微波电子线路大作业

微波电子线路大作业

姓名：哦呵呵

学号：

肖特基势垒二极管是利用金属与半导体接触形成肖特基势垒而构成的一种微波二极管，

它对外主要体现出非线性电阻特性，是构成微波阻性混频器、检波器、低噪声参量放大

器、限幅器和微波开关等的核心元件。

1、结构：肖特基势垒二极管有两种管芯结构：点接触型和面接触型。

2、工作原理：

肖特基势垒二极管工作的关键区域是金属和N 型半导体结形成的肖特基势垒区域，是金属和N 型半导体形成的肖特基势垒结区域。

在金属和N 型半导体中都存在导电载流子—电子。它们的能级不同，逸出功也不同。当金属和N 型半导体相结时，电子流从半导体一侧向金属一侧扩散，同时也存在金属中的少数能量大的电子跳跃到半导体中，称为热电子。显然，扩散运动占据明显优势，于是界面上金属中形成电子堆积，在半导体中出现带正电的耗尽层。在界面上形成由半导体指向金属的内建电场，它是阻止电子向金属一侧扩散的，而对热电子发射则没有影响。随着扩散过程的继续，内建电场增强，扩散运动削弱。于是在某一耗尽层厚度下，扩散和热电子发射处于平衡状态。宏

观上耗尽层稳定，两边的电子数也稳定。界面上就形成一个对半导体一侧电子的稳定高度势垒G

W eN D

D S 22

=φ，

D N 是N 半导体的参杂浓度，D W 厚度存在于金属—半导体界面由扩散运动形成的势垒成为肖特基势垒，耗尽层和电子堆积区域成为金属—半导体结。

3、伏安特性：

利用金属与半导体接触形成肖特基势垒构成的微波二极管称为肖特基势垒二极管。这种器件对外主要呈现非线性电阻特性，是构成微波混频器、检波器和微波开关等的核心元件。

半外点半外结氧金两种肖特基势垒二极管结构

金属欧姆接

一般地，肖特基势垒二极管的伏安特性可以表示为

]1)[exp(1)exp()(-=⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡-==U I nkT qU I U f I S S α （1-1） 式中：nkT

q

=

α。对于理想的肖特基势垒，1=n ；当势垒不理想时，1>n ，且点接触型二极管4.1>n ，面结合型二极管1.1~05.1≈n 。 下图是肖特基势垒二极管的伏安特性曲线：

假定二极管两端的电压由两部分构成：直流偏压dc U 和交流信号t U t u L L L ωcos )(=，即

t U U t u L L dc ωcos )(+= （1-2）

代入式（1-1），求得时变电流为

]1)cos [ex p()()(-+==t U U I u f t i L L dc S ωαα （1-3）

定义二极管的时变电导)(t g 为 根据式（1-1）得

对式（1-3）进行傅里叶级数展开：

式中：),2,1,0)((Λ=n x J n 是n 阶第一类贝塞尔函数，x 为总量。其中的直流分量dc I 和相应于交流偏压的各次谐波电流幅度n I 交流偏压的基波电流幅度L I I =1：

根据贝塞尔函数的大宗量近似式，当L U α较大时，有 二极管对交流信号所呈现的电导为L

dc L L

L U I U I G 2≈=

交流偏压一定时，L G 随dc I 的增大而增大，借助于dc U 来调节dc I 可以改变L G 的值，使交流信号得到匹配。

二、变容二极管

由于PN 结上空间电荷层的存在，将会出现结电容（主要是势垒电容），这部分结电容将随着加于PN 结上的外电压改变，利用这一特性构造了变容二极管。它可作为非线性可变电抗应用，构成参量放大器、参量变频器、参量倍频器（谐波发生器）、可变衰减或调制器

等。 1、结构：

2、变容二极管的特性：

重掺杂突变P ＋N 结的势垒电容可表示为： 可认为此电容即是结电容，对应结上的电压

考虑到缓变结或其它一些特殊结类型，结电容值可统一表示为：

m j j U C U C ]

1[)

0()(Φ

-=

（2-1） 式中：m 称为结电容非线性系数，取决于半导体中参杂浓度的分布状态，反应了电容随外加电压变化的快慢。

为了避免出现电流及随之产生的电流散粒噪声，变容管的工作电压通常限制在导通电压Φ和击穿B U 之间，即Φ<

给变容管加上直流负偏压dc U 和交流信号（泵浦电压）

t u p )(

U t u )(dc +=由式（2-1式中：m

dc j dc j U C U C ]1[()(Φ

-=dc U p p -Φ=其中：)(dc j U C 为直流工作点dc U 处的结电容；p 为相对泵浦电压幅度（简称相对泵幅），表

明泵浦激励的强度。1=p 时，为满泵工作状态；1

p 时，为过泵工作状态。典型的工作状态是1

的欠泵激励状态，不会出现电流及相应的

电流散粒噪声。 三、阶跃恢复二极管

）

1、结构：

两种PN 结二极管结构

N+N 金欧姆接P N+N 金

欧姆接P 平面型结构 台式型结构 2

1

00

012⎥⎦⎤⎢

⎣⎡≈=t D r r r t V N q A A C εεεεδ

εεV V t -=φN+层N 层（I 金属P+化

P+

2、工作原理

（1）大信号交流电压正半周加在阶跃管上时，处于正D 向导通状态，阶跃管相当于一个低阻，阶跃管的端压u 位于PN 结接触电势差φ，管子中有电流i 留过；阶跃管相当于一个大扩散电容d C ，交流信号将对其进行充电，由于空穴在N 层的复合率比较低，因而有大量的空穴电荷在N 区堆积起来。

（2）信号电压进入负半周，使阶跃管内部产生的势垒电场把N 区内储存的空穴抽回+P 层，产生很大的反向电流。这时阶跃管仍然有很大的电容量，故阶跃管上的电压降不能突变，管子中仍然有较大的电流，呈现出导通和低阻状态，因此阶跃管端压仍然正向而且位于φ，直到正向时存储的电荷基本清除完。一旦电荷耗尽，反向电流将迅速下降到反向饱和电流，形成电流阶跃。调整直流偏压，可以使电流阶跃发生在反向电流最大值处，而且是交流电压负半周即将结束的时刻。在电流发生阶跃的同时，阶跃管两端将可能发生很大的脉冲电压。

（3）大信号交流激励电压的下一个周期来临。上述过程重复发生，形成与交流激励电压周期相同的一个脉冲串序列波形。 3、阶跃管特性：

在反偏时结电容近似不变，为一个不变的小电容0C （处于高阻状态，近似开路）。正偏时，形成了较大的扩散电容d C

阶跃管电压电容特性