大三下-微波第五章

第五章固态无源/有源微波元器 主要内应半导体基半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质108

105

104

1010金 半导 绝缘载流子：电子/空穴“本征半导体”“N型半导体”“P型半导体”杂质不同；半导体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

○○○○○○○

于V族，形成键的两个电子在原子的分布并非完全对称，偏向于两子中的一个，含有“离子键”的成

半导体温度为绝对零度时，电子的能量较这两个能带之间存在着空隙，在空

EgEg 半导体的本征

半导体 无电 电中 电半导体激发能量

1010

“复合”：如果一个自由电子和一个空穴在移动中相遇，或者位上去，就会造成一对自由电子和空穴同时。 电 禁 空半导体设n0和p0为半导体中热平衡状态下电子和空穴的浓度，它费米（Fermi）统计而 Nexp

EF

Nexp

Ev

kT

kT 引入符号E

示本征情况下的费米EF

kT

0

Ei

Ec2

kT2

Nv Nv p0

c2在本征激发状态下，用ni表示本征浓度2n0

n0

这一关系也被当作动态平衡条件成立的标 n

Ei

EF

kT

ni

kT

半导体

半导体

FN 导带底EcFN级Eg

费米能E 掺杂施主杂质能级

价带顶Ev掺杂施主后费米能

导带底EcEg

EA

费米能级EFP 价带顶Ev掺杂受主杂质能级

掺杂受主后费米能半导体浓度，即在Nn0NND（施主浓度），在P中p0PNA（受主浓度），则N型半导体中与Pn2nN p N D

2nN n nN Ap漂p漂Jn

漂

q

pvp

qp漂半导体p漂In

漂

pvp

qA漂I漂

I

q

pvp

漂漂n均匀掺入杂质的半导体的导电特性服从欧姆定律，即流过半导体漂漂n电流强度正比于半导体两端的电压nvnqA

pvpqA

UEvn

vp

n

vp

p电子和空穴的“迁移迁移率是单位电场强 流子的平均漂移速度，它反映了载子在半导体内作定向运动的难易程度，其单位为

Vs

子漂移速度也将趋近于饱和值。p漂半导体p漂漂In漂

p

漂I漂

I

ppUlU

pp漂漂nn漂漂nnp扩p它也是微粒的一种定向运动，可称之为“扩散流”。这种载流子的扩散运动将形成电荷的迁移，这就是。p扩pJ

扩扩

qD 扩I扩

A

qDp

Ap扩D称为扩散系数，表达了扩散的程p扩半导体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Dnn

kT 关q漂JnJq漂

J

qnn

qDn

pDqkTp扩p漂Jp扩p漂

＝qpp

qDp扩Jn扩

EkT

dx

InIn

In

qnE 漂p

dndxdxJp

EdxE

pEqD

dpdxdx

半导体在同一块半导体中，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，它是许多半导件 部分

N

PN结空间电半导体结Nnq结Nnq

ND

kT

p0

kT

n0q p qi0N0i0NPN结接触电半导体假设外加电压全部用来改变势垒高度，即外加电压全部降落在空，电场强度为0。因此在空间电荷区之外，载流子只做扩散运动。在空间电荷区内，无载流子的复合与产生。即当电流流过PN结时流过空间电荷区两个边界的电子数与空穴数不因经过空间而改变在正向电压下，注入到对方的少子，比该区平衡状态下的的多，即是满足通称的“小注入条件”

半导体V时（即P端接外电源的正极，NNN结

PN结空间电

半导体PN结的“正向导通状态流过PN结的总电流＝InAAIpPN结的理想“伏安Dpp（DppI p

nexpqV 0

0P

kT Dpp

DNn

qV

qVqA

0

0PexpkT

IIs qV

kTIsexpkT

NN结

PN结空间电

半导体IIPN结电压电流特这种非线性关系也称为“整流特

半导体PN结的电容效应有两种：势垒电容和扩散电（1)PN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NNNNAND突变PN

NNDNNDNA空间电荷区的电荷密度的分析一般采用“耗尽层半导体qNDANqNAANANDNAND

ND○

NA 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的分布。欲求空间电荷区的电场及电势分布，可以采用一维（Poisson）方程d

x

d

x

r

dxdx

r半导体2 x2 x2 qN2 D D

A A2 2

VV

2N2 Nx

Px

2r 12r0NDNA

P

2r

V2qN t qN 半导体

NNDN NAxVVxVP突变PN结电荷、电场及电势关（2)PN结的势垒

半导体设用来代表PN

A

APN

P

qNAAQND

NA

2r0qNDNA

2r2r0NDNAVq t

NDNA

Q

NDNA

VtCt

dQ 2ND2NDNAr0qNDNA

Ar

Ar（3)PN结的扩散

半导体

q2p

qV q2n

qVd d

L

exp t 0 L

exp t

kT

kT kT

kT

dC Cd通常远大于t故；CjdC

半导体（1崩（2)纳

半导体称为场致发射。由于这种效应也使反向电流大大增加，称之为“齐纳击穿”，也叫做“隧道击穿”或“软击穿”。I（3击BB

软PN结的击穿半导体

半导体（1)金属与N型半导体形成金半接触EFEFE

WM EcE 处于平衡状态时，应有统一的费米

EF金属和N型半导体接触

EFE

qcFqEcF

MSMS

半导体当金属与N型半导体接触时，若WMS导体表面电势用V

VS

金属的功函数小于半导体的功函

EFS

EFE

金属和N型半导体接触反阻挡半导体（2)金属与P型半导体形成金半接当

W，

MM

S（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S导体端接外电源的负极

q

EF

（IV性） E I

qV IsexpkT金半结加正向

半导体IV金半结的IV金半结的电压电流特WM

q

EFE金半结加反向微分电导（dIV半导体（1)势垒2r

V

Ar

1qr qN tqN

Ct

ND（2)扩散半导体点接外延

半导○

面结 肖特基势垒二

为二极管的非线性结电阻，是二极管 等效元件。R 加于二 管上的偏压改变，正向时约为几个欧姆j反向时可达兆欧量级jRj C

C称为二极管的非线性结电容Cp 到一个皮法（）之间。s 称为半导体的体电阻，又叫串联电阻s点接触型管子的 十到几十欧姆，肖特基势垒二极管等

面结合型管子的值约为几欧姆s引线电感，约为一至几个纳亨s肖特基二极管电路符

C

壳电容，约为几分之一皮法

肖特基势垒二 I

Is

nkT

当势垒是理想的肖特基势垒时n当势垒不理想

n对点型管子来说，通 n结合型管

n1.05~

nkT

nI0V肖特基势垒二极管电压电流I0V肖特基势垒二二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（称为本振电压）,为vt

0Vdc 0

ittitf

Is

cosLtt

肖特基势垒二截止频 fc当外加电压角频率为

RsCj高频信号在 的损耗为3dB，二极管已经不能好工作。定义这时对应的外加信基势垒二极管的截止频率

f 肖 c 2R j噪声比td

肖特基势垒二噪声比定义为二极管的噪声功率与阻热噪声功率的比值噪声来源串联电阻噪声来源取决于表面情况的闪

2i gdi噪声发生器的均方值

i2

n噪声发生器内导为二极管小信号电导：n

dI

R

Isgd

肖特基势垒二散粒噪声的资用功率

Na

ini4gd

nk2等效电阻在室温下的热噪声资用功率为k0B因此二极管的噪声比为d Nad

n 当二极

TT0ntd n由于对于理想肖特基

td到其它各种可认为

1实际上对于性能较好的管

的可能td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基底等离 和外延等离 5.4.2N

N平面型结 台式型结两种PN结二极管结

变容二j在零偏压下Cj

约为0.1-1.0pFRjC Cj是外加电RjC Cj兆欧量s通常为1～5也应该是外加s函数，由于其值很小，可近似认为是常量s引线电感，通常小于1nHsC

壳电容，通常小于1pFPN结二极管等效电变容管电路符

变容二

A

A重掺杂突变P＋N结的势垒电容可表

1N2rN

1Vt可认为此电容即是结电容，对应结上的电压t

1

tq qAA 0

qN CVA

qN

2

2r0

Cj 0

r0

V

1 V

1 V1

1 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

CjV

m称为结电容非线性系数，它的大小取决于导体中掺杂浓度的分布状态，反映了电容随外1

电压变化的快慢对于突变P＋N结m

变容二2，电容变化较快 C管子一般工作于反偏状态，反偏压的对值越大，结电容值越小V

Cj00 当m称为超突变结，其电 在某一反偏压范围内随电压变化般可用于电调谐器件

变容管电压电容特当m2，由于结电容与偏压平方成反比，由结电容构成的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m1

近似可认 ，

近似不变，为阶跃恢复结变容二变容管的工作电压限制在

B

VBV当变容管同时加上直流负偏压和交流时变偏压vt

VP

vPtVPcosPt为泵jCtj

Cj

m m

cost

p

t1 P

Cjm

p 1

Vdc

p1的工作状态称之为满泵工作状态或满泵激p1为欠泵工作状态会欠泵激励状态p1为过泵工作状态或过泵激励状态变容二C Cjt

是周期

可以用傅立叶级数展开为

Cjtt

Cnn

e dc

0j0j

n

ee1Cn1

CtejnPtd

Pt

Cn

CnC时变电容随泵浦电压周期变化波

C0CjVdc

变容二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）

jj

1

它表征变容 交流能量与消耗能量之比，越高说明管子损越小。当偏压一定时，结电容值一定，工作频率越高，就越定义当频率升高使

变容二fcVdcQVdc1率为变容管在直流偏 下Vd 频 fcVdc

fcVdc

2C

1

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

比较管子的参数指标。另外一般规定在反向击穿电压的截止频率为额定截fcVB

2Cmin变容二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表征，称为动态参量~

s s

C0 fc

ax直流偏压和交流泵浦共同作用下变容管电容的最大值 结型晶5.51工作原理PNNPNNP度的一

正、反向偏压PN结型晶WWEBCPNPEBCPNPPNP型双极晶体管结结型晶宽度小于少子扩散长 Lp

结型晶 PP PP PNPNPNPNB

PNP型双极晶体管的连结型晶 双极型晶体管电路符ICVEBICVEBBIBICnPI INIEnIPEPNP型双极晶体管各极电流构

结型晶

VCEVCE

VCE

fT

fTCC

一般来说，欲使晶体管输出较大的功率，可以通过提高集电结的反向耐大信号下的特性改变和极限值。重要方面。于晶体管也存在电荷，其开关状态的转换也不可能立场效应晶体管（FieldEffectTransistor），上称作场效应范围内，在1GHz以下。GaAsMESFET可使用在60~70GHz范围结型晶