微波有源器ppt課件(已修改)
2025-05-11 01:24 本頁面
【正文】 1 接收 、 發(fā)送系統(tǒng)通常由濾波器 、 低噪聲放大器 、 功率放大器 、 振蕩器 、 倍頻器 、 混頻器以及開關電路 、 功率合成與分配電路等基本的射頻與微波電路模塊組成 。 組成這些模塊的更基本單元就是各類有源器件與無源器件 。 初次進行射頻與微波電路設計 ， 感到最難入手的就是有源器件的選擇 。 選擇有源器件要考慮的因素很多 ， 首先要滿足收發(fā)機對諸如振蕩器 、 放大器 、混頻器等基本模塊的指標要求 ， 還要考慮可用技術與實現(xiàn)成本 。 如何選擇有源器件沒有固定的程式 。 經(jīng)驗 ， 對有源器件資料的掌握 ， 對整個收 、 發(fā)系統(tǒng)指標的理解是選擇有源器件的重要依據(jù) 。 射頻與微波電路常用的有源器件可分為兩類 ， 即二極管類型和三極管類型 。 微波二極管： 作混頻與檢波用的肖特基表面勢壘二極管 （ 簡稱肖特基二極管 ） ， 作振蕩器用的甘氏二有管 （ Gunn diode） 作控制電路用的 PIN二極管 。 微波晶體管： 雙極晶體管 （ Bipolar Transistors） 場效應晶體管 （ Fieldeffect Transistors） 有源器件的選擇對射頻與微波電路設計極其重要 2 肖特基表面勢壘及其單向導電特性 當半導體材料與某些金屬接觸時 ， 大量電子從半導體側擴散進入金屬 ， 因而在半導體一側留下不可移動的正離子 ， 即帶正電的 “ 空間電荷 ” ， 形成了 “ 空間電荷層 ” ， 也即 “ 耗盡層 ” 。 這些空間電荷與進入金屬的電子之間產(chǎn)生自建電場 ， 造成勢壘 ， 阻止電子向金屬一側的進一步擴散 。 上述勢壘稱為 “ 肖特基勢壘 ” ， 這種由金屬與半導體接觸在一起形成勢壘的結構也叫 “ 金 半結 ” 。 當 “ 金 半結 ” 加正壓 ， 即金屬一側接直流電源正極 ， 半導體一側接負極時 ， 金 半結中勢壘降低 ，耗盡層變薄 ， 半導體中的電子源源不斷地擴散入金屬 ， 因而構成大的正向電流 IF。 反之 ， 當改變外加電壓極性時 ， 金 半結勢壘增高 。 耗盡層變厚 ，半導體電子不能向金屬一側擴散 ， 只有金屬一側少量電子反向進入半導體 ， 構成小的反向電流 。簡而言之 ， “ 金 半結 ” 具有單向導電特性 。 肖特基勢壘及其單向導電性 3 面接觸型肖特基勢壘二極管及其等效電路 利用半導體表面工藝制成的面接觸型肖特基勢壘二極管的結構見圖 。 等效電路 肖特基勢壘二極管的等效電路含有隨偏壓變化的勢壘電阻 Rj， 由半導體材料體電阻與接觸電阻組合的串聯(lián)電阻 Rseries， 勢壘電容 ，即結電容 Cj， 引線電感 Ls和封裝電容 Cp， 如圖 23。 圖 22 肖特基勢壘二極管 Cp 圖 23 肖特基勢壘二極管等效電路 4 肖特基勢壘二極管伏 安特性及其應用 肖特基勢壘二極管的伏 安特性 ， 可表示為 Isat為反向飽和電流 ， 數(shù)值極小 。 在常溫下 ， 在正偏電壓接近勢壘電壓時 ， 電流迅速變大 ， 非線性強烈 。 在反向偏壓時電流極小 ， 大致保持 Isat值 。 當 V=VB時 ， 反向電流迅速增長 ， VB為反向擊穿電壓 。 肖特基二極管本質上是一個整流元件 ， 非線性強 ， 主要應用于混頻器及檢波電路 。 廣泛應用的雙平衡混頻器 （ DMB） 就應用配對的兩個肖特基二極管 。 多數(shù) DMB用于微波頻譜的低端 。 ? ?1?? Vs a t eIi ?401?? 肖特基勢壘二極管的伏 安特性 5 甘氏（ Gunn）二極管 甘氏二極管是轉移電子器件 ，具有負阻特性 ， 它可振蕩于幾種模式 。 當工作于非諧振渡越時間模式（ unresonant transittime mode）在 118GHz頻率范圍內 ， 輸出功率最高可達 2W， 多數(shù)為幾百毫瓦 。 當工作于諧振限制空間電荷模式 （ resonant limited spacecharge (LSA) mode） 工作頻率可到 100GHz， 脈沖工作 、 占孔系數(shù) 10%時 ， 脈沖功率輸出到幾百瓦 。 甘氏二極管 6 甘氏二極管結構及等效電路 R—負阻； Rs—體及接觸電阻； Cj—等效電容； Ls—封裝電感； Cp—封裝電容 有源工作區(qū)（ Active region）通常為 68?m長， N+區(qū)域厚度 12?m，是歐姆型材料，電阻率很低（ ?cm），作為有源區(qū)與金屬電極過渡層，除了改進金屬電極與有源層的接觸外， N+區(qū)域也防止金屬電極中金屬離子遷移到有源工作區(qū)。 甘氏二極管 7 甘氏二極管產(chǎn)生高頻振蕩的工作原理 在 N型砷化鎵半導體中導帶波矢量圖 當二極管加上電壓，并超過某閾值時， N型砷化鎵中的載流子（電子）由二極管中直流電場吸收能量，從主能帶導帶（低有效質量高遷移率能帶）轉移到高能電平（高有效質量，低遷移率）的次能帶導帶。 8 甘氏二極管速度場 在室溫并未加外電壓條件下 ， 熱激發(fā)能量 大約僅為 KT0? ， 這個數(shù)值遠小 于主一次能帶之間的能量間隔 。 因而不足以 使電子從主能帶躍遷到次能帶導帶 ， 電子幾 乎全部處于低能態(tài)的主能帶中；當外加電壓 時 ， N半導體中形成外加電場 ， 電子從電場 中獲得能量 ， 電子漂移速度隨電場增大而加 快 。 電子速度為電子遷移率與外加電場的乘 積 ， 其關系為 ve = ?E 在主能帶 低能帶電子隨著外加電場的增加 ， 從電場獲得更多的能量 ， 速度變快 。 當能量超過 ， 主能帶里電子就會躍遷到次能帶中 。 電場繼續(xù)增加 ， 越來越多的電子從主能帶躍遷到次能帶 ， 其遷移率下降 ， 因而電子漂移速度下降 。 當躍遷到次能帶的電子數(shù)大于主能帶中電子數(shù)時 ， 電子的平均
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