微波電子線路-西安電子科技大學(xué)2.doc

2 肖特基勢壘二極管的 構(gòu)造原理及特性微波混頻器是任何種類微波接收機(jī)的最主要部件之一。不僅因為它是必不可少的，更主要原因是它處于整個接收機(jī)的前端位置、其性能好壞，對整個系統(tǒng)影響極大。其基本作用是把微波頻率信號變換成中頻信號，中頻信號的調(diào)制解調(diào)方便，濾波器相對滾降高。要求混頻器失真小、損耗小、噪聲低、靈敏度高。目前，混頻器中的非線性元件主要是肖特基勢壘二極管。混頻器性能由管子性能和電路設(shè)計，工藝水平共同決定。本章首先介紹混頻器的核心器件肖特基勢壘二極管。常見半導(dǎo)體材料的特性參數(shù) T=25，N=10cm-3參數(shù)GaAsSiGeGaAs 2DEG電子遷移率(cm2/Vs)空穴遷移率(cm2/Vs)飽和遷移速度(cm/s)帶隙(eV)雪崩電場(V/cm)理論最大溫度()實際最大溫度()熱導(dǎo)率150時,25時(W/cm)50003301- 1071.424.21055001750.30 0.45 13004300.71071.123.81052702001.00 1.40 380018000.61070.662.3105100750.40 0.6080002- 31070.30 0.45一、 肖特基勢壘二極管的組成及工作原理 管子內(nèi)部的半導(dǎo)體機(jī)理1 構(gòu)造：以重?fù)诫s（）的為襯底、厚度為幾十，外延生長零點幾厚的N 型本征本導(dǎo)體作為工作層，在其上面再形成零點幾的二氧化硅絕緣層，光刻并腐蝕直徑為零點幾或幾十的小洞，再用金屬點接觸或淀積一層金屬和N 型半導(dǎo)體形成金屬半導(dǎo)體結(jié)，在該點上鍍金形成正極，給另一面層鍍金形成負(fù)極，即可完成管芯。將管芯封裝于陶瓷管內(nèi)為傳統(tǒng)形式，集成電路中可不用管殼高頻二極管基本結(jié)構(gòu)金屬1.1m 氧化層1.2mN外延層0.5mN襯底層6mils2 工作原理肖特基勢壘二極管工作的關(guān)鍵區(qū)域是金屬和N 型半導(dǎo)體結(jié)形成的肖特基勢壘區(qū)域，是金屬和N 型半導(dǎo)體形成的肖特基勢壘結(jié)區(qū)域。漂移電流,擴(kuò)散電流肖特基勢壘結(jié)的形成：在金屬和N型半導(dǎo)體中都存在導(dǎo)電載流子電子。它們的能級（）不同，逸出功也不同。當(dāng)金屬和N 型半導(dǎo)體相結(jié)時，電子流從半導(dǎo)體一側(cè)向金屬一側(cè)擴(kuò)散，同時也存在金屬中的少數(shù)能量大的電子跳躍到半導(dǎo)體中，稱為熱電子。顯然，擴(kuò)散運(yùn)動占據(jù)明顯優(yōu)勢，于是界面上金屬中形成電子堆積，在半導(dǎo)體中出現(xiàn)帶正電的耗盡層。在界面上形成由半導(dǎo)體指向金屬的內(nèi)建電場，它是阻止電子向金屬一側(cè)擴(kuò)散的，而對熱電子發(fā)射則沒有影響。隨著擴(kuò)散過程的繼續(xù)，內(nèi)建電場增強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動削弱。于是在某一耗盡層厚度下，擴(kuò)散和熱電子發(fā)射處于平衡狀態(tài)。宏觀上耗盡層穩(wěn)定，兩邊的電子數(shù)也穩(wěn)定。界面上就形成一個對半導(dǎo)體一側(cè)電子的穩(wěn)定高度勢壘， N半導(dǎo)體的參雜濃度，厚度存在于金屬半導(dǎo)體界面由擴(kuò)散運(yùn)動形成的勢壘成為肖特基勢壘，耗盡層和電子堆積區(qū)域成為金屬半導(dǎo)體結(jié)。能帶結(jié)構(gòu),在室溫下，硅的禁帶寬度Eg約為1 . 12 eV 。鍺的能帶結(jié)構(gòu)與硅類似，禁帶寬度在室溫下約為0.66 eV 。半導(dǎo)體材料的禁帶越寬，其耐高溫、耐腐蝕、耐輻射等特性越好,寬禁帶器件是微波半導(dǎo)體的一個重要發(fā)展方向硼 磷EF為費(fèi)米能級，它并不是一個能為電子所占據(jù)的“真實”能級，而是反映了電子填充能帶的水平由于，費(fèi)米能級將升高，接近導(dǎo)帶, 于，費(fèi)米能級將降低，接近于價帶圖中把電子在真空中的靜止?fàn)顟B(tài)表示為真空能級，用和分別表示金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級，用和分別表示金屬和半導(dǎo)體的逸出功，用表示半導(dǎo)體導(dǎo)帶底與真空能級的能量差，又稱為電子親和能。2）單向?qū)щ娫恚喝绻o金屬半導(dǎo)體結(jié)加上偏壓，則根據(jù)偏壓方向不同、其導(dǎo)電特性也不同。零偏：保持前述勢壘狀態(tài)正偏：金屬一側(cè)接正極，半導(dǎo)體一側(cè)接負(fù)極外加電場與內(nèi)建電場方向相反，內(nèi)建電廠被削弱，耗盡層變薄，肖特基勢壘高度降低，使擴(kuò)散運(yùn)動增強(qiáng)，半導(dǎo)體一側(cè)的電子大量的源源不斷的流向金屬一側(cè)造成與偏壓方向一致的電流，金屬半導(dǎo)體結(jié)呈正向?qū)щ娞匦?，且外加電壓越大，?dǎo)電性越好： 反偏：金屬一側(cè)接負(fù)極，半導(dǎo)體一側(cè)接正極外加電場與內(nèi)建電場方向一致、耗盡層變厚、擴(kuò)散趨勢削弱、熱電子發(fā)射占優(yōu)勢，但這部分電子數(shù)量很少，不會是發(fā)射電流增大。在反偏電壓的規(guī)定范圍內(nèi)，只有很小的反向電流。在反偏情況下，肖特基勢壘呈大電阻特性。反偏電壓過大時，則導(dǎo)致反向擊穿。肖特基勢壘具有單向?qū)щ娞匦?，與PN結(jié)類似但只有電子運(yùn)動，反應(yīng)靈活，使用頻率高。金屬與半導(dǎo)體的歐姆接觸金屬與半導(dǎo)體的歐姆接觸半導(dǎo)體器件用于從器件芯片引出金屬電極。雖然也是金屬與半導(dǎo)體的接觸，但不能是具有整流特性的肖特基接觸。這種金屬引線與半導(dǎo)體的接觸應(yīng)該具有對稱的、線性的伏安特性，還要求接觸電阻盡可能小。在實踐中這樣構(gòu)成歐姆接觸：在N型(或P型)半導(dǎo)體上先形成一層重?fù)诫s(或)層，然后再與金屬接觸，即為“金屬”或“金屬”結(jié)構(gòu)。金屬與重?fù)诫s半導(dǎo)體接觸時，在半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘層很薄。對于金屬和半導(dǎo)體兩側(cè)的電子，這樣薄的勢壘區(qū)幾乎是透明的。在相當(dāng)大的電流范圍內(nèi)，電流與電壓關(guān)系近似為線二、 肖特基勢壘二極管的特性1， 伏安特性 反向飽和電流 n 工藝因子 波爾茲曼常數(shù) 電子電荷 T 工作溫度 K V 偏壓V2、結(jié)電阻、電流 正偏時：I上升，下降 反偏時：3、結(jié)電容 4、寄生參數(shù)N體電阻 襯底電阻 電極電阻引線電感 零點幾毫微亨封裝電容 零點幾皮法三 等效電路和特性參數(shù)1 等效電路2 特性參數(shù)(1)截至頻率 前知 、都很小，故高，達(dá)KGHz，工作頻率(2)噪聲溫度比 總輸出噪聲功率與KTB之比 理想 實際 1.22(3)中頻阻抗在額定本振功率時，對指定中頻呈現(xiàn)的阻抗以后討論基本指標(biāo)、噪聲系數(shù)和變頻損耗三 典型工程參數(shù)勢壘高度應(yīng)用情況勢壘類型1mA時電壓VF1 本振驅(qū)動功率應(yīng)用場合零偏0.100.25V0.1mW檢波器低勢壘0.250.35V0.1mW