微波电子线路第二章(中)

I n I s exp Vdc J n VL
交流偏压激励的基波电流振幅 I1 为I L：
I L 2I s exp Vdc J1VL
根据Байду номын сангаас塞尔函数的大宗量近似式，当V较L 大时可求得:
I dc
Is
exp Vdc VL
2 VL
I L 2I dc
7
肖特基势垒二极管
交流偏压功率为 :
PL
1 2 I LVL
S
j
t
1
C j t
S
j
Vdc
1
p cos Pt m
静态工作点倒电容： S j Vdc 1 C j Vdc
S j t
S n e jnPt S0
e jnPt sn
n
n
C0 C j Vdc
S0 S j Vdc 1 C j Vdc 1 C0
sn Sn S0
c1
C1 C0
的截止频率为额定截止频率：
fc VB
1
2Cmin Rs
20
变容二极管 下面两个参量是在直流偏压和交流泵浦共同作用下变容管特性的 表征，称为动态参量。
动态品质因数
Q~ S1
Rs
S1C0
C0 Rs
QVdc
动态截止频率
~ fc
1
2Rs
1 Cm
in
1 Cma
x
fc Vdc
C和min C是m在ax 直流偏压和交流泵浦共同作用下变容管电容的最小和 最大值。
肖特基二极管电路符号
C管p 壳电容，约为几分之一皮法 。 3
2.2.3 伏安特性
肖特基势垒二极管
I f V Is exp
qV
nkT
1
当势垒是理想的肖特基势垒时，n ，1当势垒不理想时， n 。 1对点接触
型管子来说，通常 ，n 而 1面.4结合型管子
n。 1.05 ~ 1.1
I q nkT n 1
S1 S0
s1
18
变容二极管
2.3.4 特性参量
表征变容管特性的特性参量除了前面已经介绍过的相对泵幅、电 容（电弹）调制系数等以外，还有静态品质因数和截止频率，以及 动态品质因数和截止频率。
静态品质因素 QVdc
1
QVdc
C j Vdc
Rs
1
2fCj Vdc
Rs
它表征变容管储存交流能量与消耗能量之比，越高说明管子损耗 越小。当偏压一定时，结电容值一定，工作频率越高，就越低。
2.3.1 结构
金属 氧化层
P层 N层 N+衬底 欧姆接触金属
平面型结构
金属 氧化层
P层 N层 N+衬底 欧姆接触金属
台式型结构
11
两种PN结二极管结构
2.3.2 等效电路
Ls Rj Cj
Cp Rs
变容二极管
在零偏压下，Cj (0值) 约为0.1-1.0pF 。 R是j 外加电压的函数，在反偏压下可达 兆欧量级。 R通s 常为1～5 ， 也应该是外加电压的 函数，由于其值很小，可近似认为是常量。
对于突变P＋N结，m 1 2，电容变化较快；
Cj
对于线性缓变结，m 1 3
管子一般工作于反偏状态，反偏压的绝
C j 0
对值越大，结电容值越小。
当 m 0.5时~，6称为超突变结，其电容
在某一反偏压范围内随电压变化很陡，一
VB
V C m in0
变容管电压电容特性
般可用于电调谐器件；
当 m 时2 ，由于结电容与偏压平方成反比，由结电容构成的调谐 回路的谐振频率与偏压成线性关系，有利于压控振荡器实现线性调频。
I dcVL
二极管对交流偏压源所呈现的电导为：
GL
IL VL
2 I dc VL
2.2.4 特性参量
截止频率 f c
当外加电压角频率为 ，使c 得 Rs 时1，cC j
高频信号在 R上s 的损耗为3dB，二极管已经不能良 好工作。定义这时对应的外加信号频率 f为c 肖特 基势垒二极管的截止频率：
fc
金属触丝
点接触 外延层 半导体
金
金属钼 氧化层 外延层 半导体
面结合
欧姆接触金
属
结构结构
结构结构
两种肖特基势垒二极管结构
1
肖特基势垒二极管
点接触二极管和肖特基表面势垒二极管（简称肖特基势垒二极管）
后者性能优于前者，原因是： 点接触管表面不易清洁，针点压力会造成半导体表面畸变， 因而其接触势垒不是理想的肖特基势垒，受到机械震动时还 会产生颤抖噪声。但面结合型管子金半接触界面比较平整， 不暴露而较易清洁，其接触势垒几乎是理想的肖特基势垒。 不同的点接触管子生产时压接压力不同，使肖特基结的直径 不同，因此性能一致性差，可靠性也差。但面结合型管子由 于采用平面工艺，因此管子性能稳定、一致性好、不易损坏。
2. 2 肖特基势垒二极管
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。本节介绍肖特基势垒 二极管的结构、等效电路、伏安特性和特性参量。
2.2.1 结构
金丝
Rj Cj
C称j 为二极管的非线性结电容，由于金
Cp
半结管子不存在扩散电容，故这一电容就
是金半结的势垒电容，其数值在百分之几
到一个皮法（pF）之间。
Rs
R称s 为半导体的体电阻，又叫串联电阻。
点接触型管子的值约在十到几十欧姆，而
肖特基势垒二极管等效电路 面结合型管子的值约为几欧姆。
L引s 线电感，约为一至几个纳亨 。
L引s 线电感，通常小于1nH。 C管p 壳电容，通常小于1pF。
PN结二极管等效电路
变容管电路符号
12
变容二极管
2.3.3 特性
重掺杂突变P＋N结的势垒电容可表示为：Ct
A r 0
可认为此电容即是结电容，对应结上的电压 Vt V
A r 0
1
2 r 0
q
1 ND
Vt
2
1
C j V
氧化层
1019 1015
1019
阶跃管管芯结构与掺杂浓度分布
22
阶跃恢复二极管
2.4.2 工作原理及特性参量
1. 阶跃管特性
m 1 15 ~ 1 30
m0
结电容在反偏时近似不变，这种PN结 称为阶跃恢复结，阶跃管正是利用了阶跃
C j V
C j 0
1
V
0
C j 0 C0
Cj
恢复结的特征，使得阶跃管在反偏时近似
23
阶跃恢复二极管
2. 工作原理
在大信号交流电压激励下，正是由于阶跃管在正偏下有大量的电 荷储存，使得它实际上电容的开关状态转换并不发生在外电压由正半
周到负半周的转变时刻。 vS t
（1）大信号交流电压正 半周加在阶跃管上
（2）信号电压进入负半 周
（3）大信号交流激励电 压的下一个周期来临后
21
2. 4 阶跃恢复二极管
阶跃恢复二极管，简称为阶跃管（SRD）。利用阶跃管由导
通恢复到截止的电流突变可以构成窄脉冲输出，也可以利用其丰
富谐波作为梳状频谱发生器或高次倍频器。
本节将介绍阶跃恢复二极管的结构、工作原理及特性参量和
等效电路。
2.4.1 结构
P+
N N+
金属 P+层 N层（I层） N+层 欧姆接触金属
点接触型和面结合型二极管的典型封装结构可采用‘炮弹式’、
同轴式、微带式等。肖特基势垒二极管还有其它一些变形：如将点
接触和平面工艺优点结合起来的触须式肖特基势垒二极管，取消管
壳、靠加厚的引线来支撑的梁式引线肖特基势垒二极管等。
2
肖特基势垒二极管
2.2.2 等效电路
Ls
R称j 为二极管的非线性结电阻，是阻性 二极管的核心等效元件。 随R着j 加于二极 管上的偏压改变，正向时约为几个欧姆， 反向时可达兆欧量级。
1
A
r
0
2
r
qN D
0
V
2
A
r
0
qN D 2 r 0
2
1
1
V
2
C j 0
1
1
V
2
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：
C
j
V
C j 0
1
V
m
m称为结电容非线性系数，它的大小取决于半 导体中掺杂浓度的分布状态，反映了电容随外加 电压变化的快慢。
13
变容二极管
5
肖特基势垒二极管
定义二极管的时变电导为:
g
g t
gt di
dv vVdc VL cosLt
f v f Vdc VL cosLt
0 Vdc
V
t
0
vt
gt it Is it IsexpVdc VL cosLt1
表明当交流偏压随时间作 周期性变化时，瞬时电导也随 时间作周期性变化。
t
肖特基势垒二极管时变电导波形
I I s exp V 1
0
V
肖特基势垒二极管电压电流特性 4
肖特基势垒二极管
二极管两端的外加偏压由两部分构成：直流偏压和交流时变偏压（可
称为本振电压）,为：
I
it
vt Vdc VL cos Lt
0
Vdc
V
t
it f v
0
vt
Is expVdc VL cosLt1
t 肖特基势垒二极管时变电流波形
Cd
为一个不变的小电容（处于高阻状态，近
似开路）。 当其处在正偏时，P＋区扩散到N层的
空穴由于N层的掺杂浓度低而复合率低，
C0
0
V
NN+结由于浓度不同形成的内建电场由N+ 阶跃管电压电容特性
指向N方向，阻止空穴向N+层扩散，因而
在N层中储存了大量的电荷，形成了较大 相当于一个电容开关，也被称
的扩散电容（处于低阻状态，近似短路）。为电荷储存二极管。
19
变容二极管
静态截止频率 fc Vdc
定义当频率升高使得 QVdc的 频1率为变容管在直流偏压
频率
fc Vdc
f c Vdc
2C
j
1
Vdc
Rs
下的Vd截c 止
上述两个参量是当变容管仅有直流偏压作用时性能的表征，故称
为静态参量。由于结电容是偏压的函数，因此一般以零偏压时的
Q及0 f作c 0为 比较管子的参数指标。另外一般规定在反向击穿电压时
VB Vdc
0
V
0
vt
C j t Cne jnPt
n
t
C0
e jnPt cn
n
Cn
1
2
C j
t
e jnPt d
Pt
Cn Cn *
t
cn
Cn C0
时变电容随泵浦电压周期变化波形
C0 C j Vdc
16
变容二极管
C1 称为基波电容，它是基波幅度的一半;
cn 称为n次谐波电容调制系数、参量激励系数或泵浦系数，是表示变
6
肖特基势垒二极管
it f v I s exp Vdc VL cosLt 1
it Idc 2 In cosnLt n n1 I s expVdc J0 VL 2J1VL cosLt 2J 2 VL cos2Lt Is
直流分量和相应于交流偏压的各次谐波电流振幅系数为：
I dc I s exp Vdc J 0 VL
可认为 td 。1 实际上对于性能较好的管子 td，较1.差2 的可能达到 td 。2
10
2. 3 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。
c 2
1
2RsC j0
8
肖特基势垒二极管
噪声比 t d
噪声比定义为二极管的噪声功率与相
同电阻热噪声功率的比值。
i n2
gd
噪
载流子的散粒噪声
声 来
串联电阻的热噪声
源
取决于表面情况的闪烁噪声
肖特基势垒二极管 噪声等效电路
噪声发生器的均方值为:
in2 2qIB
噪声发生器内导为二极管小信号电导： gd
容管在交流激励下非线性特性的一个重要参量。
C j t C j Vdc
1
x
m
C0 C j Vdc
1.6
突变结
求得
C
和
0
cn
0.5 c1 C1 C0 突变结
线性结
线性结
1.0 0
C0 C j Vdc ~曲p线
0
1.0 p 0
c1 C1 C0 曲~ p线
1.0 p
17
变容二极管
分析变容管特性时，有时也使用“倒电容”S j t来表征特性：
C j 0
VP
cos
P
t
m
C j Vdc 1 p cos Ptm
C j Vdc
C j 0
m
1
Vdc
p VP
Vdc
p 时1的工作状态称之为满泵工作状态或满泵激励状态， p 称1为欠泵工作状态会欠泵激励状态， p 称1为过泵工作状态或过泵激励状态。
15
变容二极管
Cj
C j t
是周期为泵频 的P 周期函数, 可以用傅立叶级数展开为：
当 m 1 15 ~时1，30近似可认为 ，结m电容0 近似不变，称 为阶跃恢复结。
14
变容二极管
变容管的工作电压限制在 和 V之B间，即： VB V
当变容管同时加上直流负偏压和交流时变偏压，即：
vt Vdc VP cos Pt
vP t VP cosPt 为泵浦电压
C j t
1 Vdc
dI dV
1 Rj
q I
nkT
Is
qI gd nkT
9
肖特基势垒二极管
散粒噪声的资用功率为：
Na
in2 4gd
n kTB 2
等效电阻在室温下的热噪声资用功率为 kT，0 B因此二极管的噪声比为：
td
Na kT0 B
n T 2 T0
当二极管温度 T 时T0：
td
n 2
由于对于理想肖特基势垒 n，则1 。td 考 1虑2到其它各种因素，