器件物理(1-2)

1、1半导体器件物理哈尔滨工业大学微电子科学与技术系刘晓为 陈伟平()2课程安排 内容内容（24学时）第一章 器件工作的基本方程1h第二章 特种二极管（变容二极管、PIN二极管、隧道二极管、雪崩二极管）7h第三章 电荷耦合器件（CCD) 4h第四章 太阳电池2h第五章 电力电子器件（晶闸管、IGBT）10h 参考书参考书王家骅 等编著 半导体器件物理 科学出版社 1983（美）B. Jayant Baliga, 功率半导体器件基础，电子工业出版社，2013年2. （美）施敏 著 半导体器件与工艺 科学出版社 19923. （美）施敏 著 现代半导体器件物理 科学出版社 20014. 王志良 主编

2、电力电子新器件 国防出版社 1995 教学方式教学方式讲授+讨论（70%）；试验（30%） 考试方式考试方式 （50%+20%）试验（30%）3绪论绪论 - 半导体器件半导体器件 基本器件基本器件P-N二极管(1949,Shockley)M-S结构(1874,Braun)MIS/MOS结构(1959,Moll) 晶体管晶体管双极晶体管（双极晶体管（1947，Bell）MOS场效应晶体管（场效应晶体管（1960，Kahng）：）：DRAM、P P、ROM、RAM、非挥发非挥发RAMSOI-FET、SET（1987，Fulton）JFET、MESFET（1966，Mead）、）、MODFET（19

3、69，Esaki） 负阻器件负阻器件隧道器件（隧道器件（1958，Esaki江崎）江崎）碰撞电离雪崩渡越世间二极管碰撞电离雪崩渡越世间二极管转移电子器件（转移电子器件（TED）（）（1963。Gunn）4半导体器件 基本器件基本器件 晶体管晶体管 负阻器件负阻器件 功率器件功率器件晶闸管（晶闸管（1950，Shockley）、）、IGBT（1979，Baliga）、）、SIT（1972，Nishizawa）VDMOS 光学器件光学器件LED、半导体激光器、半导体激光器光电二极管和太阳能电池光电二极管和太阳能电池 传感器传感器温度传感器、磁传感器、化学传感器、微机械传感器温度传感器、磁传感器、化

4、学传感器、微机械传感器半导体器件材料的变化与发展半导体器件材料的变化与发展第一章第一章 半导体基本知识半导体基本知识6 un：电子迁移率：电子迁移率 up：空穴迁移率：空穴迁移率 Jn：电子电流密度：电子电流密度 Jp: 空穴电流密度空穴电流密度 n：电子浓度：电子浓度 p：空穴浓度：空穴浓度总电流密度总电流密度J两式相比可以得到半导体的电导率两式相比可以得到半导体的电导率 8基本方程包括：麦克斯韦方程、电流密度方程、连续性方程基本方程包括：麦克斯韦方程、电流密度方程、连续性方程1、麦克斯韦方程、麦克斯韦方程对均匀各向同性材料有对均匀各向同性材料有 在静态或低频状态下， s和。分别为介电率和导

5、磁率半导体工作的基本方程半导体工作的基本方程HBzyxDJJtDHtBEtotcond),(EDs92、电流密度方程、电流密度方程D和和分别为载流子的扩散系数和迁移率分别为载流子的扩散系数和迁移率3、连续性方程、连续性方程、G和和U分别为载流子寿命、产生率和复合率分别为载流子寿命、产生率和复合率qTkDJJJpqDEpqJnqDEnqJpncondpppnnn;222211注入情况下一维xpDxpExEpppGtpxnDxnExEnnnGtnJqUGtpJqUGtnnpnppnpnnppnpnnpnppnpppnnn。、小PN结能带图结能带图101112第二章第二章 特种二极管特种二极管 2.

6、1变容二极管（变容二极管（Tuning Diode）利用利用p-n结电容随外加电压的非线性变化工作的半导体器件，结电容随外加电压的非线性变化工作的半导体器件，1958年年提出后，已制成提出后，已制成Ge、Si和和GaAs变容微波器件，得到了广泛的应用：微变容微波器件，得到了广泛的应用：微波开关、调制器；混频器；压控振荡器和参量放大器。波开关、调制器；混频器；压控振荡器和参量放大器。自动调谐收音机自动调谐收音机AFC系统系统13第二章第二章 特种二极管特种二极管 2.1.1 变容二极管的电容变容二极管的电容-电压关系电压关系理想变容二极管要求损耗小一般利用理想变容二极管要求损耗小一般利用p-n结

7、势垒电结势垒电容工作，工作区反偏（容工作，工作区反偏（0击穿电压）。击穿电压）。势垒电容：势垒电容：);exp()(02TkqVLpLnTkqAdVdQCpnnpD21)(2ADmmrBqNVVxxAC正向扩散电容：正向扩散电容：14变容二极管的杂质分布变容二极管的杂质分布p+-n结为例，低掺杂侧结为例，低掺杂侧杂质浓度杂质浓度:N(x)=Bxm x 0, B为常数为常数m=1 线性缓变结线性缓变结m=0 单边突变结单边突变结m0 超突变结超突变结 15变容二极管的杂质分布变容二极管的杂质分布p+-n结为例，结为例，由泊松方程：由泊松方程：利用利用V(0)=0; V(W)=VD+Va 解出解出

8、：当当m=-3/2时，时，n=2 超突变结，变容二极管的共振频率超突变结，变容二极管的共振频率 rxqNdxVd)(22naDmaDmrmaDrVVVVmqBCmnqBVVmW)()(2()(21;)(2(21121令aDnaDrVVVVLCf221串联电阻的影响使得超突变结并不是最好的杂质分布。串联电阻的影响使得超突变结并不是最好的杂质分布。 162.1.2变容二极管的结构和参数变容二极管的结构和参数等效电路中等效电路中Rj 10M , C j 几几pF,因此简化为因此简化为Cj与与Rs的串联的串联1. 电容变化系数电容变化系数越大越好。越大越好。2. 品质因数品质因数存储能量存储能量/消耗

9、能量消耗能量微波频段微波频段Cj0为零偏结电容，为零偏结电容，RsQ Q=1时，时， 为零偏截止频率为零偏截止频率)(2minmaxminmaxCCCC021jsCfRQ0210jscCRf173. 串联电阻串联电阻RS=Rp+Rn+RB+RC非外延变容管：非外延变容管：RSRB=（ B/4rm)F 10-50 外延变容管：外延变容管： RS 0.n-n 一般变容管杂质分布如图一般变容管杂质分布如图3.1.3 变容二极管的设计变容二极管的设计材料：迁移率大；介电常数小；材料：迁移率大；介电常数小；禁带宽度大；杂质电离能小；禁带宽度大；杂质电离能小；导热率高。导热率高。结构：外延台面管；台面小；

10、掺杂高结构：外延台面管；台面小；掺杂高提高截止频率。提高截止频率。dxxARexxnn)(1218（1）台面外延变容二极管）台面外延变容二极管外延层外延层 电阻率电阻率外延层厚度外延层厚度扩散深度扩散深度mDcrNqf210210BcVf不同外延层厚度下零偏截止频率与击穿电不同外延层厚度下零偏截止频率与击穿电压的关系图见图压的关系图见图结论：零偏截止频率，有低的结论：零偏截止频率，有低的击穿电压击穿电压1920对于较小的扩散深度，电容接近于突变结情况；对于较大的扩散探底则接近于对于较小的扩散深度，电容接近于突变结情况；对于较大的扩散探底则接近于线性缓变结的情况。线性缓变结的情况。在电阻率一定，

11、串联电阻随结深的增加而迅速地减小，在结较浅时串电阻近似在电阻率一定，串联电阻随结深的增加而迅速地减小，在结较浅时串电阻近似正比于外延层电阻率，结深较深时串联电阻与外延层电阻率的关系则减弱，重正比于外延层电阻率，结深较深时串联电阻与外延层电阻率的关系则减弱，重达扩散时串联电阻就变得与外延层电阻率无关。达扩散时串联电阻就变得与外延层电阻率无关。所以变容二极管偏压截止频率随结深的增加而增加所以变容二极管偏压截止频率随结深的增加而增加212.2 PIN二极管二极管PIN二极管：在二极管：在p型区和型区和n型区之间加入本征层（型区之间加入本征层（10-200 m）I层一般为高阻区（高阻层一般为高阻区（高

12、阻p型称为型称为P N；高阻高阻n型称为型称为P N）用途：大功率微波开关（速度用途：大功率微波开关（速度W/2v）、）、微波可变衰减器（电阻控制）微波可变衰减器（电阻控制）大功率整流器、光电器件等大功率整流器、光电器件等22 PIN二极管的能带、电荷及电场分布（以长二极管的能带、电荷及电场分布（以长I区为例）区为例）结构相当于：结构相当于：I区电阻区电阻+PI突变结突变结+IN突变结突变结正向工作：正向工作：两个结正向导通向两个结正向导通向I区注入电荷电荷；区注入电荷电荷；I区电阻受到调制。区电阻受到调制。2.2.1 PIN二极管的定性分析二极管的定性分析23 外电压的影响外电压的影响 等效

13、电路等效电路RS为接触电阻；为接触电阻；RJ，CJ为为PI和和IN二极管结二极管结电阻和电容；电阻和电容；CD为扩散电容（高频忽略）；为扩散电容（高频忽略）；RI（正向电荷控制）正向电荷控制）CI（未耗尽部分未耗尽部分I区）区）242.2.2 正偏正偏I区电阻区电阻一维情况下，设：一维情况下，设：I层层 ， 恒定；恒定；电子和空穴电子和空穴 ， 相同；相同；I层层n(x)=p(-x)，即电中性即电中性PI只有空穴电流、只有空穴电流、NI只有电子电流。只有电子电流。I区中：区中：)4()3()2(1) 1 (1dxdpqDpEqJdxdnqDnEqJJqnptpJqnntnpnpini252.2

14、.2 正偏正偏I区电阻区电阻I区正偏时，区正偏时，E 0，p,nni，稳态：稳态：n,p与与t无关，令无关，令方程简化为：方程简化为： 方程解与边界条件：方程解与边界条件： 解得：解得：)6(0)5(0222222LpdxpdLndxnd)2()(,20)(, 0)()()7()exp()exp()(21WnxnWxdxxdnxxpxnLxCLxCxndxdnqDAWJILWqDAshLxLchIxpxnnFF2)2()8()2(2)()()( DL26由（由（8）作图可见）作图可见W越小，越小， 越大，越大，载流子浓度越平坦。载流子浓度越平坦。 （x)=2q n(x), I区电阻：区电阻：带

15、入n(x)得到：当WL时，可见可见RF 1/IF受到电流受到电流IF的调制的调制;LWLWFxdxAR)(1)2()2(21LWshtgLWshqIkTRFFFFIWR22272.2.3反偏电阻：反偏电阻： 、电容和击穿电压、电容和击穿电压反偏电阻：反偏电阻：反偏下，反偏下，I区为耗尽区，但从区为耗尽区，但从0偏到反偏有一个偏到反偏有一个I区串联电区串联电阻降低为近似阻降低为近似0的过程。因此曲线有相应的变化。的过程。因此曲线有相应的变化。电容和击穿电压电容和击穿电压电容：反偏下，电容：反偏下，PIN二极管为平行板电容二极管为平行板电容CJ= . rA/W击穿电压：击穿电压：VB EmW因为因

16、为I区为本征材料，区为本征材料，Em很高，且很高，且W也也可较大，所以可较大，所以PIN二极管可以达到高击二极管可以达到高击穿电压。穿电压。PIN二极管作为微波开关应用时要求二极管作为微波开关应用时要求Ron小，小，Roff大。大。反向阻抗：反向阻抗：RS+CJ的串联的串联Roff=RS+1/(CJ )= RS+W/( . rA)， -1要提高要提高Roff，应增加应增加W和和 282.2.4 PIN二极管的开关时间二极管的开关时间PIN二极管相当于电容器：正向导通存储电荷，反向释放电荷达到截止状态。二极管相当于电容器：正向导通存储电荷，反向释放电荷达到截止状态。开关时间主要取决于反向恢复时间

17、：减少存储电荷将增加通态电阻，只能减少电开关时间主要取决于反向恢复时间：减少存储电荷将增加通态电阻，只能减少电荷的抽取时间。荷的抽取时间。关断时：关断时：极端情况：极端情况：IR=0, 可见减小寿命可减小关断时间；可见减小寿命可减小关断时间；忽略复合：忽略复合：IR大，可有效减小关断时间，实际上一般采用大反向脉冲电流的措施大，可有效减小关断时间，实际上一般采用大反向脉冲电流的措施。RItQdtdQ)()exp()()(tQtQtQdtdQ解出：RFRRRIIIQtttQQtItQQQtIdtdQ间，则为全部抽完电荷所用时，则令0)()(, 0292.3 隧道二极管隧道二极管1957年江崎铃实验

18、发现在重掺杂年江崎铃实验发现在重掺杂p-n结正向特性中的负阻现象，结正向特性中的负阻现象，1958年用量子隧穿理论解释了这种反常现象。隧道二极管具有超高速、年用量子隧穿理论解释了这种反常现象。隧道二极管具有超高速、低噪声特点，在小功率微波放大、开关、振荡和频率锁定电路中应低噪声特点，在小功率微波放大、开关、振荡和频率锁定电路中应用。用。2.3.1 隧道二极管的定性分析隧道二极管的定性分析由重掺杂（简并）的由重掺杂（简并）的p+和和n+ 区组成的二极管，区组成的二极管，Vp和和Vn为数为数kT; Xd100 30掺杂浓度掺杂浓度1019-1020/cm3。下图定性说明隧道二极管电流电压特性。下图

19、定性说明隧道二极管电流电压特性。31直接隧穿（直接带隙半导体），间接隧穿（间接带隙半导体）直接隧穿（直接带隙半导体），间接隧穿（间接带隙半导体）由于动量守恒要求，间接隧穿要有声子辅助，因此，直接隧穿几率由于动量守恒要求，间接隧穿要有声子辅助，因此，直接隧穿几率大于间接隧穿。大于间接隧穿。322.3.2 隧道几率和隧道电流隧道几率和隧道电流1. 隧道几率隧道几率由量子力学的由量子力学的WKB（文策耳文策耳-克莱默克莱默-布里渊法）近似，隧穿几率布里渊法）近似，隧穿几率可见可见P取决于取决于Eg和和x掺杂浓度。掺杂浓度。 K=1.33 K=2.0 K=1.59dxExVmPXX2/1212/1)(

20、)*2(2exp)/2(exp2/12xhmEKPg332.隧道电流隧道电流假设：假设：1）小电压下，）小电压下，P为常数；为常数；2）状态密度函数）状态密度函数（E-EC)1/2和和(EV-E)1/2;3）qVn和和qVp2kT；分布函数线性近似分布函数线性近似正向隧道电流正向隧道电流2.3.3 过量电流过量电流VVp+Vn，隧道电流应为隧道电流应为0过量电流：谷电流过量电流：谷电流+指数过量电流指数过量电流2)(VqVqVkTqVPAIIIpnCVVC34谷电流：重掺杂半导体的带尾效应，造成禁带变窄，从而导致势垒谷电流：重掺杂半导体的带尾效应，造成禁带变窄，从而导致势垒变窄，隧道电流加强。

21、对隧道二极管，重掺杂是必要条件，因此谷变窄，隧道电流加强。对隧道二极管，重掺杂是必要条件，因此谷电流不可避免。电流不可避免。35指数过量电流：载流子通过禁带中的能级发生的隧道效应电流，这指数过量电流：载流子通过禁带中的能级发生的隧道效应电流，这种隧道电流种隧道电流Ix随随V电压指数上升。电压指数上升。)(exppngxxxVVqqVEADI362.3.4 等效电路等效电路等效电路如图所示，等效电路如图所示，RS为串联电阻包括欧姆接触、引线和材料的扩展为串联电阻包括欧姆接触、引线和材料的扩展电阻；电阻；LS为串联电阻电感；为串联电阻电感；C为突变结电容。负阻区开始点的斜率为为突变结电容。负阻区开

22、始点的斜率为最小负阻，近似为：最小负阻，近似为：Rmin2Vp/Ip)ln(2303. 212rrlLs37隧道二极管阻抗：隧道二极管阻抗：令电阻部分为令电阻部分为0，得电阻截止频率，得电阻截止频率令电抗部分等于令电抗部分等于0，得电抗截止频率，得电抗截止频率)()1(-1-)1(1122222221RCRCLjRCRRRjCRjLRjCRjLRZssssssin121RrRRCfr2)(1121RCCLfzs382.3.5 反向二极管反向二极管 当当p区和区和n区掺杂浓度达到弱简并状态，但费米能级区掺杂浓度达到弱简并状态，但费米能级未进入导带或价带。能带如下图所示：未进入导带或价带。能带如下

23、图所示：39但因高掺杂效应使得势垒区宽度但因高掺杂效应使得势垒区宽度Xd很小，正向特性无隧道电流发射很小，正向特性无隧道电流发射条件，无负阻或很小负阻效应；反向特性因薄势垒，存在很大隧道条件，无负阻或很小负阻效应；反向特性因薄势垒，存在很大隧道电流。电流。问题：为什么图（问题：为什么图（b）存在正向负阻现象？存在正向负阻现象？反向二极管，在零偏附近特性曲线有较大的曲率，比点接触二极管反向二极管，在零偏附近特性曲线有较大的曲率，比点接触二极管检波和混频特性更好，常用于小信号微波检波和混频。检波和混频特性更好，常用于小信号微波检波和混频。402.3.6 负阻概念负阻概念普通电阻普通电阻: R=V/

24、I 电压与电流同相，电压与电流同相，R0，为正阻。为正阻。电阻消耗的能量电阻消耗的能量P=I2R P0，为耗能元件。为耗能元件。负阻负阻R负负: R负负=-V/I=-R 电压与电流反相，电压与电流反相，R负负0，为负阻。，为负阻。负阻消耗的能量负阻消耗的能量P负负=-I2R P负负0，为能量供给元件。，为能量供给元件。41正阻包括非线性电阻，电流随电压的增加而增加；正阻包括非线性电阻，电流随电压的增加而增加；而负阻特性电压增加，电流减小。而负阻特性电压增加，电流减小。负阻的作用：负阻的作用：交流振荡：如图所示，交流振荡：如图所示，i(t)与与v(t)反相，直流能量反相，直流能量I0V0i(t)

25、v(t)交流振荡；交流振荡；交流放大：交流放大：若若RRL，则则Av1，产生放大。产生放大。 LLLLRRRRRvvAv11422.4 崩越二极管崩越二极管IMPATTD(IMPact Avalanche Transit Time Diode) 雪崩二极管利用雪崩二极管利用p-n结的雪崩倍增和载流子的渡越效应产生负阻结的雪崩倍增和载流子的渡越效应产生负阻效应，能够产生微波震荡，雪崩二极管主要用于大功率微波振荡器。效应，能够产生微波震荡，雪崩二极管主要用于大功率微波振荡器。优点是结构电路简单、输出功率大、效率高、高频特性好。缺点是优点是结构电路简单、输出功率大、效率高、高频特性好。缺点是噪声大，

26、电压高。噪声大，电压高。1958年年 Read 提出提出N+-P-I-P+结构可产生微波震荡；结构可产生微波震荡；1965年年 Johnston观察到观察到p-n结的微波震荡效应；同年结的微波震荡效应；同年Lee制成了制成了Read二极管；二极管；1966年年 Misawa证明任何杂质分布的证明任何杂质分布的p-n结都可产生碰撞电离、雪崩结都可产生碰撞电离、雪崩渡越时间决定的微波震荡；渡越时间决定的微波震荡；1967年年Prager和和K. N. Chang 发现了俘越模式的雪崩二极管。发现了俘越模式的雪崩二极管。雪崩二极管采用雪崩二极管采用Si、Ge和和GaAs制作。制作。43 碰撞电离碰撞

27、电离 雪崩倍增雪崩倍增 雪崩倍增因子雪崩倍增因子 雪崩倍增条件雪崩倍增条件2.4.1 雪崩倍增雪崩倍增442.4.3 崩越振荡机理崩越振荡机理以以Read二极管（二极管（ N+PIP+ ）为例，负阻特性是由于雪崩倍增过程和载）为例，负阻特性是由于雪崩倍增过程和载流子的渡越时间所造成的电流和电压的相移而产生的。流子的渡越时间所造成的电流和电压的相移而产生的。假设：载流子的电离率相等假设：载流子的电离率相等n=p=，发生雪崩击穿，发生雪崩击穿，雪崩区雪崩区0 xA：临界直流电压临界直流电压VD+射频电压射频电压v(t)， v(t)正半周，雪崩击穿；正半周，雪崩击穿； v(t)负半周，雪崩停止。负半

28、周，雪崩停止。漂移区漂移区xAxA+W：雪崩产生的载流子进入漂移区以饱和速度通过漂移雪崩产生的载流子进入漂移区以饱和速度通过漂移区，渡越时间区，渡越时间=W/vd。95. 00dxAx45波形分析：波形分析：雪崩区：雪崩区：射频电压射频电压v正半周时，正半周时，0/2，N+P结开始发生击穿，积累结开始发生击穿，积累电子空穴对，形成电子空穴对，形成Ia ；/2 范围，继续雪崩过程积累电子空穴对，范围，继续雪崩过程积累电子空穴对，Ia增加；增加； 3 /2，雪崩击穿结束，雪崩区积累的载流子（空穴）进雪崩击穿结束，雪崩区积累的载流子（空穴）进入漂移区，入漂移区， Ia继续存在，但不断减小；继续存在，

29、但不断减小； Ia 相对于相对于v落后落后/2相位，这相位，这就是雪崩区延迟。就是雪崩区延迟。漂移区：漂移区：漂移区电场低于击穿临界电场，载流子数量不变，以饱漂移区电场低于击穿临界电场，载流子数量不变，以饱和速度渡越通过漂移区。这个恒定的匀速空穴电荷流，将在外电路和速度渡越通过漂移区。这个恒定的匀速空穴电荷流，将在外电路产生脉冲电流产生脉冲电流Ic。设：设：x=0，雪崩倍增产生空穴电流雪崩倍增产生空穴电流 I0(t)流入漂移区，任意流入漂移区，任意点点x，t时刻的空穴电流时刻的空穴电流I(x, t)=I0(0, t-x/v)=I0(t-x/v)，则外电路电流则外电路电流ttWsWcdttIWd

30、xvxtIWdxtxIWI0000) (1)(1),(146其基波相对于其基波相对于Ia相位延迟了相位延迟了/2，上述分析中忽略了对相移上述分析中忽略了对相移无贡献的外电路对无贡献的外电路对N+P结势垒的充电电流。结势垒的充电电流。设设IaI的频率为的频率为f，Ic相对与相对与Ia落后的相位为落后的相位为（注入相位）（注入相位） 令令= /2，则有则有可见可见f与与W成反比成反比，上式确定的上式确定的f为漂移频率。为漂移频率。令渡越角为：令渡越角为： =， 0，出现负阻，出现负阻， = 时，时，负阻最大。负阻最大。svWf WvffvWss22或47雪崩二极管振荡：雪崩二极管振荡：器件结构如图

31、雪崩二极管，雪崩二极管置于微波谐振腔中，反偏到器件结构如图雪崩二极管，雪崩二极管置于微波谐振腔中，反偏到雪崩击穿点附近，绝缘的活塞可以上下活动改变谐振频率，使雪崩击穿点附近，绝缘的活塞可以上下活动改变谐振频率，使f=1/(2)时，能产生频率为时，能产生频率为f的微波振荡，从耦合口输出。的微波振荡，从耦合口输出。振荡产生过程：自激振荡、热起伏、微扰等形成广谱噪声振荡，频振荡产生过程：自激振荡、热起伏、微扰等形成广谱噪声振荡，频率为率为f的振荡谐振加强形成射频电压输出，负阻效应随振幅的增加而的振荡谐振加强形成射频电压输出，负阻效应随振幅的增加而减小，电源提供的能量等于腔体的消耗时，达到稳定振荡。减

32、小，电源提供的能量等于腔体的消耗时，达到稳定振荡。48（a）雪崩开始）雪崩开始（b）漂移开始）漂移开始（c）渡越期）渡越期（d）退出漂移区）退出漂移区能量转换：能量转换：直流电场将直流电场将能量注入或能量注入或转换成交变转换成交变电场。电场。49（1）P+NN+型：单边突变（型：单边突变（N+PP+型）微波震荡、放大型）微波震荡、放大（2）PIN型：型：大频宽、高效、大频宽、高效、脉冲应用脉冲应用（图与（图与Read二极管相似）二极管相似）（3）P+PNN+型：型：双漂移型，双漂移型，高效率、高功率高效率、高功率2.4.4 崩越二极管结构崩越二极管结构50（5） P+N1N2N+ ：高：高-低

33、结型，低噪声（势垒注入渡越时间二极管）低结型，低噪声（势垒注入渡越时间二极管）（6）P+N1-NN2-N+和和MN1N2N3型：低型：低-高高-低结型，高效率低结型，高效率512.4.5 崩越二极管的等效电路崩越二极管的等效电路 崩越二极管的等效电路出自其交流小信号分析崩越二极管的等效电路出自其交流小信号分析结果。过程繁杂（忽略）结果。过程繁杂（忽略）模型：模型：雪崩区等效电路52崩越二极管总阻抗崩越二极管总阻抗Z是雪崩区阻抗是雪崩区阻抗ZA、漂移区阻抗漂移区阻抗Zd和无源区电阻和无源区电阻RS之和。之和。当当/4时，上式简化为时，上式简化为C=A/W耗尽层电容耗尽层电容第一项为有源电阻，当第

34、一项为有源电阻，当r时，为负阻。时，为负阻。 22s22r21sin1sin)2cos1)(11(21rAAddxWxCjRCZ11)1 (2)(22222rSrsACjRAvxWZSsrJ/20SsrJ/20SsrJ/20SsrJ/20 /20SsrJ53小渡越角崩越二极管的等效电路小渡越角崩越二极管的等效电路第三项是电抗性的，由等效电路图可见第三项是电抗性的，由等效电路图可见相当于二极管电容与电感并联的谐振电路。相当于二极管电容与电感并联的谐振电路。r 时，时， 0电感；电感；r时，时， 0电容。电容。)11(122rC)11(122rC54崩越二极管的交流导纳崩越二极管的交流导纳YG为导

35、纳的实部；为导纳的实部；B为导纳的虚部。为导纳的虚部。jBGVJZYA1552.4.6 崩越二极管的特性崩越二极管的特性 1. 崩越二极管的效率崩越二极管的效率定义：交流输出功率定义：交流输出功率Pa/直流功率直流功率Pd为崩越二极管的效率为崩越二极管的效率为注入相位延迟，为注入相位延迟，Si: m=1/2; GaAs: m=1对理想对理想Read二极管的尖峰脉冲近似下，二极管的尖峰脉冲近似下，Va/Vd1/2; Ia/Id 2/，因此效率因此效率大于大于1/ ，超过超过30%。实际崩越二极管的效率只达到实际崩越二极管的效率只达到20%以下，影响因素包括：以下，影响因素包括：空间电荷效应、反向

36、饱和电流效应、少子注入电流效应、空间电荷效应、反向饱和电流效应、少子注入电流效应、趋肤效应和未耗尽外延层串联电阻效应等。趋肤效应和未耗尽外延层串联电阻效应等。cos/112dadadadaVVmIIVVPP56空间电荷效应空间电荷效应图（图（a）雪崩电荷之间的电场与外电雪崩电荷之间的电场与外电场相反可造关闭雪崩过程，减少了场相反可造关闭雪崩过程，减少了相位延迟。相位延迟。图（图（b）改变了电场和端电流分布，改变了电场和端电流分布，降低了效率。降低了效率。反向饱和电流效应反向饱和电流效应反向饱和电流会使雪崩过程建立太反向饱和电流会使雪崩过程建立太快，从而引起雪崩相位延迟减小。快，从而引起雪崩相位延迟减小。少子注入电流也会引起这种效应加少子注入电流也会引起这种效应加剧。剧。趋肤效应和未耗尽外延层串联趋肤效应和未耗尽外延层串联电阻会使得有效输出功率下降电阻会使得有效输出功率下降从而减小效率。从而减小效率。572.崩越二极管的噪声崩越二极管的噪声噪声大是崩越二极管的致命缺点，其噪声电平高达噪声大是崩越二极管的致命缺点，其噪声电平高达20-40db。然而在然而在微波频段崩越二极管可作为噪声源。微波频段崩越二极管可作为噪声源。崩越二极管的噪声可分为调幅（崩越二极管的噪声可分为调幅（AM）和调频（和调频（FM），），包含三部分：包含三部分：雪崩噪声雪崩噪声