微波电子线路第二章(上)课件

第2章固态有源微波元器件

本章主要介绍广泛应用于微波电子线路的各种固态有源微波元器件，主要包括属于微波二极管的PN结管、肖特基结管、变容管、阶越恢复管、雪崩管、体效应管、PIN管等，属于微波三极管的双极晶体管及异质结管、场效应管以及高电子迁移率晶体管等。它们是构成各种微波电子线路功能组件，如微波混频器、微波变频器、微波放大器、微波振荡器和微波控制电路的核心。2.1半导体基础1.半导体的概念及分类2.1.1半导体基础半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。金属半导体绝缘体半导体材料的特性参数微波器件的分类电子迁移率、空穴迁移率、带隙、雪崩电场二极管、三端晶体管半导体基础2.半导体共价键模型和能带模型共价键模型能够直观地说明半导体所具有的很多性质，但不能作深入的定量讨论，而能带模型可以使我们对于半导体的理解比较深入，因此一般要综合运用两种模型来展开讨论。金刚石结构○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○原子共价键GaAs一个Ga原子由位于正四面体的四个顶角的As原子包围着，而一个As原子也由位于正四面体的四个顶角的Ga原子包围着，但形成四个共价键的八个电子三个来自于III族原子，五个来自于V族，形成键的两个电子在原子间的分布并非完全对称，偏向于两个原子中的一个，含有“离子键”的成分。半导体基础3.半导体的本征激发○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○半导体的本征激发自由电子“空位”（空穴）完整的共价键无电流电中性－q电子移动出现＋q电荷电场电流这一空位可以看作是一个带有电量的粒子，称为“空穴”

自由电子和空穴统称为“载流子”

“本征激发”：原来束缚在键上的电子接受了足够的能量之后，挣脱约束形成一个自由电子和一个空穴――电子-空穴对的过程半导体基础激发能量：金刚石为5.47eV，硅为1.12eV，而锗为0.66eV

相同能量下不同材料中本征载流子（由本征激发所产生的载流子，自由电子与空穴成对出现）的浓度就不同，材料的电阻率也就不同，金刚石可达，而锗只有，可见绝缘体与半导体并没有本质区别。“复合”：如果一个自由电子和一个空穴在移动中相遇，或者说一个挣脱了键的束缚的电子，又正好落到一个键上电子的空位上去，就会造成一对自由电子和空穴同时消失。

半导体激发的能带示意图导带价带禁带空穴电子研究证明只有当能带中填有电子，而又未被电子填满时，半导体具有导电能力。半导体基础设和为半导体中热平衡状态下电子和空穴的浓度，它们遵从费米（Fermi）统计而有：引入符号表示本征情况下的费米能级:在本征激发状态下，用表示本征浓度，这一关系也被当作动态平衡条件成立的标志。半导体基础掺杂施主杂质能级图导带底价带顶禁带施主能级掺杂施主后费米能级导带底价带顶费米能级掺杂受主杂质能级图导带底价带顶禁带受主能级掺杂受主后费米能级导带底价带顶费米能级半导体基础多子浓度与少子浓度满足反比关系：多子越多，少子就越少。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入的杂质浓度，即在N型半导体中（施主浓度），在P型半导体中（受主浓度），则N型半导体中与P型半导体中少子浓度分别为:5.载流子的运动载流子漂移与漂移电流指由漂移运动产生的电流，电子和空穴的漂移电流密度可表示为：均匀掺入杂质的半导体的导电特性服从欧姆定律，即流过半导体的电流强度正比于半导体两端的电压：电子和空穴的“迁移率”迁移率是单位电场强度下载流子的平均漂移速度，它反映了载流

子在半导体内作定向运动的难易程度，其单位为或。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数，

当电场增大到一定程度以后，迁移率将随着电场增加而下降，载流子漂移速度也将趋近于饱和值。半导体基础漂移和扩散的关系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，而扩散系数反映了载流子扩散的本领大小。爱因斯坦关系半导体基础1.PN半导体的接触电势差与势垒2.1.2PN结半导体基础在同一块半导体中，一部分呈现P型，另一部分呈现N型，P型区与

N型区的边界及其附近的很薄的过渡区即称为PN结，它是许多半导体器件的核心部分。P区N区空间电荷区结电离受主电离施主PN结空间电荷区位置不能自由移动的电离杂质在“结”的两侧附近形成了带异性电荷的“空间电荷层”，将产生“内建电场”，此电场的方向为由N指向P。半导体基础P区N区空间电荷区结PN结接触电势差电势电子势能空穴势能P区N区PN结接触势垒的形成P区N区P区N区空间电荷区结电离受主电离施主PN结空间电荷区当PN结加上正向偏压时（即P端接外电源的正极，N端接外

电源的负极）半导体基础半导体基础当PN结加上正向偏压时（即P端接外电源的正极，N端接外

电源的负极）PN结加正向偏压PNPN结的“正向导通状态”PN结的理想“伏安特性（特性）方程”P区N区空间电荷区结电离受主电离施主PN结空间电荷区当PN结加上反向偏压时（即P端接外电源的负极，N端接外

电源的正极）半导体基础3.PN结的电容效应PN结的电容效应有两种：势垒电容和扩散电容

（1)PN结的电荷、电场及电势分布按照制作工艺的不同，PN结可以分为两种：突变结与缓变结。N突变PN结结N缓变PN结○空间电荷区的电荷密度的分析一般采用“耗尽层模型”，半导体基础突变PN结空间电荷层宽度缓变PN结空间电荷层宽度○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电势的分布。欲求空间电荷区的电场及电势分布，可以采用一维的泊松（Poisson）方程。半导体基础根据突变结的空间电荷密度分布，可以求得N区和P区的电势

分布规律为：因此空间电荷区两端之间的电势差为：空间电荷区的总宽度为：突变结一侧为重掺杂时，为：半导体基础（2)PN结的势垒电容设用来代表PN结空间电荷区的正、负电荷量：半导体基础（3)PN结的扩散电容PN结在正向偏置下有少子注入效应，在空间电荷区两侧的少子扩散区内存在着少子电荷的积累，这一部分电荷也与外加电压有关，存在着电容效应。PN结的总电容是势垒电容与扩散电容之和：正偏时，由于通常远大于，故；而反偏时，由于结边界附近空间电荷区的少子浓度随反偏电压变化很小，故反偏时扩散电容极小，通常可以忽略，此时有。半导体基础4.PN结的击穿PN结的击穿有两种情况：电击穿和热击穿。电击穿又可分为两种类型：一种称作“雪崩击穿”，另一种称为“齐纳”击穿，也叫“隧道击穿”。（1)雪崩击穿反向电压电场强度载流子速度动能变大碰撞电离继续加速碰撞电离反向电流增大这种载流子倍增的现象与自然界的雪崩过程相似，称之为PN结的“雪崩击穿”现象，对应的反向电压称为“雪崩击穿电压”。2.1.3金属与半导体的肖特基接触半导体基础

肖特基接触:是一种金属与半导体的接触（简称金半接触）形式，在某些情况下它可以具有非对称的导电特性，其关系与PN结的类似。这一类接触是某些半导体器件的基本组成部分，其工作特性使得它在射频及微波领域获得了广泛应用。1.金半接触的接触电势差－肖特基（Schottky）势垒金半接触的特性与半导体的导电类型（N型或P型）以及金属和半导体的“逸出功”的相对大小有关。逸出功:使电子从材料（半导体或金属）体内进入真空所必须赋予电子的能量。确切地说：功函数表示恰好使一个电子从材料的费米能级进入材料外表面真空中，且处于静止状态（动能为0）所需的能量。半导体基础金属和N型半导体能带结构真空能级金属N型半导体当金半发生接触而无外加电压、处于平衡状态时，应有统一的费米能级，这与PN结的情形一样，也是靠在金属与半导体之间的电子转移，而形成内建电势差－接触电势差来实现的。（1)金属与N型半导体形成金半接触金属和N型半导体接触势垒金属的功函数大于半导体的功函数:

半导体基础当金属与N型半导体接触时，若，在半导体表面处形成正的空间电荷区，电场方向由半导体体内指向表面，即半导体表面电势较体内为低。若半导体体内电势为0，半导体表面电势用代表，则有，这时半导体表面电子势能高于体内，能带向上弯曲形成表面势垒，表面处由于电子逸出而使浓度较体内为小。金属的功函数小于半导体的功函数:

金属和N型半导体接触反阻挡层金属带正电、半导体带负电，电场方向由金属指向半导体，半导体表面电势高于体内电势，半导体表面处电子势能较体内为低，能带向下弯曲。半导体基础（2)金属与P型半导体形成金半接触金属与P型半导体形成金半接触的情形正好与N型相反，当时，形成反阻挡层，而时，形成阻挡层。2.金半接触的整流特性以金属与N型半导体接触构成金半结、而且的情况为例说明金半接触的整流特性。（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型半导体端接外电源的负极）金半结加正向偏压“正向导通”

金半结的理想“伏安特性（特性）方程”为：半导体基础（2)金半结两端施加正向偏压V（即金属端接外电源的负极，而N型半导体端接外电源的正极）金半结加反向偏压金半结的电压电流特性PN结金半结不同之处：导通电压较低、正向压降较小、正反向电流较大、反向耐压较低及较强的非线性程度。由于特性曲线较陡，因此在同样偏压下具有较小的结电阻，而且当外加大信号交流电压时可导致微分电导（）有较陡的变化。半导体基础3.金半接触的电容效应金半接触结可以看作是单边突变结，因此根据求PN结空间电荷区宽度所使用的方法，求出金半（N型）接触结半导体一侧的势垒区宽度与偏压的关系为:（1)势垒电容（2)扩散电容金半接触结（MN结）的正向电流是从N型半导体流向金属的电子电流，是多子电流，它不存在少子积累的问题，因而也就不存在扩散电容效应，这是金半结与PN结的显著区别。PN结的“大”电容限制了PN结开关速度的提高，导致其导电特性的改变来不及跟上外加高频交流电压的变化；而金半结的电容远较PN结为小，可大大减小对正偏非线性电阻的旁路作用，“开关”特性好，这是以金半结为基础构成的半导体元件在射频和微波领域获得广泛应用的主要原因所在。4.金半接触的击穿金半结势垒区宽度较薄，反向击穿电压比PN结低，因此不能承受大的功率。半导体基础2.1.4金属与半导体的欧姆接触半导体基础两端非欧姆接触PN结管PN金属引线与半导体的接触只能是没有整流特性的接触，或者说接触应该具有对称的、线性的特性，同时还要求接触电阻尽可能小，我们把这样一种接触称为“欧姆接触”。没有良好的欧姆接触，器件性能就发挥不出来。构成欧姆接触：在欲形成欧姆接触的N型（或P型）半导体上先形成一层重掺杂N＋（或P＋）层，然后再与金属接触，即为金属-N＋-N或金属-P＋-P结构。半导体基础隧道效应欧姆接触的电压电流特性N+N结势垒金属与重掺杂半导体接触时，金半接触在半导体内形成的势垒层（或称阻挡层）的厚度会很薄。对于金属和半导体两侧的电子来说，这样薄的势垒区几乎是透明的，即两侧电子可以不需越过势垒而是通过隧道效应“钻”到对方去。由于势垒高度较低，结的空间电荷区也较窄，不能认为空间电荷区处于“耗尽”状态，因而也就不是高阻区。当其上施加偏压时，外加电压就不是降落在空间电荷区，而是降落在结两侧的半导体上。多数载流子在N＋N结之间可以认为是不受阻碍地自由流动。这样，金属-N＋-N结构就体现出了欧姆性的关系。半导体基础2.1.5N型砷化镓（GaAs）半导体特性

N型砷化镓（GaAs）半导体材料（或其它III-V族及II-VI族化合物，如磷化铟InP、碲化镉CdTe、硒化锌ZnSe等具有相似特性）在射频和微波频段获得了广泛应用，可作为微波毫米波放大、振荡等器件的核心，也是目前最广泛采用的微波毫米波集成电路的基板材料。1.N型砷化镓（GaAs）的能带结构

价带禁带导带高能谷低能谷N型GaAs的能带模型N型GaAs的能带具有特殊结构，在它的导带中电子有两种能量状态，电子除了位于具有极小能量值的中心能谷外，还可以在子能谷中存在，子能谷的能量比中心能谷为高，称为“高能谷”，相比较于子能谷，中心能谷称为“低能谷”，称为“双谷结构”。半导体基础研究和实验已经证明：在300K时，导带底和价带顶之间的禁带宽度约为1.43eV，

而导带中高低能谷的能量差约为0.36eV；低能谷中的电子有效质量约为，是电子的

重力质量（），它的迁移率为：高能谷中的电子有效质量约为，它的迁移率为高低能谷的能态密度差别极大，高能谷的能态密度是低能

谷的约60倍。半导体基础“电子转移效应”的一些特性：低能谷中的电子是“轻”电子及“快”电子，而高能谷中的电子

是“重”电子及“慢”电子；在室温下（），电子的平均热动能为，

要远小于高低能谷的能量差，因而电子基本处于低能谷，只有

当外加足够高的电压以产生足够高的电场强度时，电子才可能

获得足够大的动能跃迁到高能谷上去；由于禁带宽度远大于高低能谷的能量差，故在电子跃迁过程

中一般不会发生雪崩击穿；由于高低能谷的能量差较小，在较低电压下（一般小于10V）

就能使电子开始发生跃迁；低能谷中的电子在获得足够大的能量时可以全部跃迁到高能

谷中去，同时也保证了处在高能谷中的电子，在能量未减小

时反跃迁回低能谷的概率很小。半导体基础2.N型砷化镓的速度-电场特性和特性（1)电子平均漂移速度为：相应的电流密度为：（2)当外加电压继续增大，材料内电场也不断加强，将有一部分电子从电场获得大于0.36eV的能量，开始由低能谷向高能谷转移，从快电子变成慢电子，直到电场足够高使电子全部跃迁到高能谷中时为止。N型GaAs的速度电场特性N型GaAs的电压电流特性半导体基础半导体基础在峰点和谷点间的这段曲线上任一点的斜率均为负值：负微分迁移率段：材料的微分电导率：半导体基础N型GaAs的速度电场特性N型GaAs的电压电流特性半导体基础（3)当电场大于时，低能谷中的电子已经全部转移到高能谷：可见电子平均漂移速度及电流密度又与外加电场呈线性正比关系。电场