，它有：其中：NA和np是受主和少數(shù)電子濃度。代入方程求解得：P型半導(dǎo)體中空穴濃度Pp和電子濃度np為：由于高摻雜NA>>ni則第8頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)6.1．2PN結(jié)P型和N型半導(dǎo)體的物理接觸引出廠與有源半導(dǎo)體器件相關(guān)聯(lián)的最重要的概念之一：PN結(jié)。由于這兩類半導(dǎo)體之間在載流子濃度上的差別，引起穿過(guò)界面的電流。這種電流被稱為擴(kuò)散電流，它由電子和空穴組成。如圖所示的一維模型：擴(kuò)散電流為：稱Einstein關(guān)系：其中的Indiff和IPdiff分別為擴(kuò)散電流的電子分量和空穴分量，A是與x軸正交的半導(dǎo)體截面積，Dn和Dp分別是電子和空穴的擴(kuò)散常數(shù)。原來(lái)是中性的P型半導(dǎo)體，出現(xiàn)空穴擴(kuò)散電流后，留下負(fù)空間電荷，N型半導(dǎo)體，出現(xiàn)電子擴(kuò)散電流后，留下正空間電荷，擴(kuò)散電流發(fā)生時(shí)，正電荷和負(fù)電荷之間產(chǎn)生電場(chǎng)E，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，它與擴(kuò)散電流方向相反，使IF+Idiff=0，則得：第9頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)如果再考慮空穴電流從P型半導(dǎo)體到N型半導(dǎo)體的流動(dòng)以及與之相抵消的場(chǎng)感應(yīng)電流中的相應(yīng)部分IPF，可以得到擴(kuò)散阻擋層電壓：以電勢(shì)的導(dǎo)數(shù)代替電場(chǎng)，積分得擴(kuò)散阻擋層電壓（稱內(nèi)建電勢(shì)）：其中nn和np仍分別是N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體中的電子濃度。若：P型半導(dǎo)體中受主濃度NA>>niN型半導(dǎo)體中施主濃度ND>>ni則nn=NDnp=ni2/NA

第10頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)例題6．2確定PN結(jié)的擴(kuò)散阻擋層電壓或內(nèi)建電壓對(duì)一特定的(硅)PN結(jié)，摻雜濃度給定為NA＝5xl018cm-3和N0＝5xl015scm-3，以及其本征濃度ni＝1.5xl010cm-3，求在T＝300K下的阻擋層電壓。解：阻擋層電壓直接由(6．20)式確定：內(nèi)建電勢(shì)依賴于摻雜濃度和溫度。對(duì)不同半導(dǎo)體材料（本征載流子濃度不同），即使摻雜密度是相同，其內(nèi)建電壓將是不同的。要確定沿X軸上的電勢(shì)分布，可應(yīng)用泊松(Poisson)方程，在一維分析下寫成設(shè)定均勻摻雜和跳變結(jié)點(diǎn)近似，如圖6.5b所示，而有每一材料中的電荷密度：其中d

p和dn分別是在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中空間電荷的延伸長(zhǎng)度，見圖6．5(a)。對(duì)上式積分可求出半導(dǎo)體在空間范圍—dp≤x≤dn內(nèi)的電場(chǎng)：其中：ρ(x)是電荷密度，εr是半導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)。電場(chǎng)分布見圖d第11頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)所得到的電場(chǎng)分布的結(jié)果描繪在圖6．5(d)小。在推導(dǎo)(6．23)式時(shí)，利用了電荷抵消規(guī)律，即要求半導(dǎo)體內(nèi)總空間電荷為零這一事實(shí)，對(duì)于高摻雜半導(dǎo)體這等效于以下條件：為獲得電壓沿x鈾的分布，對(duì)(6．23)式積分如下：總電壓降為擴(kuò)散電壓：第12頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)正空間電荷區(qū)在N型半導(dǎo)體內(nèi)的延伸長(zhǎng)度：正空間電荷區(qū)在N型半導(dǎo)體內(nèi)的延伸長(zhǎng)度：總長(zhǎng)度：三、結(jié)點(diǎn)電容：是射頻器件的一個(gè)重要參量，因?yàn)樵诟哳l運(yùn)行下低電容意味著有快捷的開關(guān)速度和適應(yīng)能力。通過(guò)熟知的平扳電容器公式可找出結(jié)電容：C=εA/ds把距離代人上式．得到電容的表達(dá)式如下如果外電壓VA加到結(jié)點(diǎn)上：出現(xiàn)如圖6．6所示的正反兩種情況，說(shuō)明了二極管的整流器作用。第13頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)反向饋電見圖6．6(a)增加空間電荷區(qū)并阻斷電流流動(dòng)，只是由少數(shù)載流子(N型半導(dǎo)體中的空穴和P半導(dǎo)體中的電子)造成的漏電流。與此相反，正向饋電由于在N型半導(dǎo)體中注入額外的電子和在P型半導(dǎo)體中注入額外的空穴，而使空間電荷區(qū)縮小。為表述這些情況，必須對(duì)上面給出的方程(6．27)和方程(6．28)加以修改，用Vdiff-VA代替原式中的阻擋層電壓Vdiff：可看出：空間電荷區(qū)或是增大或是縮小取決于VA的極性。導(dǎo)致空間電荷區(qū)或耗盡層的總長(zhǎng)度：第14頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)例題6．3計(jì)算PN結(jié)的結(jié)電容和空間電荷區(qū)的長(zhǎng)度對(duì)于硅半導(dǎo)體的一個(gè)跳變PN結(jié)，在室溫下(εr＝11．9，ni＝xl010cm-3其施主和受主濃度分別等于NA＝l015cm-3和N0＝5xl015cm-3。意欲找出空間電荷區(qū)dp和dn以及在零偏置電壓下的結(jié)電容。證明PN結(jié)的耗盡層電容表示成下列形式：

其中cJ0是零偏置電壓下的結(jié)電容。確定cJ0，并描述出耗盡層電容與外電壓的函數(shù)關(guān)系(設(shè)PN結(jié)的橫截面積A＝10-4CM2)。解：把外電壓VA引入到電容表達(dá)式(6.30)中．得到：令：計(jì)算得：CJ0=10.68PF當(dāng)外加電壓接近內(nèi)建(阻擋層)電勢(shì)時(shí)．結(jié)電容趨于無(wú)限大。然而在實(shí)際上此時(shí)開始達(dá)到飽和，這將在后面介紹第15頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)四、肖特基二極管方程：對(duì)流過(guò)二極管的電流．列出肖特基二極管方程(在附錄F中有推導(dǎo))：

I=I0（ev/VT-1)其中Io是反向飽和電流或漏電流。通常稱這電流一電壓特性曲線為I-V曲線,如圖6.8所示。該曲線表明：在負(fù)壓下有一小的、與電壓無(wú)關(guān)的電流(-Io)，而在正壓下則為指數(shù)增長(zhǎng)電流。（圖示中的函數(shù)關(guān)系是理想化的，末考慮到擊穿現(xiàn)象。但上式顯示出了在外加交流電壓下PN結(jié)的整流性質(zhì)。）耗盡層或結(jié)電容的存在要求PN二極管上加有負(fù)電壓。（如上例題），這意味著VA<Vdiff的條件。但注意：在正偏壓條件下，由于儲(chǔ)存在半導(dǎo)體層中的擴(kuò)散電量Qd(少數(shù)載流子)的存在而出現(xiàn)一個(gè)附加的擴(kuò)散電容；如果VA>Vdiff，則它占支配地位。該電量可定量給出，即電量Qd等于二極管電流I與載流子穿過(guò)二極管的渡越時(shí)間τT的乘積：顯然擴(kuò)散電容與外電壓和結(jié)溫度非線性關(guān)系：可見它與工作電壓有強(qiáng)烈地依賴關(guān)系。

通常．PN二極管的總電容c可粗略地劃分成三個(gè)區(qū)域：1．VA<0，只有耗盡層電容是重要的；C=CJ2．0<VA<Vdiff，耗盡層和擴(kuò)散電容相組合：C=CJ+Cd3．VA<Vdiff，只有擴(kuò)散電容是重要的：C=Cd如：二極管工作在VA=1v，并沒定渡越時(shí)間τT＝100ps，室溫300K(即VT＝26mV)，測(cè)量反向飽和電流Io=10-15A，擴(kuò)散電流的影響增強(qiáng)。把這些值代人得：C=Cd=194nF（電容值相當(dāng)大的，對(duì)R=0.1-1Ω會(huì)產(chǎn)生大的時(shí)間常數(shù)，限制了應(yīng)用）第16頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.1.3肖特基接觸肖特基分析了當(dāng)一金屬電極接觸一半導(dǎo)體時(shí)所涉及的物理現(xiàn)象。如：如果P半導(dǎo)體與銅或鋁電極接觸，就有電子向金屬擴(kuò)散的趨勢(shì)，而在半導(dǎo)體中留下空穴，使其中的空穴濃度增加。這種效應(yīng)的結(jié)果是改變界面附近的價(jià)帶和導(dǎo)帶能級(jí)。見圖6．9(a）所示能帶結(jié)構(gòu)中的局域變化。由于有更高的空穴濃度，價(jià)帶彎向費(fèi)米(Fermi)能級(jí)。由于更低的電子濃度、導(dǎo)帶向離開費(fèi)米(Fermi)能級(jí)的方向彎曲。對(duì)這樣一種組態(tài)，不管外加電壓的極性，總是得到一低電阻的接觸．如圖6．9(b)所示。當(dāng)金屬電極與N半導(dǎo)體接觸時(shí)，出現(xiàn)更類似于PN結(jié)的性能：由于電子從半導(dǎo)體向金屬遷移，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生一小的正電荷密度。因?yàn)椋寒?dāng)兩種材料分開時(shí)，半導(dǎo)體(較低的逸出功)相對(duì)于金屬(較高的逸出功)有較高的費(fèi)米能級(jí)(較低的逸出功)。然而一旦兩種材料接觸時(shí)，費(fèi)米能級(jí)必須是相同的，就產(chǎn)生兩者能帶的彎曲。電子從N型半導(dǎo)體擴(kuò)散出去．留下正空間電荷。耗盡層增大．直到空間電荷的靜電排斥作用阻止電子進(jìn)一步擴(kuò)散為止。圖6．10給出兩材料在接觸前后的情況。第17頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六與金屬逸出功WM＝qVM有關(guān)，其中VM記為費(fèi)米能級(jí)與電子逸出成為自由粒子時(shí)參考能級(jí)之間的差；對(duì)某些常用金屬的VM值見表6．2。上式中qx電子親和能勢(shì)是從導(dǎo)帶到該同一參考能級(jí)來(lái)測(cè)定的．電子親和電勢(shì)x的值對(duì)si為4.05V，對(duì)Ge為4.07v有如在州結(jié)構(gòu)p樣，建立起內(nèi)建肖特基阻擋層電壓Vd的表達(dá)式:其中：導(dǎo)帶與費(fèi)米能級(jí)之間的附加電壓Vc與摻雜濃度ND和導(dǎo)帶中態(tài)濃度Nc有關(guān)。求解Vc得能量：Wb=qVb雖然實(shí)際的金屬與半導(dǎo)體界面間通常有一極窄的附加絕緣層，忽略這層的影響，并且只涉及半導(dǎo)體中空間電荷長(zhǎng)度：肖特基結(jié)點(diǎn)的結(jié)電容：第18頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六例題6．4計(jì)算肖特基二極管的阻擋層電壓、耗盡層電容和空間電荷區(qū)長(zhǎng)度金屬材料黃金與八型半導(dǎo)體接觸的界面可形成肖特基二極管。半導(dǎo)體的摻雜濃度ND=1016cm3，金屬逸出功VM是5．1v。還有如上述si的電子親和電勢(shì)x＝4.05v。求肖特基阻擋層勢(shì)Vd，空間電荷長(zhǎng)度ds和結(jié)電容cj，已知si的相對(duì)介電常數(shù)εr＝11．9。設(shè)二極管截面積A＝10-4cm2，溫度為300K這例題表明：在同樣截面大小和同樣摻雜下金屬一半導(dǎo)體二極管的耗盡層電容遠(yuǎn)比PN結(jié)小，使前者可在更高頻率下工作。第19頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．2射頻二極管由于高的結(jié)電容量，經(jīng)典的PN結(jié)二極管不太適合于高頻應(yīng)用。與此相反，由金屬一半導(dǎo)體接觸形成的二極管具有低的結(jié)電容量，因此可在更高頻率下工作。肖特基二極管廣泛應(yīng)用于射頻檢波器、混頻器、衰減器、振蕩器和放大器中。本節(jié)將討論肖特基二極管、分析Pin二極管，除了了解二極管的整流特性外，還介紹利用結(jié)電容對(duì)外電壓的變化關(guān)系來(lái)構(gòu)筑出電壓控制的調(diào)諧電路，用來(lái)作為可變電容器的特點(diǎn)。6.2.1肖特基二極管與常規(guī)的PN結(jié)相比，肖特基勢(shì)壘二極管具有不同的反向飽和電流機(jī)制，它取決于穿過(guò)勢(shì)壘的多數(shù)載流子的熱電子發(fā)射。這些電流在數(shù)量級(jí)上大于理想PN結(jié)二極管中的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)少數(shù)載流子組成的反向飽和電流。如：肖特基二極管中典型的反向飽和電流密度具有量級(jí)為10-6A/cm-2，而常規(guī)的硅基PN結(jié)二極管的典型值為10-11A／cm-2。圖6．11給出了具有對(duì)應(yīng)電路元件的肖特基二極管的剖面示意圖。金屬電極(鎢、鋁、金等)與低摻雜N型半導(dǎo)體層相接觸，后者是由外延生長(zhǎng)在高摻雜N+基底上的。設(shè)定外延層是理想介質(zhì)，即其電導(dǎo)率為零。電流一電壓特性由以下方程描述：其中：R*稱為穿過(guò)勢(shì)壘的多數(shù)載流子熱電子發(fā)射的Richardson常數(shù)第20頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．2射頻二極管

所對(duì)應(yīng)的小信號(hào)等效電路模型示于圖6．12。其中結(jié)電阻RJ與偏置電流有關(guān)，串聯(lián)電阻Rs由外延層電阻和基底電阻合成Rs=Repi+Rsub。連接線的電感是固定的，其近似值的量級(jí)為L(zhǎng)s=0.1nH,結(jié)電容CJ與前面一樣計(jì)算(6．40式)。由于有電阻Rs，實(shí)際的結(jié)電壓等于外加電壓減去在二極管串聯(lián)電阻上的電壓降，結(jié)果成為上式所示的修正的指數(shù)表示式肖持基二極管的各電路元件的典型值為：Rs=2-5Ω，Cg=0.1-0.2pF,RJ=200-2kΩ。注意：在低于0.1mA的小偏置電流下，IRs可忽略；但對(duì)于某種應(yīng)用，串聯(lián)電阻會(huì)形成反饋回路，這意味著電阻被乘以一個(gè)按指數(shù)增長(zhǎng)的增值因子。在這種情況下，IRs必須加以考慮。第21頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六在高頻肖特基二極管的實(shí)際電路中，即使是很小的金屬接觸(典型的接觸面直徑為10μm或更小)也會(huì)引起相對(duì)大的寄生電容。此時(shí)可通過(guò)附加一絕緣環(huán)減少雜散電容，如圖6．13所示。

由電流表達(dá)式圍繞靜態(tài)工作點(diǎn)VQ展開，便可求出小信號(hào)結(jié)電容和結(jié)電阻：二極管總電壓可寫成直流偏置電壓VQ和一交流信號(hào)載波頻率分量Vd：代入得：泰勒展開簡(jiǎn)化得：結(jié)電阻：6．2射頻二極管以VQ替換VA代入下式，便可得結(jié)電容第22頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.2射頻二極管6.2.2PIN二極管用途：PIN二極管可應(yīng)用于作為高頻開關(guān)和電阻范圍從小于1Ω到1kΩ的可變電阻器(衰減器)，射頻工作信號(hào)可高達(dá)50GHz。結(jié)構(gòu)：像三明治一樣，在高摻雜的P＋和N＋層之間夾有一本征的(1層)或低摻雜半導(dǎo)體的中間附加層。中間層的厚度根據(jù)應(yīng)用要求和頻率范圍取值在1到100μm間。特性：１、電壓是正向時(shí)，這二極管表現(xiàn)為像是一個(gè)受所加電流控制的可變電阻器。２、電壓反向時(shí)，低摻雜的內(nèi)層產(chǎn)生空間電荷，其區(qū)域達(dá)到高摻雜的外層。這種效應(yīng)即使在小的反向電壓下就會(huì)發(fā)生，直到高電壓下基本上保持恒定，其結(jié)果使這二極管表現(xiàn)為類似于平行板電容器。如：具有內(nèi)I層厚度為20μm的硅基PIN二極管，表面積為20μm，其擴(kuò)散電容的量級(jí)為O．2pF。

一般形式的PIN二極管及經(jīng)臺(tái)面處理的實(shí)用器件如圖6．14，與常規(guī)的平面結(jié)構(gòu)相比，臺(tái)面形位的雜散電容大為減少。

I-V特性的數(shù)學(xué)表述與電流的大小和方向有關(guān)。

正向情況并對(duì)輕摻雜N型本征層，流過(guò)二極管的電流為：其中w是本征層寬度；τP是過(guò)剩的少數(shù)載流子壽命，它可高到1μs的量級(jí)；ND是輕摻雜N半導(dǎo)體中間層中的摻雜濃度。對(duì)于純本征層ND＝ni總電荷：Q=IτP得

擴(kuò)散電容：反向情況：I層得空間電荷長(zhǎng)度對(duì)電容起支配作用：第23頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.2射頻二極管PIN管的動(dòng)態(tài)電阻：通過(guò)在Q點(diǎn)附近的泰勒展開，得動(dòng)態(tài)電阻：其中：Ipo=A（qni2W）/（NDτP）小信號(hào)模型：依照PIN二極管在正偏置(導(dǎo)通)下的電阻性質(zhì)和在負(fù)偏置(斷開或絕緣)下的電容性質(zhì)，可構(gòu)筑簡(jiǎn)單的小信號(hào)模型。PIN二極管在串聯(lián)情況下，電路模型如右：雖然通過(guò)上式計(jì)算得到的結(jié)電阻和擴(kuò)散電容可以在實(shí)用上近似地模擬刪二極管的性能。但更加定量化的信息是通過(guò)測(cè)量或復(fù)雜的計(jì)算模型來(lái)得到的。PIN二極管工作需設(shè)置偏置電壓，而提供偏置要有DC回路，它必須與射頻信號(hào)通路分離開。因此必須加入線圈和隔直電容。見下圖或用一低頻的AC偏置提供偏置電壓，此時(shí)電流為二部分組成：這種方法在例題討論。第24頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.2射頻二極管如右圖：用一射頻線圈(RFC)在DC下短路而在高頻下開路。用隔直流電容(CB)在DC下開路而在高頻下短路。這是一典型的衰減器的電路，其中PIN二極管既用于串聯(lián)又用于并聯(lián)的情況。A、正DC偏置電壓下，對(duì)于射頻信號(hào)．串聯(lián)PIN二極管表現(xiàn)為一電阻。并聯(lián)PIN二極管則建立了一個(gè)短路條件，只允許有一小到可忽略的RF信號(hào)出現(xiàn)在輸出端，此時(shí)并聯(lián)馴二極管的作用像是一個(gè)具有高插入損耗的高衰減器。B、在負(fù)偏置條件下，串聯(lián)PIN二極管像是一個(gè)具有高阻抗或高插入損耗的電容器，而有高并聯(lián)阻抗的并聯(lián)二極管對(duì)RF信號(hào)沒有明顯的影響。常用的專業(yè)術(shù)語(yǔ)：轉(zhuǎn)換器損失TL：可用S參量的S21計(jì)算

第25頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.2射頻二極管圖6．17畫出了在給定的結(jié)電阻范圍內(nèi)正偏置條件下的轉(zhuǎn)換器損失(dB)：例題6．5計(jì)算在串聯(lián)設(shè)置下PIN二極管的轉(zhuǎn)換器損失(在正偏置和負(fù)偏置條件下）求求找串聯(lián)下正偏置和負(fù)偏置PIN二極管的轉(zhuǎn)換器損失(ZG=ZL=Z0=50Ω)。設(shè)結(jié)電阻值RJ在正偏置下為1Ω到20Ω范圍內(nèi)。負(fù)偏置工作條件造成結(jié)電容值取CJ＝0.1，0.3，o.6，1.3，和2.5pF，同時(shí)，感興趣的頻率范圍從10MHZ擴(kuò)展到50GHz解：基于(6．51)式和圖6.15，借助于電壓分壓器定則，求出轉(zhuǎn)換器損失為和相反，圖6.18是在負(fù)偏置條件下．這時(shí)PIN二極管基本上反應(yīng)為一純電容。第26頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.2射頻二極管例題6．6確定具有特定電容一電壓性能所需的摻雜分布求合適的摻雜濃度分布ND(x)以保證變?nèi)荻O管的電容隨外加負(fù)偏壓VA的變化如其小常數(shù)c’。＝5x10-12FV．二極管截面積給定為A=10-4cm2。解：基于(6．39)式，可預(yù)計(jì)空間電荷區(qū)長(zhǎng)度的范圍為：6．2．3變?nèi)荻O管在負(fù)偏置下帶有電容性質(zhì)的PIN二極管提示：一特定中間層摻雜分布能創(chuàng)建出可變電容對(duì)電壓的特性。因此合適選擇特定摻雜分布ND(x)和合適選擇本征層厚度W，便可形成具有特定電容一電壓性能的變?nèi)荻O管。它確定結(jié)電容C=εIA/x。如前面推導(dǎo)中假定I層中摻雜濃度遠(yuǎn)低于相鄰層的摻雜濃度。如果空間電荷區(qū)長(zhǎng)度增大?x，電量改變?yōu)椋?x可由相應(yīng)的電容上的減小量來(lái)表示：則：得：當(dāng)x逼近I層的原始狀態(tài)(即空間電荷長(zhǎng)度x→0時(shí))．ND(x)→∞但實(shí)際上不可能使摻雜分布加強(qiáng)到無(wú)限大。因此，利用近似成一雙曲函數(shù)(見圖6.19)，就可能保證所要求的電容一電壓性能。第27頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.2射頻二極管如圖6．19為變?nèi)荻O管的簡(jiǎn)化電路模型，包括一基底電阻和以(Vdiff-VA)-1/2形式隨電壓改變的電容。這是摻雜分布常量的情況.電容有以下的一般表示：其中VQ是負(fù)偏壓應(yīng)用：A、用作微波電路的頻率調(diào)諧。其一階變?nèi)莨艿慕刂诡l率為：可見：可通過(guò)負(fù)偏壓VQ控制電容，從而實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧。B、變?nèi)荻O管能用于產(chǎn)生短脈沖，如圖6．20。一電壓VA加在由電阻和二極管串聯(lián)的電路兩端，產(chǎn)生電流IV。在正半周上交流電壓與電流同相。在負(fù)半周上，中間層內(nèi)儲(chǔ)存的載流子使電流連續(xù)流動(dòng)．直到所有載流子都被移走為止。此時(shí)電流突降至零。按照法拉第定律Vout＝L(dIv／dt)，一變壓器能在電流瞬變時(shí)耦合輸出·一電壓脈沖。該脈沖寬度可由中間層長(zhǎng)度W除以注入載流子濃度的飽和漂移速度近似地得到。設(shè)W＝10μm和νdmax≈106cm/s，就得到等效于脈沖寬度的渡越時(shí)間：第28頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.2射頻二極管6.2.4IMPATT二極管（碰撞雪崩渡越二極管）結(jié)構(gòu)：類似于PIN二極管。如圖：

與PIN二極管的區(qū)別在于高的電場(chǎng)強(qiáng)度，在N+和P層之間的界面上該場(chǎng)強(qiáng)通過(guò)碰撞電離造成載流子的雪崩。用途：選擇合適的本征長(zhǎng)度和適當(dāng)?shù)膿诫s濃度，能產(chǎn)生900的附加時(shí)延。電路圖：如右：特性：在低于二極管的諧振頻率f0時(shí)，其電抗為電感性質(zhì)，總電阻是正的；超過(guò)二極管的諧振頻率時(shí)轉(zhuǎn)為容性電抗，總電阻變?yōu)樨?fù)的。相關(guān)的電路參數(shù)：諧振頻率：第29頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.2射頻二極管6.2.5隧道二極管隧道二極管是PN結(jié)二極管，它是由極高摻雜產(chǎn)生極窄的空間電荷區(qū)。造成電子和空穴超過(guò)在導(dǎo)帶和價(jià)帶中有效態(tài)濃度。費(fèi)米能級(jí)移到N+層的導(dǎo)帶Wcn和P+半導(dǎo)體的價(jià)帶Wvp上。如圖6．24在兩種半導(dǎo)體層中容許的電子態(tài)只通過(guò)一個(gè)極窄的勢(shì)壘而被分開。

根據(jù)量子力學(xué)，存在一定的概率，在無(wú)外供電壓作用，電子能夠穿過(guò)窄隙（克服勢(shì)壘）而逸出進(jìn)行交換，這就是隧道效應(yīng)。在熱平衡條件下，從N到P層的隧道效應(yīng)與從P到N層的相反的隧道效應(yīng)是平衡的。結(jié)果沒有純電流出現(xiàn)。特性：如圖6．25(b)至圖6．25(e)，以四種不同情況下相應(yīng)的能帶變形，解釋了隧道二極管的特定的電流—電壓響應(yīng)。圖6．24和圖6．25(c)所顯示的是平衡條件下無(wú)電流；圖6，25(b)為外加負(fù)偏壓VA，在P層中產(chǎn)生高的電子態(tài)濃度，這造成比相反情況有更高的概率隧穿到N層。即使是小的負(fù)偏壓下也能觀察到電流的陡峭增長(zhǎng)；圖6．25(d)為外加小的正電壓，自由電子的儲(chǔ)存區(qū)移到N型半導(dǎo)體，而在P型半導(dǎo)體中引起自由電子態(tài)的增加，則作為對(duì)電子隧道作用的反應(yīng)，有正電流自N層流向P層。但當(dāng)外加電壓達(dá)到臨界值VA=Vdiff，就不發(fā)生重迭的能帶結(jié)構(gòu)[即能產(chǎn)生隧道效應(yīng)的條件Wcn<Wvp不再存在，如圖6.25(e)。穿過(guò)隧道二極管的電流趨于極小值。在臨界電壓點(diǎn)Vdiff以上，該二極管重新表現(xiàn)如常規(guī)PN結(jié)二極管那樣，電流按指數(shù)增長(zhǎng)。第30頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.2射頻二極管隧道二極管的等效電路：

如圖6.２６所示．（類似于圖6．23示出的IMPATT二極管的電路）。這里圖中Rs和Ls是半導(dǎo)體層的電阻和引線電感。結(jié)電容CT與負(fù)電導(dǎo)—g＝dI／dV并聯(lián)，后者是由圖6.25(a)給出的I-V曲線的負(fù)斜率得出的。如圖6.２7所示為含有隧道二極管的一個(gè)簡(jiǎn)單的放大器電路。令功率放大因子Gr為負(fù)載RL上的功率與來(lái)自源的最大有效功率Ps＝∣VG∣2

／(8RG)的比值，得到在諧振下功率放大因子的表達(dá)式：其中Rs的影響被忽略。如果合理選擇g值當(dāng)(g＝1／RL+1／RG)，則上式中分母趨于零，此時(shí)放大器變成振蕩器。

第31頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.2射頻二極管6.2.6TRAPATT,BARRITT和Gunn二極管下面簡(jiǎn)要介紹另外三種形式的二極管，但不涉及其電路描述及電參量的定量推導(dǎo)。一、TRAPATT：是俘獲等離子體雪崩觸發(fā)渡越的縮語(yǔ)，TRAPATT二極管是IMPATT二極管在效率上的增強(qiáng)，通過(guò)利用能帶隙的勢(shì)阱使實(shí)現(xiàn)更高的效率(直到75％)。這類勢(shì)阱是位于能帶隙內(nèi)的能級(jí)，并可俘獲電子。外電路保證在正半周時(shí)產(chǎn)生高的勢(shì)壘電壓，造成電子一空穴等離子體中的載流子倍增。造成在負(fù)半周時(shí)二極管的整流特性中出現(xiàn)擊穿。由于電子—空穴等離子體的建立過(guò)程要比在IMPATT二極管中穿過(guò)中間層的渡越時(shí)間較慢些，故該管的的工作頻率稍低于IMPATT二極管。二、BARRITT：是勢(shì)壘注入渡越時(shí)間的英語(yǔ)縮稱。它本質(zhì)上是渡越時(shí)間二極管，其P+NP+摻雜分布的作用像是一個(gè)無(wú)基極接觸的晶體三極管。其空間電荷區(qū)域從陰極通過(guò)中間層擴(kuò)展到陽(yáng)極中；其小信號(hào)等效電路模型包括一電阻和—并聯(lián)電容，電容值與DC偏置電流有關(guān)。不同于IMPATT二極管，其AC電路產(chǎn)生一負(fù)相位(直到-900)，有5％或更小的相對(duì)低的效率。ARRITT二極管在雷達(dá)的混頻器和檢波電路中得到應(yīng)用。三、Gunn二極管(耿氏二極管)是以其發(fā)明者命名的。他在1963年發(fā)現(xiàn)在某種半導(dǎo)體(GaAs，InP)中，足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度能造成電子散射到能帶隙分隔增大的區(qū)域中；由于帶隙能的增加使電子在遷移率μ0受到損失。例如在GaAs中當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)從5kv贈(zèng)強(qiáng)到7kv／cm時(shí)．漂移速度從2x107cm/s降落到小于107cm/s。負(fù)的微分遷移率為：它被用于振蕩電路中。為開發(fā)Gunn效應(yīng)在RF和Mw中的應(yīng)用，需要有一特定的摻雜分布，以保證一旦電壓超過(guò)所要求的閥值時(shí)，就產(chǎn)生穩(wěn)定的、單—載流子的空間電荷區(qū)。第32頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管雙極晶體管的組成是在NPN或PNP配置下三層交替摻雜的半導(dǎo)體。雙極是指少數(shù)和多數(shù)載流子兩者造成內(nèi)部電流。6．3．1結(jié)構(gòu)由于它的低成本結(jié)構(gòu)、相對(duì)高的工作頻率、低噪音性能和高的可運(yùn)行功率容量，BJT成為最廣泛采用的有源RF器件之一。通過(guò)一特殊的發(fā)射極—基極結(jié)構(gòu)(它作為平面結(jié)構(gòu)的一部分)可達(dá)到高功率容量。圖6．28(a)和圖6．28(b)分別表示平面結(jié)構(gòu)的剖面圖和交叉指發(fā)射極—基極連接的頂視圖。由于圖6．28(b)的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，基極—發(fā)射極電阻保持在極小值，而不損害其增益特性。由于降低了通過(guò)基極—發(fā)射極結(jié)的電流密度(散粒噪音)和降低了在基極中的無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)(熱噪音)，低的基極電阻直接改善了信噪比，再增加摻雜濃度(1020-1021cm-3量級(jí))，這兩措施既降低基極電阻又增加電流增益。第33頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管但是，要保持電極的牢固度十分困難，并且需要自對(duì)準(zhǔn)處理。進(jìn)而，受主和施主濃度很快達(dá)到Si或GaAs材料的溶解度極限，從而對(duì)電流增益規(guī)定了一個(gè)物理極限。因此，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)應(yīng)運(yùn)而生，且越來(lái)越流行。HBT可達(dá)到高電流增益，而無(wú)需對(duì)發(fā)射極過(guò)度摻雜。它添加了半導(dǎo)體層(例如GaALAs-GaAs三明治結(jié)構(gòu))．使電子電流注入到基極得到加強(qiáng)，而相反的空穴注入到發(fā)射極則得到抑制。結(jié)果有極高的發(fā)射極效率，這種效率定義為到達(dá)基極的電子電流對(duì)同一電子電流加上反向到發(fā)射極的空穴電流之比。圖6．29給出這樣一種結(jié)構(gòu)的剖視圖。除GaAs外，用InP發(fā)射極和InGaAs基極界面已實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)；InP材料有擊穿電壓高、能帶隙較大和熱傳導(dǎo)較高的優(yōu)點(diǎn)。已達(dá)到工作頻率超過(guò)100Gh．同時(shí)基極和集電極之間載流子的渡越時(shí)間o．5PS。第34頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管6．3．2功能

種類：有兩類BJT：NPN和PNP晶體管。這兩類之間的差別在于：用于產(chǎn)生基極、發(fā)射極和集電極的半導(dǎo)體的摻雜。對(duì)于NPN晶體管，集電極和發(fā)射極用N型半導(dǎo)體做成，而基極是P型做成的。BJT是一種電流控制器件．如圖6．30示意出其結(jié)構(gòu)、電符號(hào)和有相關(guān)的電壓與電流規(guī)定(針對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu))的二極管模型。以NPN為例。在正常的工作模式(即正向激活模式)下，發(fā)射極—基極二極管工作在正向(VBE=0.7V)，而基極—集電極二極管是反向的。這樣，發(fā)射極注入電子到基極，與此相反，空穴電流從基極到發(fā)射極，如果使集電極—發(fā)射極電壓保持在大于所謂的飽和電壓(典型值約為0.1V)，因基極很薄(dB≤lμm量級(jí))并且是經(jīng)度摻雜的N型層，通過(guò)基極電流供給的只有少量電子與空穴復(fù)合。大量的多數(shù)電子到達(dá)基極結(jié)，并被外加負(fù)電壓VBC收集。反向激活模式，集電極—發(fā)射極二極管電壓是負(fù)的(典型值VCE=0.1v)，基極—集電極二極管上是正偏壓，同時(shí)基極—發(fā)射極二極管現(xiàn)在是反向工作。不同于正向激活模式，此時(shí)電子流從集電極跨過(guò)基極到達(dá)發(fā)射極。最后，飽和模式包含基極—發(fā)射極結(jié)和基極—集電極結(jié)兩者的正向偏置。在開關(guān)電路方面有重要作用。第35頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管共發(fā)射極配置為例圖6．31(a)描繪出一類偏置安置，這里通過(guò)適當(dāng)選擇偏置電阻RB和電壓源VBB使基極電流固定，從而使工作在合適的Q點(diǎn)上。輸入特性：圖6．31(b)示出，基極電流對(duì)基極一發(fā)射極電壓的關(guān)系遵循一條I-V特性曲線而變化，它構(gòu)成晶體管的輸入特性。在負(fù)載線和晶體管輸入特性曲線的交點(diǎn)上基極電流和基極一發(fā)射極電壓分別為IB0和VBE0。輸出特性：集電極電流對(duì)集電極一發(fā)射極電壓的變化關(guān)系作為晶體管輸出特性的一部分按更為復(fù)雜的方式進(jìn)行．因?yàn)榧姌O電流必須處理為與基極電流(IB1<IB2…)有關(guān)的參量曲線，參見圖6．3l(c)。第36頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管通過(guò)考察三種工作模式，設(shè)置對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)和列出不同電流公式，可定量分析BJT的特性。為簡(jiǎn)單起見，將忽略各個(gè)空間電荷區(qū)的空間長(zhǎng)度，并設(shè)置典型的有代表性的電流和電壓條件。為記錄下在三層半導(dǎo)體中不同的少數(shù)／多數(shù)載流子和摻雜條件，表6．3概括了這些參量和相應(yīng)的符號(hào)。第37頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管性能分析：

設(shè)定濃度滿足：A、正向激活模式如圖6．32所示的配置。這里濃度畫成穿過(guò)二層半導(dǎo)體的距離函數(shù)。對(duì)于在對(duì)應(yīng)層中少數(shù)載流子的空間濃度，我們依賴短二極管(見附錄F)分析，它把指數(shù)近似成線性電荷濃度梯度。每層中少數(shù)載流子濃度如下：●發(fā)射極：●基極：●集電極：得發(fā)射極中空穴擴(kuò)散電流密度：基極中電子擴(kuò)散電流密度：集電極電流：基極電流正向電流增益：集電極與發(fā)射極電流之比為：第38頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管第39頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管B、反向激活模式圖6—33顯示出帶有相關(guān)的空間電荷區(qū)的少數(shù)載流子濃度(即：基極—發(fā)射極二極管是反向偏置的，而基極—集電極二極管是正向偏置)。在每一層中少數(shù)載流子的濃度如下：●發(fā)射極：●基極：●集電極；由擴(kuò)散電流密度可求出反向發(fā)射極電流：反向基極電流：反向電流增益集電極與發(fā)射極電流之比：第40頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管C、飽和模式這種模式兩個(gè)二極管都是正向偏置，因此基極中的擴(kuò)散電流密度是正向和反向載流子流的組合，得：遵從正發(fā)射極電流方向的規(guī)定，發(fā)射極電流為：因?yàn)榭砂袯JT處理成一對(duì)稱性器件，集電極電流以類似方式可為三種電流的組合：正向集電極電流、反向發(fā)射極電流和附加的空穴擴(kuò)散電流。得出以下方程：

求解得基極電流

注意：內(nèi)發(fā)射極電流的流向表示與習(xí)慣上外電路規(guī)定的符號(hào)相反。第41頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管6．3．3頻率響應(yīng)

微波BJT的過(guò)渡頻率fT(即所知的截止頻率)是一個(gè)重要的品質(zhì)因素，它決定著當(dāng)共發(fā)射極、短路電流增益hfe降為1時(shí)的工作頻率。該過(guò)渡頻率fT與載流子穿過(guò)發(fā)射極一集電極結(jié)構(gòu)所需的渡越時(shí)間τ有關(guān)：其中：τE、

τB、

τC

分別是發(fā)射極、基極和集電極中的時(shí)延。即基極-發(fā)射極耗盡區(qū)充電時(shí)間：基極層充電時(shí)間：基極-集電極結(jié)的空間電荷區(qū)wc的渡越時(shí)間：η與摻雜分布有關(guān)，其變化范圍從對(duì)均勻摻雜基極層的η＝2，直到對(duì)高度非均勻摻雜層的η=60vs代表飽和漂移速度第42頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管BJT工作在RF和MW頻率下還存在：在高頻下的趨膚效應(yīng)從物理上限制了電流流向發(fā)射極的外周界。為保持充電時(shí)間盡可能低，把發(fā)射極做成極窄(1μm)帶的格柵圖樣的結(jié)構(gòu)。但是，所替換的是小的表面積上的高電流密度，限制了可運(yùn)用的功率容量。其他增高截止頻率的方法還用高摻雜度以減小基極渡越時(shí)間常數(shù)τB。由上可見，發(fā)射極充電時(shí)間反比于集電極電流．因而增大集電極電流使過(guò)渡頻率更高。然而，當(dāng)電流達(dá)到足夠高值時(shí)，注入到基極的電荷濃度變得與基極的摻雜濃度可比擬，將造成有效基極寬度的增加、隨之降低過(guò)渡頻率。通常BJT管會(huì)提供過(guò)渡頻率隨集電極電流的變化關(guān)系指標(biāo)。如右圖為寬頻帶NPN晶體管BFG403W的過(guò)渡頻率與集電極電流的函數(shù)關(guān)系。第43頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管6．3．4溫度性能在本章，幾乎所有用于描述半導(dǎo)體器件靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的參量都要受到結(jié)溫度Tj的影響。例1：如圖6．35中正向電流增益βF在一給定的VCE，不同的結(jié)溫度時(shí)與集電極電流Ic的函數(shù)關(guān)系。例2：圖6．36所示，不同的溫度條件下，晶體管的輸入特性。即基極電流與基極—發(fā)射極電壓的函數(shù)關(guān)系。這兩個(gè)例子強(qiáng)調(diào)出在設(shè)計(jì)射頻電路時(shí)考慮溫度影響的重要性。如：在設(shè)計(jì)世界各地使用的蜂窩電話時(shí)．必須保證其電路達(dá)到操作人員所遇到的溫度條件的規(guī)格要求。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格通常覆蓋溫度范圍為—50℃到80℃。管子的最大功率耗散也與溫度密切相關(guān)。通常制造商提供一條器件的功率變壞曲線，它特定出一溫度Ts，在此溫度以下晶體管能工作在最大有效功率Ptot下。結(jié)溫度超過(guò)Ts，功率將降低，

Rthjs為結(jié)與焊點(diǎn)(或管殼)之間的熱阻，Tjmax為最高的結(jié)溫度，第44頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管為簡(jiǎn)化分析，應(yīng)用熱等效回路，并按以下的對(duì)應(yīng)性：●熱功率耗散；電流●溫度；電壓如圖6．37，供給器件的總電功率通過(guò)含有熱阻的熱回路實(shí)現(xiàn)平衡。設(shè)：結(jié)到焊點(diǎn)間的熱阻等于Rthje：其值受結(jié)和焊點(diǎn)的溫度Tj和Ts以及熱功率有關(guān)。也與熱導(dǎo)率γth和BJT的表面積有關(guān)。

焊點(diǎn)溫度受到管殼和熱沉之間過(guò)渡的影響。熱沉代表下式所表示的熱阻：式中δhs是對(duì)流系數(shù)，它的值變化范困寬廣，Ahs是熱沉的總表面積。第45頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管第46頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．3BJT雙極結(jié)晶體管6．3．5極限值在一特定溫度下總功率耗散能力限制了BJT的安全運(yùn)行范圍。如在共發(fā)射極形式的激活模式，此時(shí)BJT或工作于飽和或工作于截止模式。對(duì)于給定的BJT最高功率額定值，

可改變集電極一發(fā)射極電壓，測(cè)定可允許的集電極電流Jc＝Ptot／Vce(假定在高β值下．與集電極電流相比，基極電流小到可忽略)；或改變集電極電流并測(cè)定可允許的集電極一發(fā)射極電壓。

結(jié)果得到最高功率的雙曲線。如圖6．38必須保證做到Jc≤Icmax和Vce≤Vcmax要地一，如在圖6．38。

安全工作區(qū)(SOAR，圖中的陰影區(qū))被定義為一組偏置點(diǎn)，在這里晶體管能正常工作，不會(huì)有對(duì)器件構(gòu)成無(wú)法修復(fù)的破壞的危險(xiǎn)。這比由最大功率雙曲線界定的子集更為嚴(yán)格，因?yàn)檫€必須考慮兩種擊穿機(jī)理：

1．第一類擊穿：此時(shí)集電極電流密度存在一非均勻分布。這將造成局域溫度增加．轉(zhuǎn)而降低了部分集電極區(qū)域的電阻，建立起一通道。通過(guò)這通道的電流密度進(jìn)一步增加，直到這種正反饋破壞晶體結(jié)構(gòu)為止(雪崩擊穿)，最終破壞晶體管本身。

2．第二類擊穿：這種擊穿機(jī)理能獨(dú)立于第一類機(jī)現(xiàn)而發(fā)生，主要影響功率BJT。內(nèi)部過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致在恒定Vce下集電極電流的突然增長(zhǎng)。當(dāng)溫度升高到使本征濃度等于集電極的摻雜濃度時(shí)，通常在基極一集電極結(jié)上發(fā)生這種擊穿機(jī)理。這時(shí)結(jié)電阻突然減小，造成電流劇烈增長(zhǎng)，并使結(jié)熔化。注意：在短時(shí)間內(nèi)BJT能超出SOAR，甚至超過(guò)最大功率雙曲線之外，因?yàn)榕c電路時(shí)間常數(shù)相比，溫度響應(yīng)有大得多的時(shí)間常數(shù)(微秒量級(jí))。在設(shè)計(jì)時(shí)，另外的重要參量是發(fā)射極、基極和集電極斷開條件下的最大電壓條件，這就是集電極斷開下的集電極一基極電壓、基極斷開下的集電極一發(fā)射極電壓)和集電極斷開下的發(fā)射極一基極電壓。如：BFG403W有以下值：第47頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

不同于BJT，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)是單極性器件,意思是只有一種載流子，或是空八或是電子對(duì)穿過(guò)通道的電流作貢獻(xiàn)。如果是空穴貢獻(xiàn)就說(shuō)成是P溝通道FET，否則就說(shuō)成是N溝通道FET。FET是電壓控制器件，通過(guò)改變?cè)跂艠O上所加電壓，產(chǎn)生可變電場(chǎng)來(lái)控制從源極到漏極的電流。

6．4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管6．4．1結(jié)構(gòu)FET按照如何把柵極連接到導(dǎo)電溝道而進(jìn)行分類的。有以下四種類型：1.金屬絕緣柵半導(dǎo)體FET[MISFET]：這里柵極通過(guò)一絕緣層與溝道分開。是最為廣泛應(yīng)用的類型之一。金屬氧化物半導(dǎo)體(M0SFET)屬于此類。2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)：這種類型依靠一負(fù)偏置的PN結(jié)把柵極與溝道絕緣。3．金屬半導(dǎo)體FET[MESFET]：如果把負(fù)偏置PN結(jié)換成肖特基接觸，溝道能被控制如在JFET中的情況。4.異質(zhì)FET（HeteroFET)：其結(jié)構(gòu)使用不同半導(dǎo)體層之間的突變過(guò)渡。高電子遷移率晶體管（HEMT）屬于這類。圖6．39給出了前三類的概貌。在這三種情況下，電流從源指向漏極，用柵極控制電流。第48頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管MISFET和JFET具有較低截止頻率，通常工作于1GHz以下的低和中等頻率范圍內(nèi)。MESFET可使用于60-70GHz范圍內(nèi)，而HEMT可工作于超過(guò)100GHz。射頻應(yīng)用主要是后兩種類型。除了上面的物理分類外，習(xí)慣上按照增強(qiáng)型或降低型對(duì)HP的電性能進(jìn)行分類。這樣意味著溝通或經(jīng)歷載流于的增長(zhǎng)(例如用電子注入N型溝道)或經(jīng)歷載流子的降低(例如N型溝道中電子耗盡)。在圖6．39(a)中FET是不導(dǎo)電的或常開的，直到一足夠高的正柵壓建立起導(dǎo)電溝道，常開的FET只能工作在增強(qiáng)模式。常閉的FET能在增強(qiáng)和降低型兩種模式中工作。第49頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管6．4．2功能以MESFET為例分析，圖6．40所示，此處晶體管工作在降低(耗盡)模式。肖特基接觸建立起一溝道空間電荷區(qū)，這將影響從源極到漏極的電流。按照在6．1．3節(jié)中的討論，空間電荷長(zhǎng)度ds可通過(guò)柵極電壓來(lái)控制，得：源極到漏極之間的電阻：漏極電流：表明：漏極電流與漏極-源電壓線性相關(guān)，當(dāng)漏極-源電壓增加時(shí)，在漏極接觸處附近的空間電荷區(qū)同樣增長(zhǎng)，造成沿溝道耗盡區(qū)的不均勻分布；參見圖6．40(b)。此時(shí)，可用漸變溝道近似法，求得非均勻空間電荷區(qū)的漏極電流，則溝道電流：第50頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管則電荷長(zhǎng)度修改為：得：在固定電壓VGS下，MESFET的輸出特性：當(dāng)空間電荷擴(kuò)展到整個(gè)溝道深度d時(shí)，此時(shí)的漏極-源電壓稱為漏極飽和電壓VDsat漏極飽和電流其中Vp=qNDd2/2ε稱夾斷電壓VTO=Vd-Vp稱閾電壓第51頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管當(dāng)VGS=0時(shí)，得到最大飽和電流IDsat(VGS=0)=IDSS飽和漏極電流：如圖為典型的輸入/輸出轉(zhuǎn)移特性及輸出特性：第52頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管第53頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管在給定的VGS下如果VDS到達(dá)飽和電壓VDsat，空間電荷夾斷溝道。這意味著漏極電流達(dá)到飽和。但夾斷并不是指ID為零，因?yàn)闆]有電荷勢(shì)壘阻斷載流子流動(dòng)。外加電壓VDS產(chǎn)生的電場(chǎng)“拉走”電子越過(guò)耗盡空間電荷層。任何額外增加使VDS〉VDsat，將造成溝道長(zhǎng)度的縮短，從原來(lái)長(zhǎng)度L縮短成新長(zhǎng)度L’=L-?L。則漏電飽和電流改變?yōu)椋鹤鳛閂DS函數(shù)的溝道長(zhǎng)度上的變化通過(guò)所謂的溝道長(zhǎng)度調(diào)制參量λ＝?L/（L‘VDS）自行加以考慮。把在飽和區(qū)域中的漏極電流表示成：是特別有用的，測(cè)量表明當(dāng)VDS增加時(shí)漏極電流稍有增加。第54頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道長(zhǎng)度調(diào)制類似于在BJT中遇見的Early(厄雷)效應(yīng)，當(dāng)增高集電極一發(fā)射極電壓時(shí)，在飽和模式下的集電極電流略有增加，這將在第7章中討論。第55頁(yè)，共64頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6．4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管6．4．4極限值MESFET必須工作在由最大漏極電流IDmax，最大柵極一源電壓VGSmax和最大漏極一源極電壓VDSmax所局限的區(qū)域中。最大功率：同時(shí)它與溝道溫度Tc和環(huán)境溫度Ta以及溝道與焊點(diǎn)間的熱阻Rthjs有關(guān)，關(guān)系如下式：6.4.3頻率響應(yīng)高頻MESFET性能取決于在源極和漏極間行進(jìn)的荷電載流子的渡越時(shí)間和器件的RC時(shí)間常數(shù)。關(guān)于時(shí)間常數(shù)以后討論，這里只分析渡越時(shí)間。由于在Si和GaAs中電子比空穴有高得多的遷移率，在RF和MW應(yīng)用中基本使用N溝道MESFET，且GaAs的電子遷移率比Si的電子遷移率約高5倍，大都選用GaAsMESFET器件。電子穿越柵極長(zhǎng)度L的溝道，其渡越時(shí)間出下式計(jì)算：其中假定固定的飽