非线性微波电路与系统——第二章：非线性模型

GaAs MESFET 的非线性等效电路
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砷化镓场效应晶体管GaAs MESFET
半导体器件非线性等效电路模型种类： （1）物理基模型（纯理论方法） 由材料特性和器件结构，通过量子力学和电磁场理论等求解 出等效电路模型及参数。 难度极大，理想方法。
非线性微波电路与系统
半导体材料与MMIC的性能
第一代半导体：Si、SiGe
第二代半导体：GaAs、InP
第三代半导体： 宽禁带（高功率）：SiC、GaN 窄禁带（高频、低功耗、低噪声）：InSb
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非线性固态器件模型
固态器件的非线性等效电路模型
砷化镓场效应晶体管GaAs MESFET
Vgs
Vds
源极
栅极 G
漏级
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砷化镓场效应晶体管GaAs MESFET
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场效应三极管 的非线性等效电路
推广：
Qc f q (v1 , v2 , v3 ......)
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肖特基势垒二极管
本征非线性等效电路
（二极管管芯）
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肖特基势垒二极管
替代定理
替代定理：特性为I=f(v)的一个线性或非线性电阻元件和它 特性相同的一个受控电流源等效。 线性
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替代定理
非线性
结论：
将非线性元件归结为两大类 非线性电容和非线性受控电流源（或电压源）元件
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i 1
N
线性元件（R，C，L）＋

i 1
M
Hale Waihona Puke Baidu
非线性元件（C ，R 或 G，受控源）
建模准则：
集总参数模型，采用准静态法，具体要求：
（1）模型在很宽的频带内有足够的精度。 （2）在满足精度的要求下，模型越简单越好。
（3）固态器件必须能够比较容易的确定模型的有关参数。
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非线性电容
非线性电容两端的电荷与电压的非线性关系为
Qc f q (V )
同理可得：
dq dv 2 i [C1 (vo ) C2 (vo )v C3 (vo )v ......] dt dt
式中
准线性：
dv i C1 (vo ) dt
df (v) C1 (vo ) dv vvo
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非线性固态器件模型
电真空器件 （体积大，高压，寿命短，仅用于 高功率场合）
微波有 源器件 半导体器件 微波二极管：
微波二极管
微波三极管
肖特基势垒二极管（混频、倍频），变容二极管（VCO）， 阶跃恢复二极管（倍频），PIN二极管（控制电路），耿氏 Gunn二极管（振荡器），雪崩Impatt二极管（振荡器）等 微波三极管：
固溶半导体：Si(1-x)Gex, Ga(1-x)AlxAs, In(1-x)GaxAs(1-y)Py
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4.1半导体材料特性参数
宽禁带半导体定义：禁带宽度大于 2.2eV 的半导体材料 。
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肖特基势垒二极管
直流I/V特性表达式：
I (V ) I s (e
qV kT
1)

称为理想化因子，其值大于1，良好制做的二极管约为1.2
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BJT，FET，MESFET，HBT，HEMT，pHEMT等
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非线性固态器件模型
元素半导体（第一代）：Si，Ge，Se 化合物半导体（第二代）：GaAs，InP
半导体 材料
（第三代）：SiC和GaN（宽禁 带）：功率高，耐高温，抗辐射， 功率密度大，工作电压高
3 3 1 3 f 3 3 f f f 3 2 2 ( 3 v1 3 v v 3 vv v ) ...... 2 1 2 2 2 1 3 2 6 V1 V1V2 V2V1 V2
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非线性电导或电阻
I=f（v） 而 V＝V0＋v（t） 用台劳级数在V0展开
i f (V0 v(t )) f (V0 ) g1v g 2v 2 g 3v 3 ......
3 df (V ) 1 d 2 f (V ) 1 d f (V ) 2 3 v v v .... 2 3 dV V V0 2 dV V V 6 dV V V
0 0
同样可以推广到两个交流激励
i f (V0 v1 v2 ) f (V0 )
v V0 v1 (t ) v2 (t )
的情况
f f 1 2 f 2 2 f 2 f 2 v1 v2 ( 2 v1 2 v1v2 v ) 2 2 V1 V2 2 v1 V1V2 V2
耗尽层宽度：
式中

2 s d ( ) qN d
－扩散电压
1 2
Nd －掺杂浓度 q－电子电荷 结电荷函数：
结电容函数： 式中
Q(V ) 2C j 0 (1 V )
1 2
C j0 dQ(V ) C (V ) dV (1 V )r
Cj0 －零偏压结电容 r一般为1/2，当r＝1/3时称为线性缓变结