第五章固态微波元器件

微波工程导论

Email:

Key:wbgcdl

1内容提要1半导体基础2微波二极管一

肖特基二极管

二

变容二极管

三其它二极管3结型晶体管

一结型晶体管工作原理

二

等效电路与结构

三

晶体管的伏安特性曲线

四

晶体管的工作特性场效应晶体管

一

金属半导体场效应晶体管

二异质场效应晶体管

本章主要介绍广泛应用于微波电子线路的各种固态微波元器件，主要包括属于微波二极管的PN结管、肖特基结管、变容管等，属于微波三极管的双极晶体管和场效应管等。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。231半导体基础半导体的概念及分类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：1)负温度系数：其电阻值随温度上升而下降，这与金属正好相反2)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；3)电阻率对杂质敏感；4)温差电效应显著；5)光敏特性；MN结、PN结、异质结具有非对称导电特性，整流特性，非线性I/V关系，半导体器件基础。半导体材料的种类4分类材料主要用途IV族元素半导体锗Ge二极管、三极管、集成电路、太阳能电池、……硅Si二元化合物半导体III-V族化合物：砷化镓GaAs磷化铟InP锑化铟InSb磷化镓GaP微波元件、光电器件、集成电路、红外接收器件、霍尔器件、发光二极管、……II-VI族化合物：硫化镉CdS硫化锌ZnS光敏电阻、太阳能电池、荧光材料、……IV-IV族化合物：碳化硅SiC高温器件IV-VI族化合物：硫化铅PbS光敏电阻、……其它温差电材料、……三元化合物半导体镓砷磷碲镉汞发光器件、红外探测、……四元化合物半导体镓铟砷磷激光器、……2微波二极管5(1)结构主要种类：主要有点接触式、面接触式两种类型。结构结构结构结构半导体外延层点接触半导体外延层面结合氧化层金属钼金金丝两种肖特基势垒二极管结构金属触丝欧姆接触金属○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。一特基二极管6(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。肖特基势垒二极管等效电路

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。肖特基二极管电路符号(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。肖特基势垒二极管电压电流特性07

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：肖特基势垒二极管时变电流波形008(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：9

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。肖特基势垒二极管噪声等效电路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：10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。11（5）微波效应在肖特基二极管的现象1）趋肤效应二极管的电流聚集在导电介质边缘，微波频率时的串联电阻比直流时的串联电阻大的多，必须求高频率时的串联电阻。虽然直流电流分布于整个衬底上，但高频电流仅存在于管芯表面的极薄的层里，管芯内大部分区域无电流。高频电流薄层的路径增加和横截面的减少，增加了二极管的串联电阻。平面二极管芯片剖面原理图122）分布参数效应标示阳极附近的二极管芯片原理图边缘电容位置平面二极管芯片靠近阳极和表面沟道区域的等效电路13143）基底等离子共振和若工作频率满足条件：

和

，则下式成立

式中

是介电弛豫频率，

是介电弛豫时间，

散射频率，

是电子弛豫时间，m为载流子有效质量。

右边第一项是扩散电阻，第二项是趋肤效应产生的电阻。在某一频率惯性电感

和位移电容

发生共振，该频率称为等离子共振频率或等离子频率用

表示

载流子惯性和介电弛豫对对串联阻抗的影响主要体现在校正因子截止频率；

4）外延层等离子共振15介电弛豫和载流子惯性对外延层的影响也非常重要，在忽略外延层趋肤效应的情况下，外延层近似中性区域的等效电路和基底的等效电路相似，其LRC电路的个元素为外延层阻抗式中

和

分别是外延层的介电弛豫频率和散射频率

在块状介质中，当电场方向发生变化时，电子速度适应期变化，载流子惯性会延迟，也就是电子被加速到新的运动方向前，电场必须使电子先慢下来，当电场频率远小于散射频率时，载流子通过随机散失，当电场频率接近平均散射频率时，由于随机散射速度较小，载流子惯性不能消失，则引起的电感不能忽略。载薄的外延层中，电子速率受基底和阳极之间电子交换速率影响。当电子随机散射由基底流向外延层时，它被电场加速流向阳极，在此过程中，部分电子会穿透肖特基势垒流向阳极，而部分电子会返回基底，但在强偏压的情况下大部分电子会穿透肖特基势垒流向阳极，通常情况下，以释放电子会被基底热化电子所代替，此过程等效为准散射过程(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。

两种PN结二极管结构N+衬底N层氧化层金属欧姆接触金属P层N+衬底N层氧化层金属欧姆接触金属P层平面型结构台式型结构二变容二极管16

是外加电压的函数，在反偏压下可达兆欧量级。2等效电路PN结二极管等效电路

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。变容管电路符号17(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。18对于突变P＋N结，，电容变化较快；对于线性缓变结，变容管电压电容特性0

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。19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，称为欠泵工作状态会欠泵激励状态，称为过泵工作状态或过泵激励状态。20时变电容随泵浦电压周期变化波形00是周期为泵频的周期函数,可以用傅立叶级数展开为：214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。22

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：23

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。

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。24

三其它二极管25

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。3结型晶体管26

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PNPN正、反向偏压PN结

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空穴浓度大大提高，可见少子注入是增加N区空穴浓度的一种手段。一

工作原理27PPNPNP型双极晶体管结构WECB

将两个PN结的N区结合成一块，而且使合成后的N区较薄，薄到它的宽度可以比注入空穴的扩散长度小很多，则由左方正偏PN结注入到N区的空穴，可以被右方反偏PN结所“收集”。这样就构成了一个结型晶体管，称为PNP型晶体管

左方的PN结（正偏）叫发射结，右方的PN结（反偏）叫收集结或集电结，左方的P区叫发射区，右方的P区叫做收集区或集电区，中间的N区叫基区，三个电极分别称为发射极（E）、集电极（C）和基极（B）。28晶体管的基本工作原理：

在工作状态下，发射结的作用在于向基区提供少子，收集结的作用在于收集从基区扩散过来的少子，结果是：发射结的电流能够控制集电结的电流。具体地说，在某一瞬间发射结注入的空穴多，则集电结的电流就大；反之，发射结注入的空穴少，集电结的电流就小。如果把一个信号加于发射结，使发射结电流随信号改变，则能在集电极的电流变化中把这个信号重现出来。

为保证这一控制过程顺利进行，其结构上的先决条件使基区宽度小于少子扩散长度。

如果三极管是由两层N区和一层P区构成的NPN结构，其工作原理与PNP管是完全类似的，区别仅在于发射结向基区注入的少子是电子。需要说明的是实际上常用的微波双极晶体管是硅NPN型。29（2）.连接方式

共基极连接、共发射极连接和共集电极连接。三种连接方式都可以使发射结处于正偏、有注入少子作用，使集电结处于反偏、有收集作用。PNP型双极晶体管的连接方式共基极连接PPNECBBECPNPBECPNP共发射极连接共集电极连接30PPNPNP型双极晶体管各极电流构成0WEBC31二等效电路与结构基区体电阻；基区欧姆接触电阻；集电区体电阻；集电极欧姆接触电阻；发射结的结电阻；发射区的体电阻；可忽略发射极欧姆接触电阻；发射结的势垒电容；发射结的扩散电容；集电结的结电阻；一般由于反偏较大可忽略电流放大系数；若考虑封装因素在内，等效电路中还必须加上封装电容和封装引线电感；32NPN型PNP型双极型晶体管电路符号ECBECB33三晶体管的伏安特性曲线输入端与公共端之间的电流-电压关系称为输入特性；输出端与公共端之间的电流-电压关系称为输出特性。这些特性用曲线形式表示出来就是特性曲线。对应于三种连接方式，总共有三种输入特性曲线和三种输出特性曲线。晶体管的工作基础在于两个结之间的相互作用，因而会导致输入对输出、输出对输入存在相互之间的影响，所以还有一种转移特性曲线。34输入特性发射极连接输入特性曲线为参数电路的输出端短路，由于发射结处于正偏，相当于发射结和集电结处于正偏下并联，其曲线与PN结的正向伏安特性相似。集电结处于反偏，集电结空间电荷区展宽，基区有效宽度将减小，基区内复合损失也将减小，就减小，因而曲线向右移。发射极与基极短路，流过基极的将是集电结反向饱和电流共发射极连接情况35输出特性在放大区，共发射极输出特性曲线比共基极情形时上翘更为显著。

36四晶体管的工作特性1）频率特性

372）功率特性

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压和增大集电极电流来实现，但这两方面都有限制。下面介绍晶体管在大信号下的特性改变和极限值。

383）温度特性

研究结果表明，温度对于晶体管的特性影响是相当大的，过高的温度还会导致“热击穿”，温度和散热处理是晶体管工作的一个重要方面。394）噪声特性

405）开关特性PN结在正向偏置时，具有低阻抗，可流过很大的电流，在反偏时，具有高阻抗，仅有很小的反向漏电流流过，这种特性称为“开关”特性。与PN结管类似，双极型晶体管也具有‘开关“特性”。

只要在晶体管的输入端加上正、负脉冲，就能使晶体管在截止与饱和状态之间转换，起到开关作用。同样，由于晶体管也存在电荷储存，其开关状态的转换也不可能立刻完成，有一定的“开启时间”和“关闭时间”。

一般来说，晶体管的开关速度跟不上微波频率的变化。与PIN管类似，利用这一点可以在晶体管输入端加上低频的控制电压，以决定晶体管的通与断。414场效应晶体管

场效应晶体管（FieldEffectTransistor），习惯上称作场效应管，英文简称为FET。场效应管也称为“单极型晶体管”，构成其工作的只有一种载流子，或是空穴，或是电子，形成的是多子电流。从原理上说，它是一种利用电场的作用，来改变多子电流流通通道的几何尺寸，从而改变通道导电能力的一种器件。场效应晶体管可以分为四类：结型场效应晶体管（JunctionFieldEffectTransistor-JFET）；金属绝缘栅型场效应晶体管（MetalInsulatorSemiconductorFieldEffectTransistor-MISFET），它是一种应用最为广泛的类型，金属氧化物半导体场效应管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor-MOSFET）即属于这一类，通称为MOS管；金属半导体场效应晶体管（MEtalSemiconductorFieldEffectTransistor-MESFET）；异质场效应晶体管（HeteroFieldEffectTransistor-HeteroFET），高电子迁移率晶体管（HighElectronMobilityTransistor-HEMT）即属于这一类。

由于存在由栅极和绝缘体或负偏置PN结形成的大电容，MOSFET和JFET具有较低截止频率，通常工作于低和中等频率范围内，在1GHz以下。GaAsMESFET可使用在60~70GHz范围内。而HEMT可工作超过100GHz。因为我们倾向于射频应用，所以将着重介绍后两种类型。42一

金属半导体场效应晶体管（1）基本结构与工作原理典型GaAsMESFET的结构示意图如图所示。

如果在栅极和源极之间加上负电压V_GS（栅压），使金半结处于反偏，这时空间电荷层将展宽，使沟道变窄，从而加大沟道电阻、减小I_D。因此控制栅压V_GS可以灵敏地改变耗尽层宽窄，从而调制沟道厚度，达到最终控制漏流I_D的目的。43当

较小时，沟道可视为一个简单电阻，结果

与

的关系是线性的。（b）当

逐渐增大，电流

也会加大，沟道中的欧姆压降也将随之加大，

对沟道宽度的控制作用开始显现出来，栅极与N沟道之间的反向偏置沿着从源到漏的方向越来越大，于是靠近漏极端的空间电荷区较靠近源极端的空间电荷区为宽，如图(c)所示

继续增加使

，可导致在靠近漏极端处，沟道厚度减为零，沟道出现“夹断”状态。(d)(2).源、漏间电压电流关系－一般情况

1)①若

时，整个器件处于平衡状态，N区中只有平衡状态下的空间电荷区。(a)

②若

时，则应有电流

经过N沟道，自漏极流向源极，栅结处于由

造成的反偏压下。

4445

在

基础上，继续增大，使

，沟道被夹断的范围将扩大。（e）如果进一步使

加大，将会发生栅结的雪崩击穿，电流突然增大。

2)

即在源漏间已经存在一个固定的直流负偏压，这时的源、漏间电压电流关系与

完全相似，只是由于存在负偏压，栅结的空间电荷区将展宽，使沟道较

时为窄，电阻更大。这时出现电流饱和时的漏电压相应降低，饱和电流值也减小。MESFET电压电流特性（不存在电子速度饱和效应时）MESFET转移特性图右表示了栅长度为3、漏极电流已饱和的GaAsMESFET情况。此时短沟道内电场很高，而且由于沟道厚度不均匀而造成电场分布不均匀(3).源、漏间电压电流关系－短栅GaAsMESFET情况

短栅低噪声GaAsMESFET电压电流特性46（4）.等效电路

MESFET在电路中的符号见右下图。47（五）晶体管的工作特性1）频率特性

单向最大资用功率增益482）功率特性

PCM=VDS·ID右图表示了MESFET的功率极限情况。493）噪声特性

②噪声系数与工作频率的关系。可以求得描述MESFET最小噪声系数特性的常用近似表达式为本征MESFET噪声等效电路503）噪声特性

MESFET的

～

关系（

为零偏压时饱和漏电流）51二

异质场效应晶体管（1）．基本结构

异质场效应晶体管的典型代表是高电子迁移率晶体管（HEMT）。高电子迁移率晶体管也称为调制掺杂场效应晶体管，它利用不相似半导体材料诸如GaAlAs/GaAs异质结带隙能上的差别，可以大大突破MESFET的最高频率限制，而同时保持其低噪声性能和高功率额定值。图5.6-14给出了HEMT的基本结构。图中最上部的N+型GaAs层是为了提供一个良好的源极和漏极接触电阻，形成源极和漏极引线的欧姆接触；在栅极下形成金属引线与半导体的金半接触；最下部为半绝缘的GaAs衬底。在N型GaAlAs和非掺杂的GaAs之间加了一层非掺杂的GaAlAs薄层。52（2）.工作原理HEMT的特性来源于其GaAlAs/GaAs异质结的特殊能带结构，当GaAlAs和GaAs紧密接触形成异质结后，其能带结构如图。由于电子载流子从掺杂GaAlAs和未掺杂GaAs层之间界面上的施主位置分离出来，进入到GaAs层一侧的量子势阱中，在那里它们被局限于非常窄（约10nm厚）的层内，在垂直于界面方向受到阻挡，只可能平行于界面作运动，由于这部分电子在空间上已脱离了原来施主杂质离子的束缚，在运动过程中所受杂质散射的作用大大减弱，因此载流子迁移率大为提高。HEMT的GaAlAs-GaAs界面的能带图53（3）.电压电流关系

544.特性HEMT最突出的特性即是其高工作频率和低噪声。与MESFET类似，HEMT的高频特性也取决于渡越时间和电子迁移率。可以看到，由于载流子的高迁移率，显然HEMT的特征频率和最高振荡频率远高于MESFET。目前工艺水平下，HEMT的工作频率已经可超过100GHz。而目前正在开展的研究，如GaInAs/Al