射频与微波电路设计讲稿2

甘氏二极管
甘氏二极管产生高频振荡的工作原理
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在N型砷化镓半导体中导带波矢量图 当二极管加上电压，并超过某阈值时，N型砷化镓中的载流子 （电子）由二极管中直流电场吸收能量，从主能带导带（低有 效质量高迁移率能带）转移到高能电平（高有效质量，低迁移 率）的次能带导带。
甘氏二极管速度场
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在室温并未加外电压条件下，热激发能量 大约仅为KT0≈0.025电子伏特，这个数值远小 于主一次能带之间的能量间隔。因而不足以 使电子从主能带跃迁到次能带导带，电子几 乎全部处于低能态的主能带中；当外加电压 时，N半导体中形成外加电场，电子从电场 中获得能量，电子漂移速度随电场增大而加 快。电子速度为电子迁移率与外加电场的乘 甘氏二极管速度场 积，其关系为 ve = µE 在主能带-低能带电子随着外加电场的增加，从电场获得更多的能量，速度变 快。当能量超过0.36电子伏特时，主能带里电子就会跃迁到次能带中。电场 继续增加，越来越多的电子从主能带跃迁到次能带，其迁移率下降，因而电 子漂移速度下降。 当跃迁到次能带的电子数大于主能带中电子数时，电子的平均漂移速度随电 场增加反而减小，这一过程如图所示，图中曲线的峰值对应的电场即电场的 阈值。 设Eb表示电子全部迁移到高能带中的电场值，当E>Eb时，电子速度近于饱和 值107 厘米/秒。故图中曲线自峰下降后，当E较大时又略有上升，这是因为 E>Eb时电子全部在高能带被外电场加速所至。
Cp
图2-2 肖特基势垒二极管
图2-3 肖特基势垒二极管等效电路
肖特基势垒二极管伏肖特基势垒二极管伏-安特性及其应用
肖特基势垒二极管的伏-安特性， 可表示为
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i = I sat eαV − 1
在常温下
α ≈ 1 40 ，
(
)
肖特基势垒二极管的伏-安特性
Isat为反向饱和电流，数值极小。 在正偏电压接近势垒电压时，电流迅速变大，非线性强烈。 在反向偏压时电流极小，大致保持Isat值。当V=VB时，反向电流 迅速增长，VB为反向击穿电压。 肖特基二极管本质上是一个整流元件，非线性强，主要应用于 混频器及检波电路。广泛应用的双平衡混频器（DMB）就应用 配对的两个肖特基二极管。多数DMB用于微波频谱的低端。
n L µ L + nV µV v= E = µE n
（2.1）
nV µ L + µV n L µ L + nV µV nL µ= = n n 1+ V nL 显然， < µ ，当E增加， nV 增加， µ 减少。 µ nL dv < 0, (Eth < E < Eb ) µD = dE
平均电子迁移率
甘氏（Gunn）二极管 甘氏（Gunn）二极管
甘氏二极管是转移电子器件， 具有负阻特性，它可振荡于几 种模式。 当工作于非谐振渡越时间模式 （unresonant transit-time mode） 在1-18GHz频率范围内，输出 功率最高可达2W，多数为几 百毫瓦。 当工作于谐振限制空间电荷模 式 （ resonant limited spacecharge (LSA) mode）工作频率 可到100GHz，脉冲工作、占 孔系数10%时，脉冲功率输出 到几百瓦。
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图2-8 偶极畴形成 和电场的分布
畴的形成与甘氏效应
由于畴内正负电荷的附加电场与外加电场方向一致， 畴内电场增强。当外加电压不变时，导致畴外电场的 降低。所以偶极畴又称高场畴。当畴内电场处于 Eth<E<Eb范围内时，畴内电子漂移速度随电场增强而 降低，这就使畴内正负电荷进一步积累而长大，畴的 长大反过来又使畴内电场更高，畴外电场更低。此过 程非常迅速。然而，畴长大过程不会无限止地进行下 去，因为畴外电场下降，电子漂移速度也下降，下降 到某一程度以后，畴内外电子速度相等，形成稳定畴。 在畴产生、长大及稳定的同时，畴也不断向阳极运动。 畴到达阳极，即被吸收而消失，在外电路形成电流突 变，电场恢复初始状态，新畴又立即在x0处重新形成， 这样周而复始，形成畴的自动振荡。
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甘氏二极管
甘氏二极管结构及等效电路
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R—负阻；Rs—体及接触电阻； Cj—等效电容；Ls—封装电感； Cp—封装电容 有源工作区（Active region）通常为68µm长，N+区域厚度1-2µm，是欧姆型材 料，电阻率很低（0.001Ω-cm），作为有 源区与金属电极过渡层，除了改进金属 电极与有源层的接触外，N+区域也防止 金属电极中金属离子迁移到有源工作区。
在图2-8中表示的砷化镓半导体二极管样品中， 如果存在某种掺杂不均匀性，例如x = x0处有 一小的掺杂区，那么加上外电压以后该处的电 场将高于别处。随外加电压的增高，x0处电场 首先超过Eth，结果x0左边有电子积累、右边电 子速度快产生电子“抽空”现象，右边开始形 成正离子区，这种正负电荷积累层类似于一偶 极子，称为偶极畴。
（2.2）
µD为微分迁移率，在Eth<E<Eb时，为负值。电流密度j = σE，σ = neµD，E = V / L，故 J = neµD V/L，V为外加电压，L为n型砷化镓长度，这说明砷化镓在一定电场范围内 （一般E在3×103~2×104伏/厘米），具有负电子迁移率，也就是负阻特性 导电性
面接触型肖特基势垒二极管及其等效电路
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1、利用半导体表面工艺制成的面接触型肖特基势垒二极管的结 构见图。 2、等效电路 肖特基势垒二极管的等效电路含有随偏压变化的势垒电阻Rj，由 半导体材料体电阻与接触电阻组合的串联电阻Rseries，势垒电容， 即结电容Cj，引线电感Ls和封装电容Cp，如图2-3。
有源器件的选择对射频与微波电路设计极其重要
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接收、发送系统通常由滤波器、低噪声放大器、功率放大器、振荡器、倍频 器、混频器以及开关电路、功率合成与分配电路等基本的射频与微波电路模 块组成。 组成这些模块的更基本单元就是各类有源器件与无源器件。 初次进行射频与微波电路设计，感到最难入手的就是有源器件的选择。 选择有源器件要考虑的因素很多，首先要满足收发机对诸如振荡器、放大器、 混频器等基本模块的指标要求，还要考虑可用技术与实现成本。 如何选择有源器件没有固定的程式。经验，对有源器件资料的掌握，对整个 收、发系统指标的理解是选择有源器件的重要依据。 射频与微波电路常用的有源器件可分为两类，即二极管类型和三极管类型。 微波二极管： 作混频与检波用的肖特基表面势垒二极管（简称肖特基二极管）， 作振荡器用的甘氏二有管（Gunn diode） 作控制电路用的PIN二极管。 微波晶体管： 双极晶体管（Bipolar Transistors） 场效应晶体管（Field-effect Transistors）
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图2-12 A：PN二极管；B：PIN二极管； C：PIN二极管封装
PIN二极管—工作特点 PIN二极管—
①不加偏压时，PIN管电阻是很大的。 PIN管P+、N+都是重掺杂的，见图a，杂 质分布见图b。本征层的电阻很高。 空间电荷的分布ρ(x)及电场的分布E(x) c d 见图c、d。 PIN管中P+ 、N+ 层的导电率很高，空间 电荷层即耗尽层主要建立在I层中，在I 层中除了耗尽层之外的其余厚度为非耗 尽层。与非耗尽层相比，耗尽层具有更 高的电阻率，因此在不加偏压时PIN管 的电阻是很大的。
甘氏二极管工作模式
路特性。下面主要介绍渡越时间模式与限制空间电荷模式。 ①渡越时间模式（transit time (Gunn) mode）
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甘氏二极管可工作于多种模式，部分取决于器件本身特性，部分取决于外电
渡越时间模式是非谐振模式，与器件长度及外加直流偏压有关。直流偏压要 大于阈值Vth。N0L值须是1012/cm2到1014/cm2。N0为掺杂浓度，L为有源区长 度。工作频率由有源区有效长度Leff决定，或更确切地理由渡越时间确定。 Vdom F0 = Leff 式中
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图2-13 PIN管中杂质空 间电荷及电场分布
PIN二极管—工作特点 PIN二极管—
②直流偏压下的PIN管特性 在负偏压之下（P+层接负、N+层接正），PIN管中的电场 增强，势垒电压加高、耗尽层变厚，如图（e、f）。因而 I层电阻进一步增大，反向电流极小。 随着负偏压的增大，耗尽层最后将扩展到整个I层，以后 便不再显著变厚。 负偏压达到某值时出现雪崩击穿，反向电流急剧增大。此 时的负偏压值称为反向击穿电压VB。 在正偏压之下，PIN管势垒降低以至消失。P+、N+层中的 载流子源源不断地向I层扩散，形成正向通流。 空穴、电子从注入I层到复合消失，平均有一短暂时间τ， 称为载流子平均寿命。而在复合之前则表现为载流子的 “动态储存”。与其他PN结二极管相比，PIN管中的载流 子寿命τ比较长（如20~100ns），因此，在管子正向导通 期间I层中拥有大量的载流子，I层处于低阻态。正偏压愈 大，正向电流愈大，I层乃至整个PIN管电阻愈小。
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图2-8 偶极畴形成 和电场的分布
对应于渡越时间模的外电路电流波形
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在畴产生、长大及稳定的同时，畴也不断向阳极运动。畴到达 阳极，即被吸收而消失，在外电路形成电流突变，电场恢复初 始状态，新畴又立即在x0处重新形成，这样周而复始，形成畴的 自动振荡。 上述过程对应的外电路振荡电流波形。在转移电子器件中，电 流振荡的这种固有模式就是众所周知的甘氏振荡效应。振荡频 率由加在二极管甘氏畴渡越时间来确定。 渡越时间 L T= （2.3） vd 式中vd畴的渡越速度， L为二极管砷化镓半导体长度， vd一般约107厘米/秒。 图2-9 对应于渡越时间模的外电路电流波形 甘氏二极管与外加电压及可调 谐振腔电路配合可获得的频率变化达倍频程。
甘氏二极管具有负阻效应
n = nL(E) + nV(E)
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设：nL(E)—低能带电子数，µ L(E)—低能带电子迁移率，nV(E)—高能带电子数， µV(E)—高能带低电子迁移率。在两能带总电子数 当外加电场E<Eth（阈值）时，n = nL，当Eth<E<Eb（Eb为电子全部路迁到高能带电场） 时，电子平均迁移速度