微波電子線路西安電子科技大學(xué)

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1、八毫米開腔用于彈道靶尾跡電子密度測(cè)量 西安電子科技大學(xué) ? 2肖特基勢(shì)壘二極管的 構(gòu)造原理及特性 微波混頻器是任何種類微波接收機(jī)的最主要部件之一。 不僅因?yàn)樗? 必不可少的，更主要原因是它處于整個(gè)接收機(jī)的前端位置、其性能好壞， 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響極大。其基本作用是把微波頻率信號(hào)變換成中頻信號(hào)，中 頻信號(hào)的調(diào)制解調(diào)方便，濾波器相對(duì)滾降高。要求混頻器失真小、損耗小、 噪聲低、靈敏度高。目前，混頻器中的非線性元件主要是肖特基勢(shì)壘二極 管?；祛l器性能由管子性能和電路設(shè)計(jì)，工藝水平共同決定。本章首先介 紹混頻器的核心器件一肖特基勢(shì)壘二極管。 常見半導(dǎo)體材料的特性參數(shù) T=25C, N=10cm3

2、 參數(shù) GaAs Si Ge GaAs2DEG 電子遷移率（cm2/Vs） 5000 1300 3800 8000 、 、、一 一，、. 2 仝穴遷移率（cm /Vs） 330 430 1800 飽和遷移速度（cm/s） 1- X107 0.7 X 107 0.6 X 107 2- 3X107 帶隙（eV） 1.42 1.12 0.66 雪崩電場(chǎng)（V/cm） 5 4.2 X 10 5 3.8 x 10 5 2.3 X 10 理論最大溫度（C） 500 270 100 實(shí)際最大溫度（C） 175 200

3、 75 熱導(dǎo)率150 C時(shí),25 C時(shí) 0.30 0.45 1.00 1.40 0.40 0.60 0.30 0.45 (W/cm C) 一、 肖特基勢(shì)壘二極管的組成及工作原理 ——管子內(nèi)部的半導(dǎo)體機(jī)理 1構(gòu)造：以重?fù)诫s（1019/cm3）的N為襯底、厚度為幾十 m,外延生長(zhǎng)零 點(diǎn)幾m厚的N型本征本導(dǎo)體作為工作層，在其上面再形成零點(diǎn)幾 m的二 氧化硅絕緣層，光刻并腐蝕直徑為零點(diǎn)幾或幾十 m的小洞，再用金屬點(diǎn)接 觸或淀積一層金屬和N型半導(dǎo)體形成金屬半導(dǎo)體結(jié)，在該點(diǎn)上鍍金形成正 極，給另一面N層鍍金形成負(fù)極，即可完成管芯。 將管芯封裝于陶瓷管內(nèi)

4、為傳統(tǒng)形式，集成電路中可不用管殼 高頻二極管基本結(jié)構(gòu) 金周魚 半導(dǎo)體片 金屬電極 “"/〃打⑴/7T1 上陶瓷管克 一 J調(diào)節(jié)螺絲 金屬電極 金屬電極 2工作原理 肖特基勢(shì)壘二極管工作的關(guān)鍵區(qū)域是金屬和 N型半導(dǎo)體結(jié)形成的肖特 基勢(shì)壘區(qū)域，是金屬和N型半導(dǎo)體形成的肖特基勢(shì)壘結(jié)區(qū)域。 漂移電流擴(kuò)散電流 肖特基勢(shì)壘結(jié)的形成：在金屬和N型半導(dǎo)體中都存在導(dǎo)電載流子一電子。它們的能級(jí) (EQ不同，逸出功也不同。當(dāng)金屬和 N型半導(dǎo)體相結(jié)時(shí)，電子流從半導(dǎo)體一側(cè)向金 屬一側(cè)擴(kuò)散，同時(shí)也存在金屬中的少數(shù)能量大的電子跳躍到半導(dǎo)體中，稱為熱電子。顯 然，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)，于是界

5、面上金屬中形成電子堆積，在半導(dǎo)體中出現(xiàn)帶正電 的耗盡層。在界面上形成由半導(dǎo)體指向金屬的內(nèi)建電場(chǎng)，它是阻止電子向金屬一側(cè)擴(kuò)散 的，而對(duì)熱電子發(fā)射則沒有影響。隨著擴(kuò)散過(guò)程的繼續(xù)，內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)削弱 于是在某一耗盡層厚度下，擴(kuò)散和熱電子發(fā)射處于平衡狀態(tài)。宏觀上耗盡層穩(wěn)定，兩邊 的電子數(shù)也穩(wěn)定。界面上就形成一個(gè)對(duì)半導(dǎo)體一側(cè)電子的穩(wěn)定高度勢(shì)壘 2 eNpWD 2G N D N半導(dǎo)體的參雜濃度，Wd厚度存在于金屬一半導(dǎo)體界面由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的勢(shì)壘成 為肖特基勢(shì)壘，耗盡層和電子堆積區(qū)域成為金屬一半導(dǎo)體結(jié)。 2, 拿管 一 N浜畢尋小 三金④份 斗金今冬1 J\一| 二始

6、枇電施 潭靜電醞 . 二 [ ? 《G 1-2-3 金禺一千年■聞法。。叱 荷.電絲加電住分再 （金》電荷芬■布：（片）電陸分布產(chǎn) （e ）用也分布n 能帶結(jié)構(gòu)，在室溫下，硅的禁帶寬度Eg約為1 .12 eV。錯(cuò)的能帶結(jié)構(gòu)與 硅類似，禁帶寬度在室溫下約為 0.66 eV。半導(dǎo)體材料的禁帶越寬，其耐 高溫、耐腐蝕、耐輻射等特性越好，寬禁帶器件是微波半導(dǎo)體的一個(gè)重要發(fā) 14 展方向 電子填充能帶的水 Ef為費(fèi)米能級(jí)，它并不是一個(gè)能為電子所占據(jù)的“真實(shí)”能級(jí)，而是反映了 平 由于n0> P0 ,費(fèi)米能級(jí)將升高，接近導(dǎo)帶，于nv Po ,費(fèi)米能級(jí)將降低，

7、接近于價(jià)帶 厘空能蛾 生園 N型甲牛蚌 圖2-23 命7和閃型半導(dǎo)體能帝爺構(gòu) 圖224金屬和N里半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘 圖中把電子在真空中的靜止?fàn)顟B(tài)表示為真空能級(jí)，用 能級(jí)，用Wm和|Ws分別表示金屬和半導(dǎo)體的逸出功, 又稱為電子親和能。 Ef M和Ef S分別表示金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米 用s表示半導(dǎo)體導(dǎo)帶底與真空能級(jí)的能量差， 國(guó)2-25金屬和內(nèi)里半導(dǎo)體接觸反阻指星 2）單向?qū)щ娫恚喝绻o金屬 一半導(dǎo)體結(jié)加上偏壓，則根據(jù)偏壓方向 不同、其導(dǎo)電特性也不同。 零偏：保持前述勢(shì)壘狀態(tài) 正偏：金屬一側(cè)接正極，半導(dǎo)體一側(cè)接負(fù)極 外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，內(nèi)建電廠被削弱，耗盡層變薄，肖

8、特基勢(shì) 壘高度降低，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，半導(dǎo)體一側(cè)的電子大量的源源不斷的流向 金屬一側(cè)造成與偏壓方向一致的電流，金屬半導(dǎo)體結(jié)呈正向?qū)щ娞匦?，?外加電壓越大，導(dǎo)電性越好: 2 2G eNpW s Vd 反偏：金屬一側(cè)接負(fù)極，半導(dǎo)體一側(cè)接正極 外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向一致、耗盡層變厚、擴(kuò)散趨勢(shì)削弱、熱電子發(fā) 射占優(yōu)勢(shì)，但這部分電子數(shù)量很少，不會(huì)是發(fā)射電流增大。在反偏電壓的 寸2-27 半結(jié)加區(qū)向假球 規(guī)定范圍內(nèi)，只有很小的反向電流。在反偏 情況下，肖特基勢(shì)壘呈大電阻特性。反偏電 壓過(guò)大時(shí)，則導(dǎo)致反向擊穿。 肖特基勢(shì)壘具有單向?qū)щ娞匦?，與 PN結(jié)類似但只有電子運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)靈 活，使用頻率高

9、 和F襯新二極管比較，金屬一半常體線二枇檢具*如下特.民 Ci）它是一檸完全依靠多數(shù)載流于（電子》工作的需世7消除了 PN薛二褪管中存在的少 敗然流于建存毀應(yīng)以及號(hào)此相聯(lián)贏的反向恢復(fù)時(shí)間必因此可以在很高的頻承下表現(xiàn)出總好的 變阻特性q這是它能夠用于混頻和彘波的主要原因。 Q門金屬-半導(dǎo)體結(jié)二極管由金屬和N型華導(dǎo)體相成才去掉了戶型半導(dǎo)體*因而消除了 P 區(qū)電阻（空穴遷移率低.電阻高）以及與它和連結(jié)的吹姆接觸電Hb盯以狹珞更低的串聯(lián)電阻 無(wú)詒是作為變?nèi)莨苓€是作為咬？1管，這一成都有利于降低噪聲系數(shù)口 （出）金屬一半導(dǎo)體站二極

10、管阻擋層較薄,反向擊穿電壓較PN結(jié)低,不能承受大的功率. 和點(diǎn)摟觸二粒管比E*為恃基表面勢(shì)至二極管具有如下優(yōu)點(diǎn)工 口）點(diǎn)接觸二極管利用金屬鯉壓接在羋密體表而形成金屬一半導(dǎo)體繡，由于金屬絲的壓力 常常破壞了晶體結(jié)構(gòu)，形成晶體缺陷，同時(shí)由于接觸面暴露花外部,極品污染,所以它所彩 成的是不完善的月林荒勢(shì)里:「共伏女特性的斜率叁數(shù)北偏離理想值較大*二極管噪聲舐度比 較大*菖特基表面勢(shì)至二極管避免了這些瞋點(diǎn)卬 佳）制作肖特基衰而勢(shì)型二板管時(shí)采用了外延拄求,外嬉屎很薄.襯感N反雜版械& 高，電阻率假，因面串聯(lián)電網(wǎng)&大大降低w通常肖特型表面號(hào)壘一板管的您比點(diǎn)接觸二 極管低一個(gè)數(shù)玨級(jí)，因此噪聲性能有較大

11、的改善苜

12、 4. I - BATlB OJWSChattJ^ (Mjxsi) *曲 ? - BBVE3 <13W -JypmrHfr-rhpi Tuning Died口 ?a - 3 - BAFtl ? P1H 4■ 4 - 00E4O TiFingtXrtff 5- UULJ^ l-jrrg Diod4 G - BAP01 ng Diode ? - DAfG] 03V*rir*CJp_dt ■金屬與半導(dǎo)體的歐姆接觸 金屬與半導(dǎo)體的歐姆接觸半導(dǎo)體器件用于從器件芯片引出金屬電極。雖然也是金屬與半導(dǎo)體的 接觸，但不能是具有整流特性的肖特基接觸。這種金屬引線與半導(dǎo)體的接觸應(yīng)該具有對(duì)稱的、

13、線性 的伏安特性，還要求接觸電阻盡可能小。 在實(shí)踐中這樣構(gòu)成歐姆接觸： 在N型（或P型）半導(dǎo)體上先形成 ? 一層重?fù)诫sN （或P）層，然后再與金屬接觸，即為“金屬-N -N ■ , 或"金屬-P -P結(jié)構(gòu)。 -=一不二；.金屬與重?fù)诫s半導(dǎo)體接觸時(shí)， 在半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢(shì)壘層很薄。 對(duì)于 f . 金屬和半導(dǎo)體兩側(cè)的電子，這樣薄的勢(shì)壘區(qū)幾乎是透明的。 在相當(dāng) I 圖3,“N“N培芝中 大的電流范圍內(nèi)，電流與電壓關(guān)系近似為線 肖特基勢(shì)壘二極管的特性 1,伏安特性 eVD 1 ISa網(wǎng)而） 1 1sa eaVD sa I Sa eVn N me e Ms / k

14、t 反向飽和電流 10 9~105A n工藝因子 k 1.38 10 23J/ok 波爾茲曼常數(shù) e 1.6 10 29c 電子電荷 T工作溫度K V偏壓V 2、結(jié)電阻、電流 Rj 1 dI /dV Isa Sa e ev/nkT e nKT 1 av 1 1 e I saa a I I sa aI 正偏時(shí)：I上升，Rj下降 反偏時(shí)：Rj 3、結(jié)電容 Cj dQs "dV Cj 0 Qs eNpA V ds Y2 Ci 0

15、 4、寄生參數(shù) RS RS1 RS2 RS3 N體電阻襯底電阻電極電阻 引線電感 Ls 零點(diǎn)幾毫微亨 封裝電容 Cp 零點(diǎn)幾皮法 三 等效電路和特性參數(shù) 1等效電路 號(hào) 匣r-2-7金曷，單導(dǎo)休她二板E 勒手M電路 2特性參數(shù) (1)截至頻率 ~1fc 前知Rs、Cj 0都很小，故fc高，達(dá)KGHZ,工作頻率 (2)噪聲溫度比 fd 總輸出噪聲功率與KTB之比 ta Pn KTB Rs 2Rj Rs Rj 理想td 實(shí)際1.2~2 (3)中頻

16、阻抗 在額定本振功率時(shí), 對(duì)指定中頻呈現(xiàn)的阻抗 以后討論基本指標(biāo)、噪聲系數(shù)和變頻損耗 三典型工程參數(shù) 勢(shì)壘高度應(yīng)用情況 勢(shì)壘類型 1mA時(shí)電壓Vfi 本振驅(qū)動(dòng)功率 應(yīng)用場(chǎng)合 零偏 0.10 ?0.25V <0.1mW 檢波器 低勢(shì)壘 0.25 ?0.35V 0.1mW- 2mW 低激勵(lì)混頻器 中勢(shì)壘 ；0.35 ?0.50V 0.5mM 10mW 一＞用途  局勢(shì)至 0.50 ?0.80V >10mW 寬動(dòng)態(tài)范圍 肖特基結(jié)等效電路元件參數(shù)的典型值 引線電感Ls 結(jié)電阻R 結(jié)電容。 串聯(lián)體電阻Rs 極板電容Cg

17、 0.1nH ：200◎?2k Q 3.2fF 2?5a 0.1 ?0.2pF 已f- H*-廣⑥蠹 VMN2 PMDU e 1.6* €,1 Q4Max Number Cut，* TT Fnquvnr {*) Mimmutn* 7wig. Signal S4miiiv^ T99 (dBm) VtdH kmpwunc**1 Hangs MinJltfiM- (K 附E* 1艇 a ■■S5 M2 UA4O143 劇3 3 ?50 UA40100 137 w 62 1挖 MA4O07O 137 lb 乎 Iffi NW4O2M 18S 10 -5S i ~1~~-— MJWC147 1 口 1J2 繳 10 -- _ 1Q MA4C21S-276 276 IS -52 1ffi J