04-微波有源器件.pptVIP

有源器件的选择对射频与微波电路设计极其重要 接收、发送系统通常由滤波器、低噪声放大器、功率放大器、振荡器、倍频器、混频器以及开关电路、功率合成与分配电路等基本的射频与微波电路模块组成。 组成这些模块的更基本单元就是各类有源器件与无源器件。 初次进行射频与微波电路设计，感到最难入手的就是有源器件的选择。 选择有源器件要考虑的因素很多，首先要满足收发机对诸如振荡器、放大器、混频器等基本模块的指标要求，还要考虑可用技术与实现成本。 如何选择有源器件没有固定的程式。经验，对有源器件资料的掌握，对整个收、发系统指标的理解是选择有源器件的重要依据。 射频与微波电路常用的有源器件可分为两类，即二极管类型和三极管类型。 微波二极管： 作混频与检波用的肖特基表面势垒二极管（简称肖特基二极管）， 作振荡器用的甘氏二有管（Gunn diode） 作控制电路用的PIN二极管。 微波晶体管： 双极晶体管（Bipolar Transistors） 场效应晶体管（Field-effect Transistors） 肖特基表面势垒及其单向导电特性 当半导体材料与某些金属接触时，大量电子从半导体侧扩散进入金属，因而在半导体一侧留下不可移动的正离子，即带正电的“空间电荷”，形成了“空间电荷层”，也即“耗尽层”。这些空间电荷与进入金属的电子之间产生自建电场，造成势垒，阻止电子向金属一侧的进一步扩散。上述势垒称为“肖特基势垒”，这种由金属与半导体接触在一起形成势垒的结构也叫“金-半结”。 当“金-半结”加正压，即金属一侧接直流电源正极，半导体一侧接负极时，金-半结中势垒降低，耗尽层变薄，半导体中的电子源源不断地扩散入金属，因而构成大的正向电流IF。反之，当改变外加电压极性时，金-半结势垒增高。耗尽层变厚，半导体电子不能向金属一侧扩散，只有金属一侧少量电子反向进入半导体，构成小的反向电流。简而言之，“金-半结”具有单向导电特性。 面接触型肖特基势垒二极管及其等效电路 1、利用半导体表面工艺制成的面接触型肖特基势垒二极管的结构见图。 2、等效电路 肖特基势垒二极管的等效电路含有随偏压变化的势垒电阻Rj，由半导体材料体电阻与接触电阻组合的串联电阻Rseries，势垒电容，即结电容Cj，引线电感Ls和封装电容Cp，如图2-3。 肖特基势垒二极管伏-安特性及其应用 肖特基势垒二极管的伏-安特性， 可表示为 Isat为反向饱和电流，数值极小。 在常温下 ， 在正偏电压接近势垒电压时，电流迅速变大，非线性强烈。 在反向偏压时电流极小，大致保持Isat值。当V=VB时，反向电流迅速增长，VB为反向击穿电压。 肖特基二极管本质上是一个整流元件，非线性强，主要应用于混频器及检波电路。广泛应用的双平衡混频器（DMB）就应用配对的两个肖特基二极管。多数DMB用于微波频谱的低端。 甘氏（Gunn）二极管 甘氏二极管是转移电子器件，具有负阻特性，它可振荡于几种模式。 当工作于非谐振渡越时间模式（unresonant transit-time mode）在1-18GHz频率范围内，输出功率最高可达2W，多数为几百毫瓦。 当工作于谐振限制空间电荷模式（resonant limited space-charge (LSA) mode）工作频率可到100GHz，脉冲工作、占孔系数10%时，脉冲功率输出到几百瓦。 甘氏二极管结构及等效电路 R—负阻；Rs—体及接触电阻； Cj—等效电容；Ls—封装电感； Cp—封装电容 有源工作区（Active region）通常为6-8?m长，N+区域厚度1-2?m，是欧姆型材料，电阻率很低（0.001?-cm），作为有源区与金属电极过渡层，除了改进金属电极与有源层的接触外，N+区域也防止金属电极中金属离子迁移到有源工作区。 甘氏二极管产生高频振荡的工作原理 在N型砷化镓半导体中导带波矢量图 当二极管加上电压，并超过某阈值时，N型砷化镓中的载流子（电子）由二极管中直流电场吸收能量，从主能带导带（低有效质量高迁移率能带）转移到高能电平（高有效质量，低迁移率）的次能带导带。 甘氏二极管速度场 在室温并未加外电压条件下，热激发能量 大约仅为KT0?0.025电子伏特，这个数值远小 于主一次能带之间的能量间隔。因而不足以 使电子从主能带跃迁到次能带导带，电子几 乎全部处于低能态的主能带中；当外加电压 时，N半导体中形成外加电场，电子从电场 中获得能量，电子漂移速度随电场增大而加 快。电子速度为电子迁移率与外加电场的乘 积，其关系为 ve = ?E 在主能带-低能带电子随着外加电场的增加，从电场获得更多的能量，速度变快。当能量超过0.36电子伏特时，主能带里电子就会跃迁到次能带中。电场继续增加，越来越多的电子从主能带跃迁到次能带，其迁移率下降，因