微波电子线路第2章2.ppt

第二讲：肖特基势垒二极管的构造原理及特性 微波混频器是任何种类微波接收机的最主要部件之一。不仅因为它是必不可少的，更主要原因是它处于整个接收机的前端位置、其性能好坏，对整个系统影响极大。其基本作用是把微波频率信号变换成中频信号。要求其失真小、损耗小、噪声低、灵敏度高。目前，混频器中的非线性元件主要是肖特基势垒二极管。混频器性能由管子性能和电路设计，工艺水平共同决定。本讲将介绍混频器的核心器件—肖特基势垒二极管。 一、肖特基势垒二极管的组成及工作原理 1、 构造：以重掺杂（ ）的 为衬底、厚度为几十 ，外延生长零点几 厚的N型本征半导 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 体作为工作层，在其上面再形成零点几 的二氧化硅绝缘层，光刻并腐蚀直径为零点几或几十 的小洞，再用金属点接触压接一根金属丝或在面接触中淀积一层金属和N 型半导体形成金属半导体结，在该点上镀金形成正极，给另一面 层镀金形成负极，即可完成管芯。 肖特基势垒二极管有两种管芯结构：点接触型和面结合型，如图2-1所示。点接触型管芯用一根金属丝压接在N型半导体外延层表面上形成金半接触。面结合型管芯先要在N型半导体外延层表面上生成二氧化硅(SiO2)保护层，再用光刻的办法腐蚀出一个小孔，暴露出N型半导体外延层表面，淀积一层金属膜(一般采用金属钼或钛，称为势垒金属)形成金半接触，再蒸镀或电镀一层金属(金、银等)构成电极。 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 2、工作原理 肖特基势垒二极管工作的关键区域是金属和N型半 导体结形成的肖特基势垒区域。 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 肖特基势垒结的形成：在金属和N型半导体中都存在导电载流子—电子。它们的费米能级（ ）不同，逸出功也不同。当金属和N 型半导体接触时，由于半导体的费米能级高于金属中的费米能级，电子流从半导体一侧向金属一侧扩散，同时也存在金属中的少数能量大的电子跳到半导体中的热电子发射；显然，扩散运动占据明显优势，于是界面上金属中形成电子堆积，在半导体中出现带正电的耗尽层。在界面上形成由半导体指向金属的内建电场，它是阻止电子向金属一侧扩散的，而对热电子发射则没有影响。随着扩散过程的继续，内间电场增强，扩散运动削弱。于是在某一耗尽层厚度下，扩散和热电子发射处于平衡状态。宏观上耗尽层稳定，两边的电子数也稳定。界面上就形成一个对半导体一侧电子的稳定高度势垒 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 它和耗尽层厚度有如下的关系： ，其中， ND为N的掺杂浓度，WD为耗尽层厚度。存在于金属－半 导体界面由扩散运动形成的势垒称为肖特基势垒，耗尽层 和电子堆积区域称为金属－半导体结。 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 ③反偏：金属一侧接负极，半导体一侧接正极 外加电场与内建电场方向一致、耗尽层变厚、扩散趋势削弱、热电子发射占优势，但这部分电子数量很少，不会是发射电流增大。在反偏电压的规定范围内，只有很小的反向电流。在反偏情况下，肖特基势垒呈大电阻特性。反偏电压过大时，则导致反向击穿。 肖特基势垒具有单向导电特性，与PN结类似但只有电子运动，反应灵活，使用频率高。 二、肖特基势垒二极管的特性 1、伏安特性 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 各参数表征的意义： －－反向饱和电流， n －－工艺因子 －－波尔兹曼常数 －－电子电荷 T－－工作温度 V－－偏压，单位为伏 2、结电阻 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 正偏时：随着I上升， 迅速下降 反偏时： 为一个几兆欧的固定大电阻 3、结电容 其中 ， 4、寄生参数 ① 其中 分别为N体电阻 衬底电阻 电极电阻 ②引线电感 （零点几毫微亨） 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 ③封装电容 （零点几皮法 ） 三、等效电路和特性参数 1、等效电路如图2-4 2、特性参数 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 肖特基势垒二极管的构造原理及特性 理想情况下 ，实际中，一般 * * ——管子内部的半导体机理 图 2-1　两种肖特基势垒二极管结构 (a) 点接触型；(b) 面结合型 单向导电原理：如果给金属—半导体结加上偏压， 则根据偏压方向不同、其导电特性也不同。如图2-2