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(guān)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(jìn)行射頻與微波電路設(shè)計(jì) ， 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(jī)對(duì)諸如振蕩器 、 放大器 、混頻器等基本模塊的指標(biāo)要求 ， 還要考慮可用技術(shù)與實(shí)現(xiàn)成本 。 如何選擇有源器件沒有固定的程式 。 經(jīng)驗(yàn) ， 對(duì)有源器件資料的掌握 ， 對(duì)整個(gè)收 、 發(fā)系統(tǒng)指標(biāo)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(shì)壘二極管 （ 簡(jiǎn)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(chǎng)效應(yīng)晶體管 （ Fieldeffect Transistors） 有源器件的選擇對(duì)射頻與微波電路設(shè)計(jì)極其重要 2 肖特基表面勢(shì)壘及其單向?qū)щ娞匦? 當(dāng)半導(dǎo)體材料與某些金屬接觸時(shí) ， 大量電子從半導(dǎo)體側(cè)擴(kuò)散進(jìn)入金屬 ， 因而在半導(dǎo)體一側(cè)留下不可移動(dòng)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(jìn)入金屬的電子之間產(chǎn)生自建電場(chǎng) ， 造成勢(shì)壘 ， 阻止電子向金屬一側(cè)的進(jìn)一步擴(kuò)散 。 上述勢(shì)壘稱為 “ 肖特基勢(shì)壘 ” ， 這種由金屬與半導(dǎo)體接觸在一起形成勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)也叫 “ 金 半結(jié) ” 。 當(dāng) “ 金 半結(jié) ” 加正壓 ， 即金屬一側(cè)接直流電源正極 ， 半導(dǎo)體一側(cè)接負(fù)極時(shí) ， 金 半結(jié)中勢(shì)壘降低 ，耗盡層變薄 ， 半導(dǎo)體中的電子源源不斷地?cái)U(kuò)散入金屬 ， 因而構(gòu)成大的正向電流 IF。 反之 ， 當(dāng)改變外加電壓極性時(shí) ， 金 半結(jié)勢(shì)壘增高 。 耗盡層變厚 ，半導(dǎo)體電子不能向金屬一側(cè)擴(kuò)散 ， 只有金屬一側(cè)少量電子反向進(jìn)入半導(dǎo)體 ， 構(gòu)成小的反向電流 。簡(jiǎn)而言之 ， “ 金 半結(jié) ” 具有單向?qū)щ娞匦?。 肖特基勢(shì)壘及其單向?qū)щ娦? 3 面接觸型肖特基勢(shì)壘二極管及其等效電路 利用半導(dǎo)體表面工藝制成的面接觸型肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu)見圖 。 等效電路 肖特基勢(shì)壘二極管的等效電路含有隨偏壓變化的勢(shì)壘電阻 Rj， 由半導(dǎo)體材料體電阻與接觸電阻組合的串聯(lián)電阻 Rseries， 勢(shì)壘電容 ，即結(jié)電容 Cj， 引線電感 Ls和封裝電容 Cp， 如圖 23。 圖 22 肖特基勢(shì)壘二極管 Cp 圖 23 肖特基勢(shì)壘二極管等效電路 4 肖特基勢(shì)壘二極管伏 安特性及其應(yīng)用 肖特基勢(shì)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(shì)壘電壓時(shí) ， 電流迅速變大 ， 非線性強(qiáng)烈 。 在反向偏壓時(shí)電流極小 ， 大致保持 Isat值 。 當(dāng) V=VB時(shí) ， 反向電流迅速增長(zhǎng) ， VB為反向擊穿電壓 。 肖特基二極管本質(zhì)上是一個(gè)整流元件 ， 非線性強(qiáng) ， 主要應(yīng)用于混頻器及檢波電路 。 廣泛應(yīng)用的雙平衡混頻器 （ DMB） 就應(yīng)用配對(duì)的兩個(gè)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(shì)壘二極管的伏 安特性 5 甘氏（ Gunn）二極管 甘氏二極管是轉(zhuǎn)移電子器件 ，具有負(fù)阻特性 ， 它可振蕩于幾種模式 。 當(dāng)工作于非諧振渡越時(shí)間模式（ unresonant transittime mode）在 118GHz頻率范圍內(nèi) ， 輸出功率最高可達(dá) 2W， 多數(shù)為幾百毫瓦 。 當(dāng)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(shí) ， 脈沖功率輸出到幾百瓦 。 甘氏二極管 6 甘氏二極管結(jié)構(gòu)及等效電路 R—負(fù)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(zhǎng)， 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(jìn)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(dǎo)體中導(dǎo)帶波矢量圖 當(dāng)二極管加上電壓，并超過某閾值時(shí)， N型砷化鎵中的載流子（電子）由二極管中直流電場(chǎng)吸收能量，從主能帶導(dǎo)帶（低有效質(zhì)量高遷移率能帶）轉(zhuǎn)移到高能電平（高有效質(zhì)量，低遷移率）的次能帶導(dǎo)帶。 8 甘氏二極管速度場(chǎng) 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(gè)數(shù)值遠(yuǎn)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(dǎo)帶 ， 電子幾 乎全部處于低能態(tài)的主能帶中；當(dāng)外加電壓 時(shí) ， N半導(dǎo)體中形成外加電場(chǎng) ， 電子從電場(chǎng) 中獲得能量 ， 電子漂移速度隨電場(chǎng)增大而加 快 。 電子速度為電子遷移率與外加電場(chǎng)的乘 積 ， 其關(guān)系為 ve = ?E 在主能帶 低能帶電子隨著外加電場(chǎng)的增加 ， 從電場(chǎng)獲得更多的能量 ， 速度變快 。 當(dāng)能量超過 ， 主能帶里電子就會(huì)躍遷到次能帶中 。 電場(chǎng)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(dāng)躍遷到次能帶的電子數(shù)大于主能帶中電子數(shù)時(shí) ， 電子的平均
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