【正文】 壘而被分開(kāi)。 該脈沖寬度可由中間層長(zhǎng)度 W除以注入載流子濃度的飽和漂移速度近似地得到。 其一階變?nèi)莨艿慕刂诡l率為： 可見(jiàn)：可通過(guò)負(fù)偏壓 VQ控制電容，從而實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧。 解：基于 (6． 39)式，可預(yù)計(jì)空間電荷區(qū)長(zhǎng)度的范圍為： 6． 2． 3變?nèi)荻O管 在負(fù)偏置下帶有電容性質(zhì)的 PIN二極管提示：一特定中間層摻雜分布能創(chuàng)建出可變電容對(duì)電壓的特性。 A、 正 DC偏置電壓下 ，對(duì)于射頻信號(hào)． 串聯(lián) PIN二極管表現(xiàn)為一電阻 。 PIN二極管在串聯(lián)情況下，電路模型如右： 雖然通過(guò)上式計(jì)算得到的結(jié)電阻和擴(kuò)散電容可以在實(shí)用上近似地模擬刪二極管的性能。 如：具有內(nèi) I層厚度為 20181。此時(shí)可通過(guò)附加一絕緣環(huán)減少雜散電容，如圖 6． 13所示 。設(shè)定外延層是理想介質(zhì)，即其電導(dǎo)率為零。與此相反，由金屬一半導(dǎo)體接觸形成的二極管具 有低的結(jié)電容量，因此可在更高頻率下工作。 與金屬逸出功 WM＝ qVM有關(guān)，其中 VM記為費(fèi)米能級(jí)與電子逸出成為自由粒子時(shí)參考能級(jí)之間的差； 對(duì)某些常用金屬的 VM值見(jiàn)表 6． 2。由于更低的電子濃度、 導(dǎo)帶向離開(kāi)費(fèi)米(Fermi)能級(jí)的方向彎曲。但注意：在正偏壓條件下，由于儲(chǔ)存在半導(dǎo)體層中的擴(kuò)散電量 Qd(少數(shù)載流子 )的存在而出現(xiàn) 一個(gè)附加的擴(kuò)散電容 ；如果 VAVdiff ，則它占支配地位。 解：把外電壓 VA引入到電容表達(dá)式 ()中．得到： 令： 計(jì)算得： CJ0 = 當(dāng)外加電壓接近內(nèi)建 (阻擋層 )電勢(shì)時(shí)．結(jié)電容趨于無(wú)限大。通過(guò)熟知的平扳電容器公式可找出結(jié)電容：C=εA/ds 把距離代人上式．得到電容的表達(dá)式如下 如果外電壓 VA加到結(jié)點(diǎn)上：出現(xiàn)如圖 6． 6所示的正反兩種情況，說(shuō)明了二極管的整流器作用。 原來(lái)是中性的 P型半導(dǎo)體，出現(xiàn)空穴擴(kuò)散電流后，留下負(fù)空間電荷， N型半導(dǎo)體，出現(xiàn)電子擴(kuò)散電流后，留下正空間電荷，擴(kuò)散電流發(fā)生時(shí)，正電荷和負(fù)電荷之間產(chǎn)生電場(chǎng) E，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，它與擴(kuò)散電流方向相反，使 I F+Idiff=0，則得： 如果再考慮空穴電流從 P型半導(dǎo)體到 N型半導(dǎo)體的流動(dòng)以及與之相抵消的場(chǎng)感應(yīng)電流中的相應(yīng)部分 IPF，可以得到擴(kuò)散阻擋層電壓： 以電勢(shì)的導(dǎo)數(shù)代替電場(chǎng)，積分得擴(kuò)散阻擋層電壓（稱內(nèi)建電勢(shì)）： 其中 nn和 np仍分別是 N型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體中的電子濃度。當(dāng)溫度從絕對(duì)零度向上升時(shí)，一些電子得到額外能量去占據(jù)空鍵，但其能量不足以越過(guò)禁帶。如：將磷 (P)原子移植到 si內(nèi)，就在中性晶格內(nèi)提供了弱束縛電子，如右圖（ b) 由直覺(jué)看出：“額外”電子的能級(jí)比其余 4個(gè)價(jià)電子的能級(jí)更接近導(dǎo)帶。 n和 181。其濃度遵從費(fèi)米 (Fermi)統(tǒng)計(jì)而有： 其中 分別是在導(dǎo)帶 (Nc)和價(jià)帶 (Nv)中的有效載流子濃度。這些自由電子形成帶負(fù)電的載流子，允許電流傳導(dǎo)。 其中有一價(jià)鍵熱分離 (To K)，造成一個(gè)空穴和一個(gè)運(yùn)動(dòng)電子。 帶入得本征載流子濃度為： 當(dāng)存在熱能 (T〉 o K)時(shí)，電子和空穴穿過(guò)半導(dǎo)體晶格作無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)。在低電場(chǎng)下載流子的漂移速度正比于外加電場(chǎng)強(qiáng)度，其比例常數(shù)稱為遷移率 181。 二、摻雜半導(dǎo)體： 通過(guò)引入雜質(zhì)原子可以引發(fā)半導(dǎo)體的電特性作較大的改變。這種類型的元素稱為受主． 例如對(duì)于 si晶格，硼 (B)就屬于這種元素。由于這兩類半導(dǎo)體之間在載流子濃度上的差別，引起穿過(guò)界面的電流。 對(duì)上式積分可求出半導(dǎo)體在空間范圍 —dp≤x ≤dn內(nèi)的電場(chǎng)： 其中： ρ(x)是電荷密度， εr是半導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)。意欲找出空間電荷區(qū) dp和 dn以及在零偏置電壓下的結(jié)電容。但上式顯示出了在外加交流電壓下 PN結(jié)的整流性質(zhì)。 這種效應(yīng)的結(jié)果是改變界面附近的價(jià)帶和導(dǎo)帶能級(jí)。電子從 N型半導(dǎo)體擴(kuò)散出去．留下正空間電荷。求肖特基阻擋層勢(shì) Vd，空間電荷長(zhǎng)度 ds和結(jié)電容 cj，已知 si的相對(duì)介電常數(shù) εr＝ 11． 9。如：肖特基二極管中典型的反向飽和電流密度具有量級(jí)為 106A/cm2，而常規(guī)的硅基 PN結(jié)二極管的典型值為 1011A／ cm2。 注意：在低于 ， IRs可忽略； 但對(duì)于某種應(yīng)用，串聯(lián)電阻會(huì)形成反饋回路 ，這意味著 電阻被乘以一個(gè)按指數(shù)增長(zhǎng)的增值因子 。 特性： １、 電壓是正向時(shí) ，這二極管表現(xiàn)為像是一個(gè)受所加電流控制的 可變電阻器 。 正向情況并對(duì)輕摻雜 N型本征層，流過(guò)二極管的電流為： 其中 w是本征層寬度； η P是過(guò)剩的少數(shù)載流子壽命，它可高到 1181。 如右圖：用一射頻線圈 (RFC) 在 DC下短路而在高頻下開(kāi)路。負(fù)偏置工作條件造成結(jié)電容值取 CJ＝ ， ， ，和 ，同時(shí)，感興趣的頻率范圍從 10 MHZ擴(kuò)展到 50GHz 解：基于 (6． 51)式和圖 ，借助于電壓分壓器定則，求出轉(zhuǎn)換器損失為 和 相反，圖 ．這時(shí) PIN二極管基本上反應(yīng)為一純電容。因此，利用近似成一雙曲函數(shù) (見(jiàn)圖 )，就可能保證所要求的電容一電壓性能。此時(shí)電流突降至零。 相關(guān)的電路參數(shù)： 諧振頻率： 隧道二極管 隧道二極管是 PN結(jié)二極管， 它是由極高摻雜 產(chǎn)生極窄的空間電荷區(qū)。 圖 6． 24和圖 6． 25(c)所顯示的是平衡條件下無(wú)電流； 圖 6， 25(b)為 外加負(fù)偏壓 VA，在 P層中產(chǎn)生高的電子態(tài)濃度，這造成比相反情況有更高的概率隧穿到 N層。 如圖 7所示為含有隧道二極管的一個(gè)簡(jiǎn)單的放大器電路。由于電子 —空穴等離子體的建立過(guò)程要比在 IMPATT二極管中穿過(guò)中間層的渡越時(shí)間較慢些，故 該管的的工作頻率稍低于 IMPATT二極管。例如在 GaAs中當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)從 5kv贈(zèng)強(qiáng)到 7kv／ cm時(shí)．漂移速度從2x107cm/s降落到小于 107cm/s。 ? 由于圖 6． 28(b)的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，基極 —發(fā)射極電阻保持在極小值，而不損害其增益特性。圖 6． 29給出這樣一種結(jié)構(gòu)的剖視圖。 在正常的工作模式 (即正向激活模式 )下，發(fā)射極 —基極二極管工作在正向 (VBE=)，而基極 —集電極二極管是反向的。 6． 3 BJT雙極結(jié)晶體管 共發(fā)射極配置為例 圖 6． 31(a)描繪出一類偏置安置，這里通過(guò)適當(dāng)選擇偏置電阻 RB和電壓源 VBB使基極電流固定，從而使工作在合適的 Q點(diǎn)上。這里濃度畫成穿過(guò)二層半導(dǎo)體的距離函數(shù)。為保持充電時(shí)間盡可能低，把發(fā)射極做成極窄 (1μm)帶的格柵圖樣的結(jié)構(gòu)。 例 1：如圖 6． 35中正向電流增益 β F在 一給定的 VCE， 不同的結(jié)溫度時(shí)與集電極電流 Ic的函數(shù)關(guān)系。結(jié)溫度超過(guò) Ts，功率將降低， Rthjs為結(jié)與焊點(diǎn) (或管殼 )之間的熱阻， Tjmax為最高的結(jié)溫度， 6． 3 BJT雙極結(jié)晶體管 為簡(jiǎn)化分析，應(yīng)用熱等效回路，并按以下的對(duì)應(yīng)性： ●熱功率耗散；電流 ●溫度；電壓 如圖 6． 37，供給器件的總電功率通過(guò)含有熱阻的熱回路實(shí)現(xiàn)平衡。 結(jié)果得到最高功率的雙曲線 。當(dāng)溫度升高到使本征濃度等于集電極的摻雜濃度時(shí)，通常在基極一集電極結(jié)上發(fā)生這種擊穿機(jī)理。有以下四種類型： FET[MISFET]：這里柵極通過(guò)一絕緣層與溝道分開(kāi)。在這三種情況下，電流從源指向漏極，用柵極控制電流。 6． 4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管 6． 4． 2 功能 以 MESFET為例分析，圖 6． 40所示，此處晶體管工作在降低 (耗盡 )模式。 則漏電飽和電流改變?yōu)椋? 作為 VDS 函數(shù)的溝道長(zhǎng)度上的變化通過(guò)所謂的溝道長(zhǎng)度調(diào)制參量 λ ＝ ?L /（ L‘VDS ）自行加以考慮。 6． 4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管 如圖 6． 44為 MESFET典型的最大輸出特性。 這種高頻率特性是由于電子載流于從滲雜GaAlAs和未摻雜 GaAs層 (量子阱 )之間界面上的施主位置分離出來(lái)，在那里它們被局限于非常窄 (約 10 nm厚 )的層內(nèi)，只可能平行于界面作運(yùn)動(dòng)。但制造更為困難。 應(yīng)用泊松方程得（一維方程）如下： 其中 ND和 εH分別 是在 GaAlAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的施主濃度和介電常數(shù)。s ）時(shí) 渡越頻率近似為 190GHz。 Vb是勢(shì)壘電壓， ?Wc是在 N摻雜的 GaAlAs和 GaAs之間的導(dǎo)電能級(jí)的能量差； VG是由柵極一源電壓和溝道電壓降組成，即 VG＝ V GS+V(y)。 二維電子氣體（ 2DEG）是在零柵極偏置條件下在未摻雜的 GaAs層中形成的，因?yàn)橘M(fèi)米能級(jí)在導(dǎo)帶上，致使電子積累在窄的勢(shì)壘阱中。s)。然而，功率消耗則處于最低值。 6． 4射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管 溝道長(zhǎng)度調(diào)制類似于在 BJT中遇見(jiàn)的Early(厄雷 )效應(yīng)，當(dāng)增高集電極一發(fā)射極電壓時(shí)，在飽和模式下的集電極電流略有增加，這將在第 7章中討論。按照在 6． 1． 3節(jié)中的討論，空間電荷長(zhǎng)度 ds可通過(guò)柵極電壓來(lái)控制，得： 源極到漏極之間的電阻： 漏極電流： 表明：漏極電流與漏極 源電壓線性相關(guān)，當(dāng)漏極 源電壓增加時(shí)，在漏極接觸處附近的空間電荷區(qū)同樣增長(zhǎng)，造成沿溝道耗盡區(qū)的不均勻分布；參見(jiàn)圖 6． 40(b)。 MESFET可使用于 6070GHz范圍內(nèi)，而 HEMT可工作于超過(guò) 100GHz。金屬氧化物半導(dǎo)體 (M0SFET)屬于此類。 注意：在短時(shí)間內(nèi) BJT能超出 SOAR，甚至超過(guò)最大功率雙曲線之外，因?yàn)榕c電路時(shí)間常數(shù)相比，溫度響應(yīng)有大得多的時(shí)間常數(shù) (微秒量級(jí) )。 安全工作區(qū) (SOAR，圖中的陰影區(qū) )被定義為一組偏置點(diǎn) ，在這里晶體管能正常工