微波电子线路第二章下.ppt

雪崩二极管 2 6 2工作原理及特性参量 仅以里德提出雪崩管负阻效应时的基本N PIP 结构为例讨论雪崩管的特性及工作原理 其它结构是完全类似的 1 雪崩管特性 当两端加上反向偏压时 对于重掺杂的N 和P 区 由于其电阻很低 电场强度几乎为零 在本征半导体I层内 电场均匀分布 大致为一常数 其值大于重掺杂区 对于N P结 由于处于反偏状态 因此该处电场强度最大 空间电荷区主要处在P区 当反偏压不断增大时 此电场分布曲线将整体上移 同时空间电荷区将展宽到占满全部P区 雪崩二极管 当反偏压增加到某一数值时 将使得N P结处的电场强度首先达到击穿电场 不同材料有所不同 发生雪崩击穿 迅速产生大量的电子 空穴对 称这时的电压为二极管的雪崩击穿电压 其值约在20 100左右 在稳定的雪崩击穿状态下 电子 空穴对将按照指数规律增加 产生的电子将很快被接于N 层的正极所吸收 而空穴将向负极渡越 由于里德雪崩二极管的P区很薄 可以认为空穴几乎无延迟地注入I区 称为漂移区 以恒定的饱和漂移速度 对硅半导体约为 向负极渡越 形成空穴电流 适当地控制掺杂浓度 可以使得电场的分布在N P结处形成相当尖锐的峰值 从而可以限制雪崩击穿在一个很窄的区域内发生 雪崩二极管 2 工作原理 1 雪崩电离效应 当雪崩管两端在反向击穿直流电压上再叠加一个交流信号时 雪崩管两端的总电压可表示为 交流电压的正半周内 雪崩发生 N P结处形成稳定的雪崩击穿状态 雪崩空穴电流将按照指数规律增加 当外加电压越过最大值下降时 由于刚才雪崩倍增已产生的大量电子 空穴依然参加碰撞 因此总效果是雪崩空穴流继续上升 直到外电压正半周结束 交流电压的负半周内 总端压小于击穿电压 雪崩将停止 但雪崩空穴流不会立即停止 只能按指数衰落 雪崩二极管 形成的雪崩空穴电流是具有很窄的脉冲宽度的脉冲电流 合理的调整直流偏压和直流偏流 可使其峰值滞后于交流信号的峰值 里德二极管电压 电流和外电路感应电流的关系 利用小信号雪崩方程可以严格证明的基波相位比交变电场的基波相位滞后900 这一现象称为雪崩电流的初始滞后 也称为雪崩倍增的电感特性 雪崩二极管 2 渡越时间效应 在电场的作用下 雪崩产生的空穴电流将注入漂移区并向负极渡越 直到空穴流到达负极为止 当这一电流以饱和漂移速度在漂移区渡越时 外电路中将产生感应电流 它与管内运动电荷的位置无关 只取决于运动速度 而且只要雪崩空穴流在管内开始流动 外电路上就开始有感应电流 理想情况下是一个矩形波 I层本征漂移区的长度为 饱和漂移速度为 雪崩脉冲电流经过漂移区的渡越时间 合理设计漂移区的长度以控制空穴流渡越时间 可使管子渡越时间与外加交变电压的周期的关系为 这时对应的频率即称为漂移区的特征频率 雪崩二极管 当工作频率时 从功率的角度看 可认为是雪崩二极管这种工作模式的最佳工作频率 这时有 感应电流基波比雪崩电流基波滞后的相位为 即 可见若要提高雪崩管的工作频率 需减薄漂移区 即减小 外电路的感应电流与管子外加交变电压的总相位差为 从而二极管相对外电路呈现为一个射频负阻 把这样一个雪崩二极管与一个谐振选频回路相连接 可以把管子两端很小的初始电压起伏逐渐发展为一个射频振荡 相当于有射频功率从雪崩二极管输出 其振荡频率等于外加谐振选频回路的谐振频率 这是雪崩管可以产生微波振荡和具有微波放大作用的根本原因 综合上述 雪崩管的工作原理是利用了碰撞雪崩电离效应和载流子渡越时间效应 产生了负阻 这样的工作模式就称为雪崩渡越时间模式 简称为崩越模或碰越模 工作于这一模式的雪崩管称为崩越二极管或碰越二极管 雪崩二极管 3 特性参量 1 工作频率范围 如果感应电流相对于外加交变电压的总相位差不正好为 只要能分离出一个负阻分量 就有可能产生射频振荡 雪崩管有一定的调谐范围 雪崩电流 感应电流和交变电压的关系 雪崩二极管 设雪崩电流与交变电压的相位差为 将受到直流偏流的影响 雪崩产生的空穴空间电荷注入到I层后形成的电场将削弱雪崩区的电场 直流电流越大 雪崩电流将越大 雪崩区电场下降越快 雪崩将过早停止 致使雪崩电流最大值出现在交变电压为零之前越早 这样电流基波滞后相位就越比小 由于渡越时间相位正比于 故越小 渡越时间滞后相位越小 当总滞后相位小于时 雪崩管便不能分离出负阻分量 负阻特性将消失 一般把使雪崩管电阻为正的临界频率称为下限截止频率 为了能够分离出负阻分量 雪崩滞后相位越小 则渡越时间相位滞后应越大 因此直流电流增大时 雪崩滞后相位减小 截止频率必将提高以增加渡越时间相位滞后 此外交变电压大小也将影响 交流电压较大时 雪崩区电场提高 雪崩滞后相位将加大 截止频率将下降 雪崩二极管 如果总相位滞后大于 雪崩管同样不能分离出负阻分量 由此可确定雪崩管的上限截止频率 设雪崩滞后相位约等于 如果外加交变电压的周期不是正好的 则工作频率 总可以分离出与交变电压的反相分量 上限截止频率为 雪崩二极管 2 输出功率与效率 二极管获得的直流功率为 输出的射频功率为 脉冲电流的相位中心 相应的效率为 在理想情况下 10 以下 雪崩二极管 2 6 3等效电路 雪崩管有源区的阻抗为 为工作频率下雪崩区的阻抗 为漂移区的阻抗 为雪崩区长度 为雪崩区谐振频率 决定了雪崩电流相位滞后角度 仅与直流电流的平方根成正比 雪崩二极管 体现出负阻和容性电抗 是雪崩管作为振荡器和放大器应用时的状态 获得最大负阻 雪崩二极管 2 6 4其它雪崩管结构及工作模式简介 多是P NN 和N PP 结构 1 实用结构雪崩管 2 双漂移区雪崩管 P N N 双漂移区雪崩管模型及杂质 电场分布 雪崩区 P 雪崩二极管 3 俘越模式 俘越模式是俘获等离子体雪崩触发渡越模式的简称 TRAPATT模式 是雪崩二极管一种大电流工作状态的高效率的工作模式 雪崩二极管 当外加反偏压大于雪崩击穿电压时 N P结将发生雪崩击穿 雪崩区的电场强度由于带电粒子浓度很大而降低到很低的程度 而雪崩区右侧P区的电场强度将迅速增大 如果这时再加大管子的偏压 约为击穿电压的二倍以上 右侧增大的电场强度将可以达到击穿电场以上 因而再次引起雪崩击穿 由于低电场下载流子的饱和漂移速度很小 而上述过程却极快 因而雪崩载流子的漂移可以忽略 好像被俘获在雪崩区一样 管内形成俘获等离子状态 此时管内电场强度几乎为零 雪崩停止 此后 等离子体将以极低的速度逸出 外电路中将形成很大的脉冲电流 当等离子体全部逸出后 管内电场又恢复到初始分布状态 上述过程重复进行 便产生了周期性的脉冲电压和电流 形成了振荡 雪崩二极管 A点对应 管子发生雪崩击穿 在开始一段时间内 从A到B 尚未触发起雪崩冲击波前 二极管相当于被充电 管子端压将升高 当管子处于相当的过压状态时 立即触发起雪崩冲击波前 迅速形成等离子体状态 二极管接近短路 并输出一个倒向的电压脉冲 这一过程在极短的时间内完成 相当于从B到C 从C点开始 管子维持很大的电流脉冲 直到D点 之后管子回到初始状态 完成俘越模的一个工作周期 俘越模式的特点是在大电流条件下的一种电压崩溃现象 可以看成一种高速开关 由高阻状态迅速转换成几乎短路的低阻状态 从而将外加的直流电压变换成射频脉冲电压 雪崩二极管 这种工作模式由于在等离子体逸出 即大电流流动 的那段时间里 电压维持在很低的水平 因而其效率很高 例如600MHz的俘越模振荡器 效率可达到75 以上 在L波段 脉冲输出功率为1KW时 效率可达60 但是由于等离子体形成后 管内电场很低 所以等离子体逸出的速度很小 因此对于同一个二极管来说 其工作于俘越模的频率要远低于崩越模的频率 而且这种模式是工作在大电流状态下 其噪声比崩越模式要大 这种模式是1967年在实验室中发现的 它虽有效率高的优点 但依靠一般的直流偏置要提供这种模式需要的电流密度是很难办到的 必须采取特殊的措施 致使电路复杂 不易实现 2 7转移电子效应二极管 转移电子效应二极管 TransferElectronDiode 也称为体效应二极管和耿氏二极管 GunnDiode 其英文缩写为TED 1961年和1962年相继发表的论文 部分电子从高的迁移率转移到低的迁移率状态 使电子漂移速度随电场增大而减小 从而产生负阻 可实现微波振荡和放大 1963年 耿 J B Gunn 在N型GaAs半导体两端外加电压使内部电场超过3时 产生了微波振荡 由于其噪声远比雪崩二极管为低 也常被用作毫米波本振信号 2 7 1结构 转移电子效应二极管 转移电子器件是无结器件 最常用的转移电子器件是一片两端面为欧姆接触的均匀掺杂的N型GaAs半导体 通过研究发现InP半导体具有更大的负阻 而且可以工作于更高的频率 因此InP半导体转移电子器件的研究和应用都有较快的发展 2 7 2工作原理与特性 1 转移电子器件的偶极畴 由于在电场作用下N型GaAs半导体内的电子从低能谷向高能谷转移产生负微分迁移率 使得N型GaAs半导体对外体现出微分负阻 这一负阻效应正是产生微波振荡和具有微波放大作用的基础 转移电子效应二极管 由于GaAs的杂质分布和电场分布不可能完全均匀 因此实际上不可能在每部分同时超过阈值电场 同时降低电子运动速度 因此前述的静态特性一般是得不到的 通常要通过特殊的机制来实现动态特性 这一特殊机制就是偶极畴 在转移电子器件内就是依靠偶极畴的产生和消失来形成微波振荡的 1 畴的生成 转移电子器件中偶极畴形成 小于阈值电压 未发生大量的电子转移 电子将在两电极间作均匀连续的漂移运动 电场分布是均匀的 欧姆接触 阴极的金半结处于反偏 阻值较大 电场也稍强于半导体其它部分 大于阈值电压 阴极附近的电场将首先超过阈值电场 转移电子效应二极管 转移电子器件中偶极畴形成 发生了电子的转移而进入负阻区 平均漂移速度将减慢 左侧的电场仍低于 电子快速向阳极运动 电子积累层 右侧的电场仍低于 电子快速向阳极运动 正的空间电荷 电子耗尽层 负阻区的两侧形成了具有正负电荷的对偶极层 偶极畴 偶极层形成与外加电场方向相同的一个附加电场 致使畴内部的电场比畴外高得多 所以也称这个畴为高场畴 外加电压是一定的 畴内电场高 必然伴随着畴外电场的降低 外加电压大部分降落在高场畴上 只能形成一个偶极畴 转移电子效应二极管 转移电子器件中偶极畴长大 成熟 2 畴的长大 在阴极附近生成的畴最初只是一个小 核 在电场的作用下 核 将从阴极向阳极运动 由于畴内是慢电子而畴外是快电子 因此随着畴的运动堆积的对偶电荷越来越多 这样畴将逐渐 长大 随着畴的长大 畴内电场越来越高 而畴外电场越来越低 因此畴内电子是在加速的 而畴外电子是在减速的 这一过程一直继续到畴内电子的平均运动速度与畴外电子的平均运动速度相等为止 这时畴就不再长大 称为成熟畴或稳态畴 畴核由生成到成熟所需的时间称为畴的生长时间 转移电子效应二极管 偶极畴消失 3 畴的渡越与消失 成熟后的偶极畴将继续以一定的速度向阳极渡越 到达阳极后将被阳极吸收而消失 这段时间称为畴的渡越时间 畴消失后半导体内电场恢复到没有形成畴的原始状态 电子的平均运动速度也恢复到原始的快电子状态 从畴到达阳极到畴完全消失的时间称为畴的消失时间 或称为介质的驰豫时间 一个偶极畴消失后 如果器件的端压仍然维持在阈值电压以上 将在阴极附近再生成一个偶极畴 重复上述过程 转移电子效应二极管 a点表示畴核形成 此后电子的平均运动速度将快速下降 直到畴成熟的b点 从a点到b点所需时间即是畴的生长时间 b点之后成熟的畴将向阳极渡越 维持较低的平均运动速度 直到c点时畴到达阳极 bc段对应的时间即是畴的渡越时间 畴到达阳极后将很快被阳极吸收 随着畴的消失 电子平均运动速度将立刻上升到初始值 即从c点到d点 这段时间即是畴的消失时间 一般和极短 因此整个周期近似为渡越时间 称为渡越时间频率或固有频率 在目前工艺水平下可作到微米量级 器件的固有频率可高达100GHz 但随着的减小 器件承受功率也就不可避免地减小 转移电子效应二极管 设器件有源区长度为 畴的饱和漂移速度为 则有 如果在器件内部能生成成熟的偶极畴 要求 根据N型GaAs半导体材料的典型参数 可求得当 器件内部才能生成成熟的偶极畴 式中是器件的掺杂浓度 2 转移电子器件的动态特性 如果器件两端加上交变电压时 将会对畴的产生和消失产生影响 设这时器件端压为 直流偏压为0 转移电子效应二极管 1 当器件两端电压从零开始上升 电流最初应是按直线增加 A点对应端压为 这时偶极畴形成并很快成熟 电子平均漂移速度迅速下降 外电路电流也突然下降 如果器件端压继续增大 开始会引起畴内电场及畴外电场都增大 但根据畴内负阻区的速度 电场特性 增大将使慢电子更多 畴内电子平均漂移速度将减小 而增大将使畴外电子的平均漂移速度提高 因此破坏了畴内外原有的平衡 偶极畴将长得更大 畴内电场进一步升高以提高畴内电子平均漂移速度 畴外电场又会因的升高而降低 畴外电子将减速以达到新的平衡 这样 外加电压的增大转移为畴电压的增大 而器件内部的电子平均漂移速度是减小的 导致平均电流缓慢减小 直到电子的平均漂移速度 即是平均电流 达到最小值C点 这反映了器件的负阻特性 转移电子效应二极管 转移电子效应二极管 从C点开始 如果器件端压进一步增大 电流会缓慢增加 如CD段所示 2 如果器件端压从D点开始由大变小 直到B点以前 由于畴一直存在 因此电流会按照D C B路径逆向变化 从B点再进一步降低器件端压 虽然端压已经降到阈值电压之下 但电流并不会直接跃升到A点 原因是此时畴并没有消失 因为在存在偶极畴的情况下器件内的电场分布并不均匀 畴内电场高而畴外电场低 外加电压虽然已经小于阈值电压 但畴内电场仍然高于阈值电场 因此畴仍然能够维持 转移电子效应二极管 器件内电子的平均漂移速度 即是平均电流 不会很快提高 直到端压下降到能维持畴的最小电压 称为畴的维持电压 对应曲线2 76的E点 因此在这一过程中电流将沿B E段变化 端压再降到E点以下 这时畴将消失 电流立即由E点跃升到F点 由于F点对应端压在以下 因此不会再形成偶极畴 直到端压再上升到 这样完成了外电压的一个完整周期 2 7 3等效电路 整个器件内偶极畴区呈现负微分迁移率 是负阻区 而畴外呈现低能谷的迁移率 是正阻区 转移电子器件的管芯等效电路可表示为下图所示 转移电子效应二极管 由畴外小信号电导和畴内小信号电导串联而得 和是畴外的微分电导和静态电容 和是稳态畴的微分电导和静态电容 结论 负阻值比正阻值大几十倍 2 8结型晶体管 晶体管分为两大类 一类为结型晶体管 另一类是场效应晶体管 两类虽然都叫做晶体管 但其工作原理是不同的 结型晶体管也称为双极型晶体管 双极结晶体管 Bipolar JunctionTransistor 习惯上称作晶体管或晶体三极管 英文简称为BJT 由于它的低成本结构 相对较高的工作频率 低噪声性能及高功率容量 BJT是目前最广泛运用的射频有源器件之一 其名称的由来是由于在这类晶体管中有两种极性的载流子 电子和空穴都参与器件的工作 本节介绍结型晶体管的工作原理 结构和等效电路 特性 结型晶体管 2 8 1工作原理 尽管反向偏压可以很大 流过的电流总是很小的 因为反向电流是由P N区的少子形成的 1 基本工作过程 如果PN结加上的是正向偏压 即使电压较小 也可产生较大电流 这时P区中的空穴注入到N区 产生少子注入 使N区空间电荷区边界处的