微波-第五章上固态无源有源元器件

第五章固态无源/有源微波元的。11主要内半导体的能带模型、费米能级、掺杂后能级变化、载流 22半导体半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物108 105金负温度

104m半导m

1010绝缘载流子：电子/空穴“本征半导体”“N型半导体”“P型半导体

杂质不半导体基

包围着，但形成四个共价键的八子三个来自于III族原子，五个来

共价原

于V族，形成键的两个电子在原子4石结 4

半导体基而是只能取一系列分立的确定值，不同的轨道对应不同的能量电子能量只能取一系列分立值的这种特征叫做电子 电子的能级图价带：温度为绝对零度时，电子的能量 导低能带填满；电子为半导体共价键 禁 价55

半导体基

○ ○ “空位”（空穴）半导体的本征

－q电子移 出现＋q电 6半导体激半导体激发的能带示7 石可达1010 m，而锗只有0.45 m，可见“复合”：如果一个自由电子和一个空在移动中相遇，或空位上去，就会成一自由电子和空穴同时失。而又未电 时，半导体具有电能力 禁正是受到复合过程的制约，当外半导体设n0和p0为半导体中热平衡状态下电子和空穴的浓度，它们费米（Fermi）统计而有 N

EF

Ev

引入符号Ei表示本征情况下的费米能 n0

Ec

kTlnNvEFEi

2

Ei

p0 c2在本征激发状态下，用ni表示本征浓2n0p0

n0p00i0i 0i0i 8

Ei

E

半导体基PB半导体中杂质的作 半导体中杂质的作比室温下硅本征激发所需能量

杂质硼原子电离能仅为低的多，电子称为“多数载流子”， P型半导体，给出空穴的杂称为“多子”，空穴称为“少数载受主简称“少子”，以电子为多子的称为称为N型半导体为“施主”9 半导体基 N导带 导带底EN

费米能

EF价带 价带顶Ev掺杂施主杂质能

掺杂施主后费米掺杂受主杂质能 费米能级EFP Ev掺杂受主后费米半导体一般都近似把室温下掺杂半导体中的多子浓度看作等于掺浓度，即在N型半n0NND（施主浓度），在P型半导中p0

N（受主浓度），则N型半导体中与P型半导2Np0NND

Nn0NPA指由漂移运动产生的电流，电子n漂np漂pJ nv Jpvn漂np漂pI nv

半导体基Ipv

I

nvq 均匀掺入杂质的半导体的导电特性服从欧姆定律，即流过半导体电流强度正比于半导体两端的电nvnqAvn vp

pvpqAvnn

UEvpp电子和空穴的“迁移 子在半导体内作定向运动的难易程度，其单位为m2Vs或cm2V s。在一定电场强度范围内，迁移率是一个与电场强度无关的常子漂移速度也将趋近于饱和值当电场增大到一定程度以子漂移速度也将趋近于饱和值I n

半导体基Ip

p I qEAnpqUAnp

载流子扩散与“扩散流”。这种载流子的扩散运动将形成电荷的迁移，这就是“扩散电流”。J

J n n

p pI qDA

IqDA

。D称为扩散系数，表达了扩散的程。半导体基漂移和扩散的迁移率反映了半导体中载流子在电场作用下定向运动的难易程度，而扩散系数D反映了载流子扩散的本领大小。

n 爱因斯坦关 JJ qnE

n

Dq JJ＝qpE p

p n dx qDnq n dx

II n n

dnAAdx qDpqEdppPdx IIpp漂p扩pEpdpdx 半导体基 PNP型，一N型，型区与N型区的边界及其附近的很薄的过渡区即称为PNPN

P NPN结空间电荷 PN结空间电荷 半导体基 PN结kTPN结

kTlnp0

kTlnn0nq2 p0 nq2PN结接触电半导体PN间电荷区。在空间电荷区以外的半导体中性区内，电压降为，电场强度为0在空间电荷区内，无载流子的复合与产生。即当电流流过PN结时，在正向电压下，注入到对方的少子，比该区平衡状态下的多子少 半导体基 当PN结加上正向偏压V时（即P端接外电源的正极，NPP N结

PN结空间电荷 半导体基 当PN结加上正向偏压V时（即P端接外电源的正极，NPN结的“正向导通状态流过PN结的总电流＝InAAIpI

p

PN结的理想“伏安特（IV特性）方程n qVnDpp0 n0PexpDpp qADp

p

n

qV

I expqV 0

0PexpkT

kTIexpqVskT当PN结加上反向偏压V时（即P端接外电源的负极，NPP N结

PN结空间电荷 半导体基 当PN结加上反向偏压V时（即P端接外电源的负极，NIIPN结电压电流特这种非线性关系也称为“整流特性 半导体基 PNPN结的电容效应有两种：势垒电容和扩散电（1PN结的电荷、电场及电势分按照制作工艺的不同，PN结可以分为两种：突变结与缓变结NNANDNNANDNND突变PN 缓变PN空间电荷区的电荷密度的分析一般采用“耗尽层模型 半导体基 qNDA qNAA NDNNANAx突变PN结空间电荷层宽 缓变PN结空间电荷层宽根据PN结空间电荷区的电荷密度可以得出其内电场强度与的分布。欲求空间电荷区的电场及电势分布，可以采用一维的（Poisson）方程dd2Vdxr0ddVdxdxr0 半导体基 x x D

VP

A

P

VV

2N2 x

Px

2r 12r0NDNA N

P

Vt突变结一侧为重掺杂时，为2突变结一侧为重掺杂时，为2 12qNVtND 半导体基

N NA于掺杂浓度不同的PN结来说，电压主 对P+N结，电压主要降落在N电荷区，而对N+P结，电压主要降落在区一侧空间电荷区 VxVP突变PN结电荷、电场及电势25系 半导体基 （2PN结的势垒电设用Q来代表PNqNDA

NqNAA

PN

qNDQ

NA

P

qNA

2r0qNDNA N

PqA

Q

Vt CCdQ1A tt 2 r0 At q 半导体基（3PN结的扩散电

q2p

qV

q2n

qVd n 0 L exp t 0 L exp td kT kTPN结的总电容Cj是势垒电容Ct与扩散电容CdCjCt正偏时，由于Cd通常远大于Ct，故Cj 而反偏时，由于 半导体PNPN结的击穿有两种情况：电击穿和热击穿。电击穿为两种类型：一种称作“雪崩击穿”，另一种称为“齐纳（1崩击电场强载流子速碰撞电反向电动能变这种载流子倍增的现象与自然界的雪崩过程相似PN结的“雪崩击穿”现象，对应的反向电压称为“雪崩击 半导体基 （2纳击导致PNPN结的击穿特“齐纳击穿”，也叫做“隧导致PNPN结的击穿特I（3击当反向电压较高，反向电流较大时，耗散在PN结上的功率较大， 引起PN结温度升高。而结温升高又使阻挡层内热激发载流子浓度增大，反向电流进一步增大，如果 热不良，结温将继续上升。如此半导体基金属与半导体 基接这一类接触是某些半导体器件的基本组成部分，其工作特金半接触的接触电势差 基（Schottky）势金半接触的特性与半导体的导电类型（N型或P型）属和半导体的“逸出功”的相对大小有 半导体基

（1)金属与N型半导体形成金半E金属的功函数大于半导体EMEv

WM

EcE金 N型半导金属和N型半导体能带级，这与PN结的情形一样，也是靠金属与半导体之间的电子转移，而

EF金属和N型半导体接触势 WM

EFEv成内建电势差－接触电势差来实现

qEE 半导体基 WS，在半导体表面导体表面电势用VS代表，则有VS 0，这时半导体表面电金属的功函数小于半导体的功函金属和N型半导体接触反阻挡层金属和N型半导体接触反阻挡层

EFS

EFEv半导体基（2)金属与P型半导体形成金半金属与P型半导体形成金半接触的情形正好与N当 时，形成反阻挡层，而WM （1)金半结两端施加正向偏压V（即金属端接外电源的正极，而N型导导体端接外电源的负极 EMSMqEFEv金半结的理想“伏安（IV特性）FIIexpqV1s金半结加正向kT 半导体基 IV金半PN金半结的电压IV金半PN金半结的电压电流特WMSE

S EFSEv金半结加反向不同之处：导通电压较低、正向压降较小、正反向电流较大样样偏压下具有较小的结电阻，而微分电导（dIdV）有较陡的变半导体基（1)势垒电2r

1V

Ar0 qr0 t

Ct

ND（2)扩散电半导体微波领域获得广泛应用的主要原射频二主要种类：主要有点接触式、面接触

○

不同的点接触管子生产时压接压力不同， 基结的直径不同艺，因此管子性能稳定、一致性好、不易损坏R

Rj称为二极管的非线性结电阻，是阻 等效元件。Rj随着加于二Cj称为二极管的非线性结电容，由于金半结管子不存在扩散电容，故一电容Rs称为半导体的体电阻，又叫串联电阻点接触型管子的 十到几十欧姆，基势垒二极管等效电路面结合型管子的值约为Ls引线电感，约为一至几个基二基二极管电路符Cp管壳电容，约为几分之一

IfVIs

nkT 当势垒是理想 基势垒时n1，当势垒不理想时，n1。对接触型管子来说，通常n1.4，而面结合型管子n1.05~1.1Iq nIIsexpV 基基势垒二极管电压电流二极管两端的外加偏压由两部分构成：直流偏压和交流时变（可称为本振电压）,为vt

VL

itfIsexp

VL

Lt

000

t基势垒二极管时变

截止频率f当外加电压角频率为c，使得

1cCj高频信号在Rs上的损耗为3dB，二极管已经不好工作。定义这时对应的外加信号频率fc基势垒二极管的截止频率 j 2 j

d定义为二极管的噪声功率i阻热噪声功率的比值 载流子的散串联电阻的热噪2取决于表面情况的闪烁噪2

基势垒二极噪声等噪声发生器的均方值

噪声发生器内导为二极管小信号电导：

j j

IIsgd

i2 i2散粒噪声的资用功率为：Na

4gd 等效电阻在室温下的热噪声资用功率为kT0B，因此二极管的噪声比为d nd 2当二极TT0 由于对于理

12。考虑到其它各种因素可认td1。实际上对于性能较好的管td2

td1.2，较差的可能微波效应 基二极管的现二极管的电流在导电介质边缘，微波频率时的串联电阻比直流时等3）基底等离 和外延等离等5.4.2结N欧姆接

金两种PN 变容二极

在零偏压下Cj(0)值约为0.1-1.0pFRjCjRjRs通常为1～5量Ls引线电感，通常小于1nHC管壳电容，通常小于1pFpPN结二极管等变变容管电路 变容二极 特

Ar0 Ar0重掺杂突变P＋N结的势垒电容可表示为：

2r

1V 可认为此电容即是结电容，对应结上的电压

t 2 A 2CV

2 2r0

Cj 02V

V V 考虑到缓变结或其它一些特殊结类型，结电容值可统一表示jCj

Cj m称为结电容非线性系数，它的大小取决于 V1

导体中掺杂浓度的分布状态，反映了电容随外 电压变化的快慢 变容二极 对于突变P＋Nm12，电容变化较快

CCj00m0.5~6时，称为超突变结，其电容

变容管电压电容特当m2 m115~130时，近似可认为m0，结电容近似不变为阶跃恢复结 变容二极 变容管的工作电压限

之间，即：

V当变容管同时加上直流负偏压和交流时