微波毫米波电路分析与设计--第二章(中)PPT课件.ppt

2 2 1结构 肖特基势垒二极管是利用金属与半导体接触形成肖特基势垒而构成的一种微波二极管 它对外主要体现出非线性电阻特性 是构成微波阻性混频器 检波器 低噪声参量放大器 限幅器和微波开关等的核心元件 本节介绍肖特基势垒二极管的结构 等效电路 伏安特性和特性参量 2 2肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管 点接触二极管和肖特基表面势垒二极管 简称肖特基势垒二极管 后者性能优于前者 原因是 点接触管表面不易清洁 针点压力会造成半导体表面畸变 因而其接触势垒不是理想的肖特基势垒 受到机械震动时还会产生颤抖噪声 但面结合型管子金半接触界面比较平整 不暴露而较易清洁 其接触势垒几乎是理想的肖特基势垒 不同的点接触管子生产时压接压力不同 使肖特基结的直径不同 因此性能一致性差 可靠性也差 但面结合型管子由于采用平面工艺 因此管子性能稳定 一致性好 不易损坏 点接触型和面结合型二极管的典型封装结构可采用 炮弹式 同轴式 微带式等 肖特基势垒二极管还有其它一些变形 如将点接触和平面工艺优点结合起来的触须式肖特基势垒二极管 取消管壳 靠加厚的引线来支撑的梁式引线肖特基势垒二极管等 肖特基势垒二极管 2 2 2等效电路 称为二极管的非线性结电阻 是阻性二极管的核心等效元件 随着加于二极管上的偏压改变 正向时约为几个欧姆 反向时可达兆欧量级 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 故这一电容就是金半结的势垒电容 其数值在百分之几到一个皮法 pF 之间 称为半导体的体电阻 又叫串联电阻 点接触型管子的值约在十到几十欧姆 而面结合型管子的值约为几欧姆 引线电感 约为一至几个纳亨 管壳电容 约为几分之一皮法 肖特基势垒二极管 2 2 3伏安特性 当势垒是理想的肖特基势垒时 当势垒不理想时 对点接触型管子来说 通常 而面结合型管子 肖特基势垒二极管 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偏压 可称为本振电压 为 肖特基势垒二极管 定义二极管的时变电导为 肖特基势垒二极管时变电导波形 0 0 表明当交流偏压随时间作周期性变化时 瞬时电导也随时间作周期性变化 肖特基势垒二极管 直流分量和相应于交流偏压的各次谐波电流振幅系数为 交流偏压激励的基波电流振幅为 根据贝塞尔函数的大宗量近似式 当较大时可求得 肖特基势垒二极管 交流偏压功率为 二极管对交流偏压源所呈现的电导为 2 2 4特性参量 截止频率 当外加电压角频率为 使得时 高频信号在上的损耗为3dB 二极管已经不能良好工作 定义这时对应的外加信号频率为肖特基势垒二极管的截止频率 肖特基势垒二极管 噪声比 噪声比定义为二极管的噪声功率与相同电阻热噪声功率的比值 噪声来源 载流子的散粒噪声 串联电阻的热噪声 取决于表面情况的闪烁噪声 噪声发生器的均方值为 噪声发生器内导为二极管小信号电导 散粒噪声的资用功率为 等效电阻在室温下的热噪声资用功率为 因此二极管的噪声比为 当二极管温度时 由于对于理想肖特基势垒 则 考虑到其它各种因素 可认为 实际上对于性能较好的管子 较差的可能达到 肖特基势垒二极管 2 3 1结构 由于PN结上空间电荷层的存在 将会出现结电容 主要是势垒电容 这部分结电容将随着加于PN结上的外电压改变 利用这一特性构造了变容二极管 它可作为非线性可变电抗应用 构成参量放大器 参量变频器 参量倍频器 谐波发生器 可变衰减或调制器等 2 3变容二极管 是外加电压的函数 在反偏压下可达兆欧量级 变容二极管 2 3 2等效电路 在零偏压下 值约为0 1 1 0pF 引线电感 通常小于1nH 管壳电容 通常小于1pF 通常为1 5 也应该是外加电压的函数 由于其值很小 可近似认为是常量 变容二极管 2 3 3特性 重掺杂突变P N结的势垒电容可表示为 可认为此电容即是结电容 对应结上的电压 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为 m称为结电容非线性系数 它的大小取决于半导体中掺杂浓度的分布状态 反映了电容随外加电压变化的快慢 变容二极管 对于突变P N结 电容变化较快 对于线性缓变结 管子一般工作于反偏状态 反偏压的绝对值越大 结电容值越小 当时 称为超突变结 其电容在某一反偏压范围内随电压变化很陡 一般可用于电调谐器件 当时 由于结电容与偏压平方成反比 由结电容构成的调谐回路的谐振频率与偏压成线性关系 有利于压控振荡器实现线性调频 当时 近似可认为 结电容近似不变 称为阶跃恢复结 变容二极管 变容管的工作电压限制在和之间 即 当变容管同时加上直流负偏压和交流时变偏压 即 为泵浦电压 时的工作状态称之为满泵工作状态或满泵激励状态 称为欠泵工作状态或欠泵激励状态 称为过泵工作状态或过泵激励状态 变容二极管 时变电容随泵浦电压周期变化波形 是周期为泵频的周期函数 可以用傅立叶级数展开为 变容二极管 称为基波电容 它是基波幅度的一半 称为n次谐波电容调制系数 参量激励系数或泵浦系数 是表示变容管在交流激励下非线性特性的一个重要参量 求得和 级数展开 变容二极管 分析变容管特性时 有时也使用 倒电容 来表征特性 静态工作点倒电容 变容二极管 2 3 4特性参量 表征变容管特性的特性参量除了前面已经介绍过的相对泵幅 电容 电弹 调制系数等以外 还有静态品质因数和截止频率 以及动态品质因数和截止频率 静态品质因素 它表征变容管储存交流能量与消耗能量之比 越高说明管子损耗越小 当偏压一定时 结电容值一定 工作频率越高 就越低 变容二极管 静态截止频率 定义当频率升高使得的频率为变容管在直流偏压下的截止频率 上述两个参量是当变容管仅有直流偏压作用时性能的表征 故称为静态参量 由于结电容是偏压的函数 因此一般以零偏压时的及作为比较管子的参数指标 另外一般规定在反向击穿电压时的截止频率为额定截止频率 动态品质因数 下面两个参量是在直流偏压和交流泵浦共同作用下变容管特性的表征 称为动态参量 变容二极管 动态截止频率 和是在直流偏压和交流泵浦共同作用下变容管电容的最小和最大值 阶跃恢复二极管 简称为阶跃管 SRD 利用阶跃管由导通恢复到截止的电流突变可以构成窄脉冲输出 也可以利用其丰富谐波作为梳状频谱发生器或高次倍频器 本节将介绍阶跃恢复二极管的结构 工作原理及特性参量和等效电路 2 4阶跃恢复二极管 2 4 1结构 2 4 2工作原理及特性参量 阶跃恢复二极管 1 阶跃管特性 结电容在反偏时近似不变 这种PN结称为阶跃恢复结 阶跃管正是利用了阶跃恢复结的特征 使得阶跃管在反偏时近似为一个不变的小电容 处于高阻状态 近似开路 当其处在正偏时 P 区扩散到N层的空穴由于N层的掺杂浓度低而复合率低 NN 结由于浓度不同形成的内建电场由N 指向N方向 阻止空穴向N 层扩散 因而在N层中储存了大量的电荷 形成了较大的扩散电容 处于低阻状态 近似短路 相当于一个电容开关 也被称为电荷储存二极管 阶跃恢复二极管 2 工作原理 在大信号交流电压激励下 正是由于阶跃管在正偏下有大量的电荷储存 使得它实际上电容的开关状态转换并不发生在外电压由正半周到负半周的转变时刻 1 大信号交流电压正半周加在阶跃管上 2 信号电压进入负半周 3 大信号交流激励电压的下一个周期来临后 阶跃恢复二极管 3 与混频 检波或高速开关二极管的对比 对混频 检波或高速开关二极管来说 其整流特性要求注入少子的寿命要远小于信号周期 当加在二极管上的正向电压逐渐减小时 少子浓度将逐渐减小 注入的少子也将很快复合掉 所以当电压从正向转为反向时 几乎已没有多少剩余的尚未来得及复合的存储少子 因此只形成很小的反向饱和电流 其开关特性转换几乎发生在偏压由正向转向反向的同时 由于采取了措施增大了阶跃管的少子寿命 这时少子的复合速度跟不上交流电压的变化 当电压从正向转为反向时 正向注入的储存电荷远未复合完 由势垒区的电场把剩余的储存少子 吸出 由此形成较大的反向电流 直到储存电荷基本耗尽 反向电流才陡降为反向饱和电流 阶跃管在交流负半周的相当一段时间内 仍然处于 导通 状态 使其高频整流作用失效 管子 导通 与 截止 两种状态的转换时刻不再是外加电压从正变负的时刻 而是在管子储存电荷基本清除完的时刻 阶跃恢复二极管 阶跃恢复二极管 4 特性参量 阶跃管的特性参量主要有少数载流子寿命 储存时间 阶跃时间 反向击穿电压 截止频率 反偏结电容 品质因数和最大耗散功率等 其中对阶跃管工作有特殊意义的是少数载流子寿命与储存时间和阶跃时间 1 少数载流子寿命与储存时间 少数载流子寿命表示少数载流子由于复合而减少到原值的所需的时间 的值越大 意味着储存电荷越多 反向电流的幅值就越大 储存时间表示存储电荷清除过程所需的时间 即从电流由正向跳变到反向开始 直到二极管储存电荷大部分被清除 二极管上电压为零时的时间 显然越长 越大 阶跃恢复二极管 2 阶跃时间 阶跃时间全称为阶跃恢复时间 表示由反向导通状态变到反向截止状态所需的过渡时间 工程上定义为反向电流由峰值的80 或90 下降到峰值的20 或10 所需的时间 越小 电流阶跃越陡 包含的高次谐波越丰富 理想阶跃管的阶跃时间应有 但实际上只能达到几十微微秒 由于阶跃管采用了特殊结构 可以使大量储存电荷有效地压缩在很薄的N层范围内 这样即加大了少数载流子寿命 又减小了阶跃时间 使阶跃管工作特性良好 但很薄的N层又使阶跃管的反向击穿电压降低 功率容量变小 阶跃恢复二极管 2 4 3等效电路 实际上 Rs不能忽略 它是导致阶跃管存在截止频率的原因 Rj结电阻 在频率高时可忽略其分流作用 Cd扩散电容很大 C0结电容很小Rj很大可忽略 PIN二极管是一种在微波控制电路中应用非常广泛的器件 具有体积小 重量轻 控制快 损耗小 控制功率大等优点 适用于微波开关 限幅器 可变衰减器 移相器等电路 本节介绍PIN二极管的结构 特性和工作原理 2 5PIN二极管 2 5 1结构 PIN二极管的结构是在重掺杂的P 和N 区之间加入一个未掺杂的本征层I层构成的 实际上不可能真正实现I层 只能使杂质含量足够低 中间层是低掺杂的P型半导体 称为PN管中间层是低掺杂的N型半导体 称为PN管 PIN二极管 2 5 2特性 由于扩散作用 空穴和电子分别向I层扩散 然后在I层由于复合作用而消失 同时 在P层和N层靠近I层的边界 分别建立起带负电和带正电的空间电荷层 耗尽层或接触势垒 其电场阻挡空穴和电子继续向I层注入 因此I层保持本征不导电状态 PIN管不能导通 处于高阻状态 1 直流与低频特性 1 零偏压下 PIN二极管 2 PIN管加正向偏压 外加电场方向与势垒电场方向相反 势垒高度将降低 空间电荷层变薄 因而P层和N层的空穴和电子将向I层注入 并在I层中因复合而消失 I层存在大量的数量相等而符号相反的载流子 出现了 等离子体状态 也就是导电状态 因此宏观上电流川流不息地流过PIN管 PIN管呈现低阻 外加电压越大 正向电流也越大 电阻是降低的 3 PIN管加上反向偏压 外加电场方向与势垒电场方向相同 势垒升高 空间电荷层变宽 其不导电程度比零偏压更甚 如果偏压是低频的交变电压 只要满足交变电压周期 I层的导电状态完全能够跟随信号周期的变化 正半周导通 负半周截止 PIN二极管 PIN管与PN结二极管的特性比较 在直流和低频偏压下 PIN管同样具有整流特性 这一点与PN结变容管相同 由于在P层和N层之间插入了一层未掺杂的I层 其耗尽层宽度加宽了 因此PIN管具有更小的结电容 并能承受更高的反向击穿电压 可处理更大的功率 在反偏压达到一定程度时 I层完全处于耗尽状态 结电容相当于以P 和N 层为极板的平板电容 由于极板间距不会随反偏压增大而再增大了 PIN管可看作是一个恒定电容器件 PIN二极管 当一个PIN管处在直流 或低频 电压与微波电压共同作用下时 其特性将发生显著的改变 由于此时微波信号周期 PIN管I层的导电状态已经来不及跟随微波信号正负变化了 2 微波特性 1 PIN管处在直流 或低频 正向偏压下 大幅度微波信号 在微波信号正半周期间 加在PIN管上的总偏压处于正向状态 这时PIN管是导通和低阻的 大幅度的微波电流将流过PIN管 微波信号频率为 PIN二极管 当微波信号负半周来临时 由于微波信号幅度很大 这时加在PIN管上的总偏压处于反向状态 反向电场将从I层中抽出注入的电荷 I层仍然储存有大量的注入电荷 仍然处于等离子体状态 必然呈现低阻 所以PIN管仍然是导通的 2 PIN管处在直流 或低频 反向偏压下 由于I层没有了直流注入的电荷 微波信号正半周注入的电荷来不及形成导通 很快又全部被负半周抽出 因此不论微波信号的正负半周加在PIN管上 PIN管都是不能导通的 在整个微波信号周期内呈现高阻状态 PIN二极管 由此可见 PIN管的导通仅来源于处在直流 或低频 正向偏压下 这时PIN管类似于一个线性电阻 对于微波信号正负半周都是导通的 当处在直流 或低频 反向偏压下 整个微波信号周期内都是不导通的 而且