微波電子線路第二章下(已修改)
2025-05-31 08:26 本頁(yè)面
【正文】 1 2. 6 雪崩二極管 雪崩二極管是碰撞雪崩渡越時(shí)間二極管（ IMPATT二極管 ), 它利用 管內(nèi)雪崩電流滯后效應(yīng)和渡越時(shí)間效應(yīng)使其對(duì)外呈現(xiàn)負(fù)阻 ， 它是構(gòu)成微波 固態(tài)振蕩器 和 功率放大器 的重要核心元件，尤其是 在毫米波波段更是占據(jù)主導(dǎo)地位。 1958年 ,貝爾實(shí)驗(yàn)室的里德 ,提出最初理論； 1965年，首次報(bào)道了實(shí)驗(yàn)結(jié)果； 2. 6 .1 結(jié)構(gòu) N+ P I P+ 里德二極管模型及反偏電場(chǎng)分布 最初的里德雪崩二極管模型采用了 N＋ PIP＋ 結(jié)構(gòu)，目前廣泛采用的其它結(jié)構(gòu)形式還有 P+NN+、 N+PP+、 P+NIN+和P+PNN+（稱為雙漂移區(qū)結(jié)構(gòu)）等類型。 2 雪崩二極管 2. 6 .2 工作原理及特性參量 僅以里德提出雪崩管負(fù)阻效應(yīng)時(shí)的基本 N＋ PIP＋ 結(jié)構(gòu)為例討論 雪崩管的特性及工作原理，其它結(jié)構(gòu)是完全類似的。 1. 雪崩管特性 N+ P I P+ 里德二極管模型及反偏電場(chǎng)分布 當(dāng)兩端加上反向偏壓時(shí)，對(duì)于重?fù)诫s的N+和 P+區(qū)，由于其電阻很低，電場(chǎng)強(qiáng)度幾乎為零；在本征半導(dǎo)體 I層內(nèi)，電場(chǎng)均勻分布，大致為一常數(shù)，其值大于重?fù)诫s區(qū)；對(duì)于 N+P結(jié)，由于處于反偏狀態(tài)，因此該處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，空間電荷區(qū)主要處在 P區(qū)。當(dāng)反偏壓不斷增大時(shí)，此電場(chǎng)分布曲線將整體上移，同時(shí)空間電荷區(qū)將展寬到占滿全部 P區(qū)。 3 雪崩二極管 當(dāng)反偏壓增加到某一數(shù)值時(shí)，將使得 N+P結(jié)處的電場(chǎng)強(qiáng)度首先達(dá)到擊穿電場(chǎng) （ ，不同材料有所不同） 發(fā)生雪崩擊穿，迅速產(chǎn)生大量的電子 空穴對(duì)，稱這時(shí)的電壓為 二極管的雪崩擊穿電壓 ，其值約在 20～ 100 左右。 在穩(wěn)定的雪崩擊穿狀態(tài)下，電子 空穴對(duì)將按照指數(shù)規(guī)律增加，產(chǎn)生的電子將很快被接于 N+層的正極所吸收，而空穴將向負(fù)極渡越。 由于里德雪崩二極管的 P區(qū)很薄，可以認(rèn)為空穴幾乎無(wú)延遲地注入 I區(qū)（稱為漂移區(qū)），以恒定的飽和漂移速度（對(duì)硅半導(dǎo)體約為）向負(fù)極渡越，形成空穴電流。 適當(dāng)?shù)乜刂茡诫s濃度，可以使得電場(chǎng)的分布在 N+P結(jié)處形成相當(dāng)尖銳的峰值，從而可以限制雪崩擊穿在一個(gè)很窄的區(qū)域內(nèi)發(fā)生。 cmVE B 510?V4 雪崩二極管 2. 工作原理 （ 1）雪崩電離效應(yīng) 當(dāng)雪崩管兩端在反向擊穿直流電壓上再疊加一個(gè)交流信號(hào)時(shí)，雪崩管兩端的總電壓可表示為： ? ? tVVtv aB ?s i n??交流電壓的正半周內(nèi)： 雪崩發(fā)生， N+P結(jié)處形成穩(wěn)定的雪崩擊穿狀態(tài)，雪崩空穴電流將按照指數(shù)規(guī)律增加；當(dāng)外加電壓越過最大值下降時(shí)，由于剛才雪崩倍增已產(chǎn)生的大量電子、空穴依然參加碰撞，因此總效果是雪崩空穴流繼續(xù)上升，直到外電壓正半周結(jié)束。 交流電壓的負(fù)半周內(nèi)： 總端壓小于擊穿電壓，雪崩將停止，但雪崩空穴流不會(huì)立即停止，只能按指數(shù)衰落。 5 雪崩二極管 形成的雪崩空穴電流是具有很窄的脈沖寬度的脈沖電流，合理的調(diào)整直流偏壓和直流偏流，可使其峰值滯后于交流信號(hào)的峰值 。 2?里德二極管電壓、電流和外電路感應(yīng)電流的關(guān)系 0 0 0 ??tvBVttt??tia ??tia1??tie1??tie 利用小信號(hào)雪崩方程可以嚴(yán)格證明的基波相位比交變電場(chǎng)的基波相位滯后 900，這一現(xiàn)象稱為雪崩電流的初始滯后，也稱為雪崩倍增的電感特性。 6 雪崩二極管 （ 2）渡越時(shí)間效應(yīng) 在電場(chǎng)的作用下，雪崩產(chǎn)生的空穴電流將注入漂移區(qū)并向負(fù)極渡越，直到空穴流到達(dá)負(fù)極為止。當(dāng)這一電流以飽和漂移速度在漂移區(qū)渡越時(shí)，外電路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，它與管內(nèi)運(yùn)動(dòng)電荷的位置無(wú)關(guān)，只取決于運(yùn)動(dòng)速度，而且只要雪崩空穴流在管內(nèi)開始流動(dòng)，外電路上就開始有感應(yīng)電流，理想情況下是一個(gè)矩形波。 I層本征漂移區(qū)的長(zhǎng)度為 飽和漂移速度為 雪崩脈沖電流經(jīng)過漂移區(qū)的渡越時(shí)間 : dl dvddd vl?? 合理設(shè)計(jì)漂移區(qū)的長(zhǎng)度以控制空穴流渡越時(shí)間 ，可使管子渡越時(shí)間與外加交變電壓的周期的關(guān)系為 ，這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即稱為漂移區(qū)的特征頻率 ： d?dT ?2?dfdddd lvf221 ???7 雪崩二極管 當(dāng)工作頻率 時(shí)，從功率的角度看，可認(rèn)為是雪崩二極管這種工作模式的最佳工作頻率。這時(shí)有 ，感應(yīng)電流 基波比雪崩電流基波 滯后的相位為 （即 ），可見若要提高雪崩管的工作頻率，需減薄漂移區(qū)，即減小 。 dff ??? ???tie ??tia 2? 4Tdl 外電路的感應(yīng)電流與管子外加交變電壓的總相位差為 ，從而二極管相對(duì)外電路呈現(xiàn)為一個(gè) 射頻負(fù)阻 。 把這樣一個(gè)雪崩二極管與一個(gè)諧振選頻回路相連接 ， 可以把管子兩端很小的初始電壓起伏逐漸發(fā)展為一個(gè)射頻振蕩 ， 相當(dāng)于有射頻功率從雪崩二極管輸出 ， 其振蕩頻率等于外加諧振選頻回路的諧振頻率 ， 這是 雪崩管可以產(chǎn)生微波振蕩和具有微波放大作用的根本原
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