第五章固態(tài)微波元器件

微波工程導(dǎo)論

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1內(nèi)容提要1半導(dǎo)體基礎(chǔ)2微波二極管一

肖特基二極管

二

變?nèi)荻O管

三其它二極管3結(jié)型晶體管

一結(jié)型晶體管工作原理

二

等效電路與結(jié)構(gòu)

三

晶體管的伏安特性曲線

四

晶體管的工作特性場(chǎng)效應(yīng)晶體管

一

金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管

二異質(zhì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管

本章主要介紹廣泛應(yīng)用于微波電子線路的各種固態(tài)微波元器件，主要包括屬于微波二極管的PN結(jié)管、肖特基結(jié)管、變?nèi)莨艿?，屬于微波三極管的雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管等。它們是構(gòu)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。231半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體的概念及分類半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。金屬半導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體材料的特性：1)負(fù)溫度系數(shù)：其電阻值隨溫度上升而下降，這與金屬正好相反2)載流子：電子/空穴“本征半導(dǎo)體”“N型半導(dǎo)體”“P型半導(dǎo)體”雜質(zhì)不同；3)電阻率對(duì)雜質(zhì)敏感；4)溫差電效應(yīng)顯著；5)光敏特性；MN結(jié)、PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)具有非對(duì)稱導(dǎo)電特性，整流特性，非線性I/V關(guān)系，半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)。半導(dǎo)體材料的種類4分類材料主要用途IV族元素半導(dǎo)體鍺Ge二極管、三極管、集成電路、太陽(yáng)能電池、……硅Si二元化合物半導(dǎo)體III-V族化合物：砷化鎵GaAs磷化銦InP銻化銦InSb磷化鎵GaP微波元件、光電器件、集成電路、紅外接收器件、霍爾器件、發(fā)光二極管、……II-VI族化合物：硫化鎘CdS硫化鋅ZnS光敏電阻、太陽(yáng)能電池、熒光材料、……IV-IV族化合物：碳化硅SiC高溫器件IV-VI族化合物：硫化鉛PbS光敏電阻、……其它溫差電材料、……三元化合物半導(dǎo)體鎵砷磷碲鎘汞發(fā)光器件、紅外探測(cè)、……四元化合物半導(dǎo)體鎵銦砷磷激光器、……2微波二極管5(1)結(jié)構(gòu)主要種類：主要有點(diǎn)接觸式、面接觸式兩種類型。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體外延層點(diǎn)接觸半導(dǎo)體外延層面結(jié)合氧化層金屬鉬金金絲兩種肖特基勢(shì)壘二極管結(jié)構(gòu)金屬觸絲歐姆接觸金屬○點(diǎn)接觸管表面不易清潔，針點(diǎn)壓力會(huì)造成半導(dǎo)體表面畸變，因而其接觸勢(shì)壘不是理想的肖特基勢(shì)壘，受到機(jī)械震動(dòng)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生顫抖噪聲。但面結(jié)合型管子金半接觸界面比較平整，不暴露而較易清潔，其接觸勢(shì)壘幾乎是理想的肖特基勢(shì)壘。不同的點(diǎn)接觸管子生產(chǎn)時(shí)壓接壓力不同，使肖特基結(jié)的直徑不同，因此性能一致性差，可靠性也差。但面結(jié)合型管子由于采用平面工藝，因此管子性能穩(wěn)定、一致性好、不易損壞。一特基二極管6(2)等效電路

稱為二極管的非線性結(jié)電阻，是阻性二極管的核心等效元件。隨著加于二極管上的偏壓改變，正向時(shí)約為幾個(gè)歐姆，反向時(shí)可達(dá)兆歐量級(jí)。肖特基勢(shì)壘二極管等效電路

稱為二極管的非線性結(jié)電容，由于金半結(jié)管子不存在擴(kuò)散電容，故這一電容就是金半結(jié)的勢(shì)壘電容，其數(shù)值在百分之幾到一個(gè)皮法（pF）之間。

稱為半導(dǎo)體的體電阻，又叫串聯(lián)電阻。點(diǎn)接觸型管子的值約在十到幾十歐姆，而面結(jié)合型管子的值約為幾歐姆。

引線電感，約為一至幾個(gè)納亨。

管殼電容，約為幾分之一皮法。肖特基二極管電路符號(hào)(3)伏安特性當(dāng)勢(shì)壘是理想的肖特基勢(shì)壘時(shí)，，當(dāng)勢(shì)壘不理想時(shí)，。對(duì)點(diǎn)接觸型管子來(lái)說(shuō)，通常，而面結(jié)合型管子。肖特基勢(shì)壘二極管電壓電流特性07

二極管兩端的外加偏壓由兩部分構(gòu)成：直流偏壓和交流時(shí)變偏壓（可稱為本振電壓）,為：肖特基勢(shì)壘二極管時(shí)變電流波形008(4)特性參量

截止頻率

當(dāng)外加電壓角頻率為，使得時(shí)，

高頻信號(hào)在上的損耗為3dB，二極管已經(jīng)不能良好工作。定義這時(shí)對(duì)應(yīng)的外加信號(hào)頻率為肖特

基勢(shì)壘二極管的截止頻率：9

噪聲比

噪聲比定義為二極管的噪聲功率與相同電阻熱噪聲功率的比值。肖特基勢(shì)壘二極管噪聲等效電路噪聲來(lái)源載流子的散粒噪聲串聯(lián)電阻的熱噪聲取決于表面情況的閃爍噪聲噪聲發(fā)生器的均方值為:噪聲發(fā)生器內(nèi)導(dǎo)為二極管小信號(hào)電導(dǎo)：10散粒噪聲的資用功率為：等效電阻在室溫下的熱噪聲資用功率為，因此二極管的噪聲比為：當(dāng)二極管溫度時(shí)：

由于對(duì)于理想肖特基勢(shì)壘，則?？紤]到其它各種因素，可認(rèn)為。實(shí)際上對(duì)于性能較好的管子，較差的可能達(dá)到。11（5）微波效應(yīng)在肖特基二極管的現(xiàn)象1）趨膚效應(yīng)二極管的電流聚集在導(dǎo)電介質(zhì)邊緣，微波頻率時(shí)的串聯(lián)電阻比直流時(shí)的串聯(lián)電阻大的多，必須求高頻率時(shí)的串聯(lián)電阻。雖然直流電流分布于整個(gè)襯底上，但高頻電流僅存在于管芯表面的極薄的層里，管芯內(nèi)大部分區(qū)域無(wú)電流。高頻電流薄層的路徑增加和橫截面的減少，增加了二極管的串聯(lián)電阻。平面二極管芯片剖面原理圖122）分布參數(shù)效應(yīng)標(biāo)示陽(yáng)極附近的二極管芯片原理圖邊緣電容位置平面二極管芯片靠近陽(yáng)極和表面溝道區(qū)域的等效電路13143）基底等離子共振和若工作頻率滿足條件：

和

，則下式成立

式中

是介電弛豫頻率，

是介電弛豫時(shí)間，

散射頻率，

是電子弛豫時(shí)間，m為載流子有效質(zhì)量。

右邊第一項(xiàng)是擴(kuò)散電阻，第二項(xiàng)是趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的電阻。在某一頻率慣性電感

和位移電容

發(fā)生共振，該頻率稱為等離子共振頻率或等離子頻率用

表示

載流子慣性和介電弛豫對(duì)對(duì)串聯(lián)阻抗的影響主要體現(xiàn)在校正因子截止頻率；

4）外延層等離子共振15介電弛豫和載流子慣性對(duì)外延層的影響也非常重要，在忽略外延層趨膚效應(yīng)的情況下，外延層近似中性區(qū)域的等效電路和基底的等效電路相似，其LRC電路的個(gè)元素為外延層阻抗式中

和

分別是外延層的介電弛豫頻率和散射頻率

在塊狀介質(zhì)中，當(dāng)電場(chǎng)方向發(fā)生變化時(shí)，電子速度適應(yīng)期變化，載流子慣性會(huì)延遲，也就是電子被加速到新的運(yùn)動(dòng)方向前，電場(chǎng)必須使電子先慢下來(lái)，當(dāng)電場(chǎng)頻率遠(yuǎn)小于散射頻率時(shí)，載流子通過隨機(jī)散失，當(dāng)電場(chǎng)頻率接近平均散射頻率時(shí)，由于隨機(jī)散射速度較小，載流子慣性不能消失，則引起的電感不能忽略。載薄的外延層中，電子速率受基底和陽(yáng)極之間電子交換速率影響。當(dāng)電子隨機(jī)散射由基底流向外延層時(shí)，它被電場(chǎng)加速流向陽(yáng)極，在此過程中，部分電子會(huì)穿透肖特基勢(shì)壘流向陽(yáng)極，而部分電子會(huì)返回基底，但在強(qiáng)偏壓的情況下大部分電子會(huì)穿透肖特基勢(shì)壘流向陽(yáng)極，通常情況下，以釋放電子會(huì)被基底熱化電子所代替，此過程等效為準(zhǔn)散射過程(1)

結(jié)構(gòu)

由于PN結(jié)上空間電荷層的存在，將會(huì)出現(xiàn)結(jié)電容（主要是勢(shì)

壘電容），這部分結(jié)電容將隨著加于PN結(jié)上的外電壓改變，利用

這一特性構(gòu)造了變?nèi)荻O管。它可作為非線性可變電抗應(yīng)用，構(gòu)

成參量放大器、參量變頻器、參量倍頻器（諧波發(fā)生器）、可變

衰減或調(diào)制器等。

兩種PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)N+襯底N層氧化層金屬歐姆接觸金屬P層N+襯底N層氧化層金屬歐姆接觸金屬P層平面型結(jié)構(gòu)臺(tái)式型結(jié)構(gòu)二變?nèi)荻O管16

是外加電壓的函數(shù)，在反偏壓下可達(dá)兆歐量級(jí)。2等效電路PN結(jié)二極管等效電路

在零偏壓下，值約為0.1-1.0pF。

引線電感，通常小于1nH。

管殼電容，通常小于1pF。

通常為1～5，也應(yīng)該是外加電壓的函數(shù)，由于其值很小，可近似認(rèn)為是常量。變?nèi)莨茈娐贩?hào)17(3)特性重?fù)诫s突變P＋N結(jié)的勢(shì)壘電容可表示為：可認(rèn)為此電容即是結(jié)電容，對(duì)應(yīng)結(jié)上的電壓考慮到緩變結(jié)或其它一些特殊結(jié)類型，結(jié)電容值可統(tǒng)一表示為：m稱為結(jié)電容非線性系數(shù)，它的大小取決于半導(dǎo)體中摻雜濃度的分布狀態(tài)，反映了電容隨外加電壓變化的快慢。18對(duì)于突變P＋N結(jié)，，電容變化較快；對(duì)于線性緩變結(jié)，變?nèi)莨茈妷弘娙萏匦?

管子一般工作于反偏狀態(tài)，反偏壓的絕

對(duì)值越大，結(jié)電容值越小。當(dāng)時(shí)，稱為超突變結(jié)，其電容在某一反偏壓范圍內(nèi)隨電壓變化很陡，一般可用于電調(diào)諧器件；當(dāng)時(shí)，由于結(jié)電容與偏壓平方成反比，由結(jié)電容構(gòu)成的調(diào)諧

回路的諧振頻率與偏壓成線性關(guān)系，有利于壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻。當(dāng)時(shí)，近似可認(rèn)為，結(jié)電容近似不變，稱

為階躍恢復(fù)結(jié)。19變?nèi)莨艿墓ぷ麟妷合拗圃诤椭g，即：當(dāng)變?nèi)莨芡瑫r(shí)加上直流負(fù)偏壓和交流時(shí)變偏壓，即：為泵浦電壓

時(shí)的工作狀態(tài)稱之為滿泵工作狀態(tài)或滿泵激勵(lì)狀態(tài)，稱為欠泵工作狀態(tài)會(huì)欠泵激勵(lì)狀態(tài)，稱為過泵工作狀態(tài)或過泵激勵(lì)狀態(tài)。20時(shí)變電容隨泵浦電壓周期變化波形00是周期為泵頻的周期函數(shù),可以用傅立葉級(jí)數(shù)展開為：214特性參量

表征變?nèi)莨芴匦缘奶匦詤⒘砍饲懊嬉呀?jīng)介紹過的相對(duì)泵幅、電容（電彈）調(diào)制系數(shù)等以外，還有靜態(tài)品質(zhì)因數(shù)和截止頻率，以及動(dòng)態(tài)品質(zhì)因數(shù)和截止頻率。

靜態(tài)品質(zhì)因素

它表征變?nèi)莨軆?chǔ)存交流能量與消耗能量之比，越高說(shuō)明管子損耗越小。當(dāng)偏壓一定時(shí)，結(jié)電容值一定，工作頻率越高，就越低。22

靜態(tài)截止頻率定義當(dāng)頻率升高使得的頻率為變?nèi)莨茉谥绷髌珘合碌慕刂诡l率

上述兩個(gè)參量是當(dāng)變?nèi)莨軆H有直流偏壓作用時(shí)性能的表征，故稱為靜態(tài)參量。由于結(jié)電容是偏壓的函數(shù)，因此一般以零偏壓時(shí)的

及作為比較管子的參數(shù)指標(biāo)。另外一般規(guī)定在反向擊穿電壓時(shí)的截止頻率為額定截止頻率：23

動(dòng)態(tài)品質(zhì)因數(shù)

下面兩個(gè)參量是在直流偏壓和交流泵浦共同作用下變?nèi)莨芴匦缘谋碚鳎Q為動(dòng)態(tài)參量。

動(dòng)態(tài)截止頻率

和是在直流偏壓和交流泵浦共同作用下變?nèi)莨茈娙莸淖钚『妥畲笾怠?4

三其它二極管25

晶體管分為兩大類，一類為結(jié)型晶體管，另一類是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。兩類雖然都叫做晶體管，但其工作原理是不同的。結(jié)型晶體管也稱為雙極型晶體管、雙極結(jié)晶體管（Bipolar-JunctionTransistor），習(xí)慣上稱作晶體管或晶體三極管，英文簡(jiǎn)稱為BJT。由于它的低成本結(jié)構(gòu)、相對(duì)較高的工作頻率、低噪聲性能及高功率容量，BJT是目前最廣泛運(yùn)用的射頻有源器件之一。其名稱的由來(lái)是由于在這類晶體管中有兩種極性的載流子-電子和空穴都參與器件的工作。本節(jié)介紹結(jié)型晶體管的工作原理、結(jié)構(gòu)和等效電路、特性。3結(jié)型晶體管26

盡管反向偏壓可以很大，流過的電流總是很小的，因?yàn)榉聪螂娏魇怯蒔、N區(qū)的少子形成的。（1）．基本工作過程PNPN正、反向偏壓PN結(jié)

如果PN結(jié)加上的是正向偏壓，即使電壓較小，也可產(chǎn)生較大電流。

這時(shí)P區(qū)中的空穴注入到N區(qū)，產(chǎn)生少子注入，使N區(qū)空間電荷區(qū)邊界處的空穴濃度大大提高，可見少子注入是增加N區(qū)空穴濃度的一種手段。一

工作原理27PPNPNP型雙極晶體管結(jié)構(gòu)WECB

將兩個(gè)PN結(jié)的N區(qū)結(jié)合成一塊，而且使合成后的N區(qū)較薄，薄到它的寬度可以比注入空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度小很多，則由左方正偏PN結(jié)注入到N區(qū)的空穴，可以被右方反偏PN結(jié)所“收集”。這樣就構(gòu)成了一個(gè)結(jié)型晶體管，稱為PNP型晶體管

左方的PN結(jié)（正偏）叫發(fā)射結(jié)，右方的PN結(jié)（反偏）叫收集結(jié)或集電結(jié)，左方的P區(qū)叫發(fā)射區(qū)，右方的P區(qū)叫做收集區(qū)或集電區(qū)，中間的N區(qū)叫基區(qū)，三個(gè)電極分別稱為發(fā)射極（E）、集電極（C）和基極（B）。28晶體管的基本工作原理：

在工作狀態(tài)下，發(fā)射結(jié)的作用在于向基區(qū)提供少子，收集結(jié)的作用在于收集從基區(qū)擴(kuò)散過來(lái)的少子，結(jié)果是：發(fā)射結(jié)的電流能夠控制集電結(jié)的電流。具體地說(shuō)，在某一瞬間發(fā)射結(jié)注入的空穴多，則集電結(jié)的電流就大；反之，發(fā)射結(jié)注入的空穴少，集電結(jié)的電流就小。如果把一個(gè)信號(hào)加于發(fā)射結(jié)，使發(fā)射結(jié)電流隨信號(hào)改變，則能在集電極的電流變化中把這個(gè)信號(hào)重現(xiàn)出來(lái)。

為保證這一控制過程順利進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)上的先決條件使基區(qū)寬度小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度。

如果三極管是由兩層N區(qū)和一層P區(qū)構(gòu)成的NPN結(jié)構(gòu)，其工作原理與PNP管是完全類似的，區(qū)別僅在于發(fā)射結(jié)向基區(qū)注入的少子是電子。需要說(shuō)明的是實(shí)際上常用的微波雙極晶體管是硅NPN型。29（2）.連接方式

共基極連接、共發(fā)射極連接和共集電極連接。三種連接方式都可以使發(fā)射結(jié)處于正偏、有注入少子作用，使集電結(jié)處于反偏、有收集作用。PNP型雙極晶體管的連接方式共基極連接PPNECBBECPNPBECPNP共發(fā)射極連接共集電極連接30PPNPNP型雙極晶體管各極電流構(gòu)成0WEBC31二等效電路與結(jié)構(gòu)基區(qū)體電阻；基區(qū)歐姆接觸電阻；集電區(qū)體電阻；集電極歐姆接觸電阻；發(fā)射結(jié)的結(jié)電阻；發(fā)射區(qū)的體電阻；可忽略發(fā)射極歐姆接觸電阻；發(fā)射結(jié)的勢(shì)壘電容；發(fā)射結(jié)的擴(kuò)散電容；集電結(jié)的結(jié)電阻；一般由于反偏較大可忽略電流放大系數(shù)；若考慮封裝因素在內(nèi)，等效電路中還必須加上封裝電容和封裝引線電感；32NPN型PNP型雙極型晶體管電路符號(hào)ECBECB33三晶體管的伏安特性曲線輸入端與公共端之間的電流-電壓關(guān)系稱為輸入特性；輸出端與公共端之間的電流-電壓關(guān)系稱為輸出特性。這些特性用曲線形式表示出來(lái)就是特性曲線。對(duì)應(yīng)于三種連接方式，總共有三種輸入特性曲線和三種輸出特性曲線。晶體管的工作基礎(chǔ)在于兩個(gè)結(jié)之間的相互作用，因而會(huì)導(dǎo)致輸入對(duì)輸出、輸出對(duì)輸入存在相互之間的影響，所以還有一種轉(zhuǎn)移特性曲線。34輸入特性發(fā)射極連接輸入特性曲線為參數(shù)電路的輸出端短路，由于發(fā)射結(jié)處于正偏，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)處于正偏下并聯(lián)，其曲線與PN結(jié)的正向伏安特性相似。集電結(jié)處于反偏，集電結(jié)空間電荷區(qū)展寬，基區(qū)有效寬度將減小，基區(qū)內(nèi)復(fù)合損失也將減小，就減小，因而曲線向右移。發(fā)射極與基極短路，流過基極的將是集電結(jié)反向飽和電流共發(fā)射極連接情況35輸出特性在放大區(qū)，共發(fā)射極輸出特性曲線比共基極情形時(shí)上翹更為顯著。

36四晶體管的工作特性1）頻率特性

372）功率特性

一般來(lái)說(shuō)，欲使晶體管輸出較大的功率，可以通過提高集電結(jié)的反向耐壓和增大集電極電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這兩方面都有限制。下面介紹晶體管在大信號(hào)下的特性改變和極限值。

383）溫度特性

研究結(jié)果表明，溫度對(duì)于晶體管的特性影響是相當(dāng)大的，過高的溫度還會(huì)導(dǎo)致“熱擊穿”，溫度和散熱處理是晶體管工作的一個(gè)重要方面。394）噪聲特性

405）開關(guān)特性PN結(jié)在正向偏置時(shí)，具有低阻抗，可流過很大的電流，在反偏時(shí)，具有高阻抗，僅有很小的反向漏電流流過，這種特性稱為“開關(guān)”特性。與PN結(jié)管類似，雙極型晶體管也具有‘開關(guān)“特性”。

只要在晶體管的輸入端加上正、負(fù)脈沖，就能使晶體管在截止與飽和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，起到開關(guān)作用。同樣，由于晶體管也存在電荷儲(chǔ)存，其開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換也不可能立刻完成，有一定的“開啟時(shí)間”和“關(guān)閉時(shí)間”。

一般來(lái)說(shuō)，晶體管的開關(guān)速度跟不上微波頻率的變化。與PIN管類似，利用這一點(diǎn)可以在晶體管輸入端加上低頻的控制電壓，以決定晶體管的通與斷。414場(chǎng)效應(yīng)晶體管

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor），習(xí)慣上稱作場(chǎng)效應(yīng)管，英文簡(jiǎn)稱為FET。場(chǎng)效應(yīng)管也稱為“單極型晶體管”，構(gòu)成其工作的只有一種載流子，或是空穴，或是電子，形成的是多子電流。從原理上說(shuō)，它是一種利用電場(chǎng)的作用，來(lái)改變多子電流流通通道的幾何尺寸，從而改變通道導(dǎo)電能力的一種器件。場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以分為四類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JunctionFieldEffectTransistor-JFET）；金屬絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MetalInsulatorSemiconductorFieldEffectTransistor-MISFET），它是一種應(yīng)用最為廣泛的類型，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor-MOSFET）即屬于這一類，通稱為MOS管；金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MEtalSemiconductorFieldEffectTransistor-MESFET）；異質(zhì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HeteroFieldEffectTransistor-HeteroFET），高電子遷移率晶體管（HighElectronMobilityTransistor-HEMT）即屬于這一類。

由于存在由柵極和絕緣體或負(fù)偏置PN結(jié)形成的大電容，MOSFET和JFET具有較低截止頻率，通常工作于低和中等頻率范圍內(nèi)，在1GHz以下。GaAsMESFET可使用在60~70GHz范圍內(nèi)。而HEMT可工作超過100GHz。因?yàn)槲覀儍A向于射頻應(yīng)用，所以將著重介紹后兩種類型。42一

金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（1）基本結(jié)構(gòu)與工作原理典型GaAsMESFET的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

如果在柵極和源極之間加上負(fù)電壓V_GS（柵壓），使金半結(jié)處于反偏，這時(shí)空間電荷層將展寬，使溝道變窄，從而加大溝道電阻、減小I_D。因此控制柵壓V_GS可以靈敏地改變耗盡層寬窄，從而調(diào)制溝道厚度，達(dá)到最終控制漏流I_D的目的。43當(dāng)

較小時(shí)，溝道可視為一個(gè)簡(jiǎn)單電阻，結(jié)果

與

的關(guān)系是線性的。（b）當(dāng)

逐漸增大，電流

也會(huì)加大，溝道中的歐姆壓降也將隨之加大，

對(duì)溝道寬度的控制作用開始顯現(xiàn)出來(lái)，柵極與N溝道之間的反向偏置沿著從源到漏的方向越來(lái)越大，于是靠近漏極端的空間電荷區(qū)較靠近源極端的空間電荷區(qū)為寬，如圖(c)所示

繼續(xù)增加使

，可導(dǎo)致在靠近漏極端處，溝道厚度減為零，溝道出現(xiàn)“夾斷”狀態(tài)。(d)(2).源、漏間電壓電流關(guān)系－一般情況

1)①若

時(shí)，整個(gè)器件處于平衡狀態(tài)，N區(qū)中只有平衡狀態(tài)下的空間電荷區(qū)。(a)

②若

時(shí)，則應(yīng)有電流

經(jīng)過N溝道，自漏極流向源極，柵結(jié)處于由

造成的反偏壓下。

4445

在

基礎(chǔ)上，繼續(xù)增大，使

，溝道被夾斷的范圍將擴(kuò)大。（e）如果進(jìn)一步使

加大，將會(huì)發(fā)生柵結(jié)的雪崩擊穿，電流突然增大。

2)

即在源漏間已經(jīng)存在一個(gè)固定的直流負(fù)偏壓，這時(shí)的源、漏間電壓電流關(guān)系與

完全相似，只是由于存在負(fù)偏壓，柵結(jié)的空間電荷區(qū)將展寬，使溝道較

時(shí)為窄，電阻更大。這時(shí)出現(xiàn)電流飽和時(shí)的漏電壓相應(yīng)降低，飽和電流值也減小。MESFET電壓電流特性（不存在電子速度飽和效應(yīng)時(shí)）MESFET轉(zhuǎn)移特性圖右表示了柵長(zhǎng)度為3、漏極電流已飽和的GaAsMESFET情況。此時(shí)短溝道內(nèi)電場(chǎng)很高，而且由于溝道厚度不均勻而造成電場(chǎng)分布不均勻(3).源、漏間電壓電流關(guān)系－短?hào)臛aAsMESFET情況

短?hào)诺驮肼旼aAsMESFET電壓電流特性46（4）.等效電路

MESFET在電路中的符號(hào)見右下圖。47（五）晶體管的工作特性1）頻率特性

單向最大資用功率增益482）功率特性

PCM=VDS·ID右圖表示了MESFET的功率極限情況。493）噪聲特性

②噪聲系數(shù)與工作頻率的關(guān)系。可以求得描述MESFET最小噪聲系數(shù)特性的常用近似表達(dá)式為本征MESFET噪聲等效電路503）噪聲特性

MESFET的

～

關(guān)系（

為零偏壓時(shí)飽和漏電流）51二

異質(zhì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（1）．基本結(jié)構(gòu)

異質(zhì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的典型代表是高電子遷移率晶體管（HEMT）。高電子遷移率晶體管也稱為調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它利用不相似半導(dǎo)體材料諸如GaAlAs/GaAs異質(zhì)結(jié)帶隙能上的差別，可以大大突破MESFET的最高頻率限制，而同時(shí)保持其低噪聲性能和高功率額定值。圖5.6-14給出了HEMT的基本結(jié)構(gòu)。圖中最上部的N+型GaAs層是為了提供一個(gè)良好的源極和漏極接觸電阻，形成源極和漏極引線的歐姆接觸；在柵極下形成金屬引線與半導(dǎo)體的金半接觸；最下部為半絕緣的GaAs襯底。在N型GaAlAs和非摻雜的GaAs之間加了一層非摻雜的GaAlAs薄層。52（2）.工作原理HEMT的特性來(lái)源于其GaAlAs/GaAs異質(zhì)結(jié)的特殊能帶結(jié)構(gòu)，當(dāng)GaAlAs和GaAs緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)后，其能帶結(jié)構(gòu)如圖。由于電子載流子從摻雜GaAlAs和未摻雜GaAs層之間界面上的施主位置分離出來(lái)，進(jìn)入到GaAs層一側(cè)的量子勢(shì)阱中，在那里它們被局限于非常窄（約10nm厚）的層內(nèi)，在垂直于界面方向受到阻擋，只可能平行于界面作運(yùn)動(dòng)，由于這部分電子在空間上已脫離了原來(lái)施主雜質(zhì)離子的束縛，在運(yùn)動(dòng)過程中所受雜質(zhì)散射的作用大大減弱，因此載流子遷移率大為提高。HEMT的GaAlAs-GaAs界面的能帶圖53（3）.電壓電流關(guān)系

544.特性HEMT最突出的特性即是其高工作頻率和低噪聲。與MESFET類似，HEMT的高頻特性也取決于渡越時(shí)間和電子遷移率。可以看到，由于載流子的高遷移率，顯然HEMT的特征頻率和最高振蕩頻率遠(yuǎn)高于MESFET。目前工藝水平下，HEMT的工作頻率已經(jīng)可超過100GHz。而目前正在開展的研究，如GaInAs/Al