【文章內(nèi)容簡介】 是一個(gè)具有高插入損耗的高衰減器。 B、 在負(fù)偏置條件下， 串聯(lián) PIN二極管像是一個(gè)具有高阻抗或高插入損耗的電容器 ，而有高并聯(lián)阻抗的 并聯(lián)二極管對(duì) RF信號(hào)沒有明顯的影響 。 常用的專業(yè)術(shù)語：轉(zhuǎn)換器損失 TL：可用 S參量的 S21 計(jì)算 圖 6． 17畫出了在給定的結(jié)電阻范圍內(nèi)正偏置條件下的轉(zhuǎn)換器損失 (dB)： 例題 6． 5 計(jì)算在串聯(lián)設(shè)置下 PIN二極管的轉(zhuǎn)換器損失 (在正偏置和負(fù)偏置條件下）求求 找串聯(lián)下正偏置和負(fù)偏置 PIN二極管的轉(zhuǎn)換器損失 (ZG=ZL=Z0=50Ω )。 設(shè)結(jié)電阻值 RJ在正偏置下為 1 Ω到 20 Ω范圍內(nèi)。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。 例題 6． 6 確定具有特定電容一電壓性能所需的摻雜分布 求合適的摻雜濃度分布 ND(x)以保證變?nèi)荻O管的電容隨外加負(fù)偏壓 VA的變化 如 其小常數(shù) c’。＝ 5x1012FV．二極管截面積給定為 A=104cm2。 解：基于 (6． 39)式，可預(yù)計(jì)空間電荷區(qū)長度的范圍為： 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。因此合適選擇特定摻雜分布 ND(x)和合適選擇本征層厚度 W，便可形成具有特定電容一電壓性能的變?nèi)荻O管。 它確定結(jié)電容 C=εIA/x。如前面推導(dǎo)中假定 I層中摻雜濃度遠(yuǎn)低于相鄰層的摻雜濃度。如果空間電荷區(qū)長度增大 ?x，電量改變?yōu)椋? ?x可由相應(yīng)的電容上的減小量來表示： 則： 得： 當(dāng) x逼近 I層的原始狀態(tài) (即空間電荷長度 x→0 時(shí) )． ND(x) → ∞但實(shí)際上 不可能使摻雜分布加強(qiáng)到無限大。因此，利用近似成一雙曲函數(shù) (見圖 )，就可能保證所要求的電容一電壓性能。 如圖 6． 19為變?nèi)荻O管的簡化電路模型， 包括一基底電阻和以 (VdiffVA) 1/2形式隨電壓改變的電容。這是摻雜分布常量的情況 . 電容有以下的一般表示： 其中 VQ是負(fù)偏壓 應(yīng)用： A、 用作微波電路的頻率調(diào)諧。 其一階變?nèi)莨艿慕刂诡l率為： 可見：可通過負(fù)偏壓 VQ控制電容，從而實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧。 B、 變?nèi)荻O管能用于產(chǎn)生短脈沖 ，如圖 6． 20。 一電壓 VA加在由電阻和二極管串聯(lián)的電路兩端，產(chǎn)生電流 IV。在 正半周上交流電壓與電流同相 。在 負(fù)半周上 ，中間層內(nèi)儲(chǔ)存的載流子使電流連續(xù)流動(dòng)．直到所有載流子都被移走為止。此時(shí)電流突降至零。按照法拉第定律 Vout＝ L(dIv／ dt)， 一變壓器能在電流瞬變時(shí)耦合輸出 一電壓脈沖。 該脈沖寬度可由中間層長度 W除以注入載流子濃度的飽和漂移速度近似地得到。設(shè) W＝ 10μm和 ν dmax≈10 6cm/s，就得到等效于脈沖寬度的渡越時(shí)間： IMPATT 二極管（碰撞雪崩渡越二極管） 結(jié)構(gòu)： 類似于 PIN二極管。如圖： 與 PIN二極管的區(qū)別在于高的電場(chǎng)強(qiáng)度，在 N+和 P層之間的界面上該場(chǎng)強(qiáng)通過碰撞電離造成載流子的雪崩。 用途： 選擇合適的本征長度和適當(dāng)?shù)膿诫s濃度，能產(chǎn)生 900的附加時(shí)延。 電路圖：如右： 特性：在低于二極管的諧振頻率 f0時(shí)，其電抗為電感性質(zhì)，總電阻是正的；超過二極管的諧振頻率時(shí)轉(zhuǎn)為容性電抗，總電阻變?yōu)樨?fù)的。 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)。造成電子和空穴超 過在導(dǎo)帶和價(jià)帶中有效態(tài)濃度。費(fèi)米能級(jí)移 到 N+層的導(dǎo)帶 W和 P+半導(dǎo)體的價(jià)帶 Wvp上。 如圖 6． 24在兩種半導(dǎo)體層中容許的電子態(tài) 只通過一個(gè)極窄的勢(shì)壘而被分開。 根據(jù)量子力學(xué)，存在一定的概率，在無外供電壓作用，電子能夠穿過窄隙（克服勢(shì)壘）而逸出進(jìn)行交換，這就是隧道效應(yīng)。在熱平衡條件下，從 N到 P層的隧道效應(yīng)與從 P到 N層的相反的隧道效應(yīng)是平衡的。結(jié)果沒有純電流出現(xiàn)。 特性： 如圖 6． 25(b)至圖 6． 25(e) ， 以四種不同情況下相應(yīng)的能帶變形，解釋了 隧道二極管的特定的電流 — 電壓響應(yīng) 。 圖 6． 24和圖 6． 25(c)所顯示的是平衡條件下無電流； 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。 即使是小的負(fù)偏壓下也能觀察到電流的陡峭增長；圖 6． 25(d)為外加小的正電壓，自由電子的儲(chǔ)存區(qū)移到N型半導(dǎo)體，而在 P型半導(dǎo)體中引起自由電子態(tài)的增加，則作為對(duì)電子隧道作用的反應(yīng)， 有正電流自 N層流向 P層 。但當(dāng)外加電壓達(dá)到臨界值 VA=Vdiff，就不發(fā)生重迭的能帶結(jié)構(gòu) [即 能產(chǎn)生隧道效應(yīng)的條件 WWvp不再存在 ，如圖(e)。 穿過隧道二極管的電流趨于極小值 。在臨界電壓點(diǎn) Vdiff以上，該二極管重新表現(xiàn)如常規(guī) PN結(jié)二極管那樣，電流按指數(shù)增長。 隧道二極管的等效電路 ： 如圖 ．（類似于圖 6． 23示出的 IMPATT二極管的電路）。這里圖中 Rs和 Ls是半導(dǎo)體層的電阻和引線電感。結(jié)電容 CT與負(fù)電導(dǎo) —g＝ dI／ dV并聯(lián)，后者是由圖 (a)給出的 IV曲線的負(fù)斜率得出的。 如圖 7所示為含有隧道二極管的一個(gè)簡單的放大器電路。令功率放大因子 Gr為負(fù)載 RL上的功率與來自源的最大有效功率 Ps＝ ∣ VG ∣ 2 ／(8RG)的比值，得到在諧振下功率放大因子的表達(dá)式： 其中 Rs的影響被忽略。如果合理選擇 g值 當(dāng) (g＝ 1／ RL+1／ RG)，則上式中分母趨于零，此時(shí) 放大器變成振蕩器 。 ? TRAPATT,BARRITT和 Gunn二極管 下面簡要介紹另外三種形式的二極管，但不涉及其電路描述及電參量的定量推導(dǎo)。 一、 TRAPATT：是 俘獲等離子體雪崩觸發(fā)渡越 的縮語， TRAPATT二極管是 IMPATT二極管在效率上的增強(qiáng)， 通過利用能帶隙的勢(shì)阱使實(shí)現(xiàn)更高的效率 (直到 75％ ) 。這類勢(shì)阱是位于能帶隙內(nèi)的能級(jí)，并可俘獲電子。 外電路保證在正半周時(shí)產(chǎn)生高的勢(shì)壘電壓，造成電子一空穴等離子體中的載流子倍增。造成在負(fù)半周時(shí)二極管的整流特性中出現(xiàn)擊穿。由于電子 —空穴等離子體的建立過程要比在 IMPATT二極管中穿過中間層的渡越時(shí)間較慢些，故 該管的的工作頻率稍低于 IMPATT二極管。 二、 BARRITT：是勢(shì)壘注入渡越時(shí)間的英語縮稱。它本質(zhì)上是 渡越時(shí)間二極管 ，其 P+NP+摻雜分布的作用像是一個(gè)無基極接觸的晶體三極管。其空間電荷區(qū)域從陰極通過中間層擴(kuò)展到陽極中；其小信號(hào)等效電路模型包括一電阻和 —并聯(lián)電容，電容值與 DC偏置電流有關(guān)。不同于IMPATT二極管，其 AC電路產(chǎn)生一負(fù)相位 (直到 900)，有 5％或更小的相對(duì)低的效率。 ARRITT二極管 在雷達(dá)的混頻器和檢波電路中得到應(yīng)用 。 三、 Gunn二極管 (耿氏二極管 )是以其發(fā)明者命名的。他在 1963年發(fā)現(xiàn)在某種半導(dǎo)體 (GaAs， InP)中，足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度能造成電子散射到能帶隙分隔增大的區(qū)域中；由于帶隙能的增加使電子在遷移率 μ0受到損失。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。負(fù)的微分遷移率為： 它被用于振蕩電路中。為開發(fā) Gunn效應(yīng)在 RF和 Mw中的應(yīng)用，需要有一特定的摻雜分布，以保證一旦電壓超過所要求的閥值時(shí)，就產(chǎn)生穩(wěn)定的、單 —載流子的空間電荷區(qū)。 6． 3 BJT雙極結(jié)晶體管 雙極晶體管的組成是在 NPN或 PNP配置下三層交替摻雜的半導(dǎo)體。雙極是指少數(shù)和多數(shù)載流子兩者造成內(nèi)部電流。 ? 6． 3． 1 結(jié)構(gòu) ? 由于它的低成本結(jié)構(gòu)、相對(duì)高的工作頻率、低噪音性能和高的可運(yùn)行功率容量， BJT成為最廣泛采用的有源 RF器件之一。通過一特殊的發(fā)射極 —基極結(jié)構(gòu) (它作為平面結(jié)構(gòu)的一部分 )可達(dá)到高功率容量。圖 6． 28(a)和圖 6． 28(b)分別表示平面結(jié)構(gòu)的剖面圖和交叉指發(fā)射極 —基極連接的頂視圖。 ? 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。由于降低了通過基極 —發(fā)射極結(jié)的電流密度 (散粒噪音 )和降低了在基極中的無規(guī)熱運(yùn)動(dòng) (熱噪音 )，低的基極電阻直接改善了信噪比，再增加摻雜濃度(10201021cm3量級(jí) )，這兩措施既降低基極電阻又增加電流增益。 6． 3 BJT雙極結(jié)晶體管 但是，要保持電極的牢固度十分困難，并且需要自對(duì)準(zhǔn) 處理。進(jìn)而，受主和施主濃度很快達(dá)到 Si或 GaAs材料的 溶解度極限，從而對(duì)電流增益規(guī)定了一個(gè)物理極限。因 此，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 (HBT)應(yīng)運(yùn)而生，且越來越流行。 HBT可達(dá)到高電流增益，而無需對(duì)發(fā)射極過度摻雜。 它添加了半導(dǎo)體層 (例如 GaALAsGaAs三明治結(jié)構(gòu) )．使 電子電流注入到基極得到加強(qiáng)，而相反的空穴注入到發(fā) 射極則得到抑制。 結(jié)果有極高的發(fā)射極效率， 這種效率定義為到達(dá)基極的電子電流對(duì)同一電子電流加上反向到發(fā)射極的空穴電流之比。圖 6． 29給出這樣一種結(jié)構(gòu)的剖視圖。 除 GaAs外，用 InP發(fā)射極和 InGaAs基極界面已實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)； InP材料有擊穿電壓高、能帶隙較大和熱傳導(dǎo)較高的優(yōu)點(diǎn)。已達(dá)到工作頻率超過 100Gh．同時(shí)基極