微波电子线路第二章(中)

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。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等效电路称为二极管的非线性结电阻，是阻性二极管的核心等效元件。随着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。肖特基势垒二极管等效电路sLjRjCsRpCjRjR称为二极管的非线性结电容，由于金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。jC称为半导体的体电阻，又叫串联电阻。点接触型管子的值约在十到几十欧姆，而面结合型管子的值约为几欧姆。sR引线电感，约为一至几个纳亨。sL管壳电容，约为几分之一皮法。pC肖特基二极管电路符号3肖特基势垒二极管2.2.3伏安特性当势垒是理想的肖特基势垒时，，当势垒不理想时，。对点接触型管子来说，通常，而面结合型管子。1expkTqVIVfIsn1n1n4.1n1.1~05.1nnkTq1n1expVIIs肖特基势垒二极管电压电流特性0IV4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：tVVtvLLdccos1cosexptVVIvftiLLdcs肖特基势垒二极管时变电流波形00IVdcVtvttit5肖特基势垒二极管定义二极管的时变电导为:tVVfvfdvditgLLdctVVvLLdccoscos1cosexptVVItiItitgLLdcss肖特基势垒二极管时变电导波形00gdcVVtvttgt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。6肖特基势垒二极管1cosexptVVIvftiLLdcssLLLLLdcsnLndcItVJtVJVJVIntnIIti2cos2cos2expcos22101直流分量和相应于交流偏压的各次谐波电流振幅系数为：LdcsdcVJVII0expLndcsnVJVIIexp交流偏压激励的基波电流振幅为：LII1LdcsLVJVII1exp2根据贝塞尔函数的大宗量近似式，当较大时可求得:LVLLdcsdcVVVII2expdcLII27肖特基势垒二极管交流偏压功率为:LdcLLLVIVIP21二极管对交流偏压源所呈现的电导为：LdcLLLVIVIG22.2.4特性参量截止频率cf当外加电压角频率为，使得时，高频信号在上的损耗为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为肖特基势垒二极管的截止频率：cjcsCR1sRcf0212jsccCRf8肖特基势垒二极管噪声比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。dt肖特基势垒二极管噪声等效电路2nidg噪声来源载流子的散粒噪声串联电阻的热噪声取决于表面情况的闪烁噪声噪声发生器的均方值为:qIBin22噪声发生器内导为二极管小信号电导：sjdIInkTqRdVdIg1nkTqIgd9散粒噪声的资用功率为：kTBngiNdna242等效电阻在室温下的热噪声资用功率为，因此二极管的噪声比为：BkT0002TTnBkTNtad当二极管温度时：0TT2ntd由于对于理想肖特基势垒，则。考虑到其它各种因素，可认为。实际上对于性能较好的管子，较差的可能达到。1n21dt1dt2.1dt2dt肖特基势垒二极管102.3.1结构由于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。2.3变容二极管两种PN结二极管结构N+衬底N层氧化层金属欧姆接触金属P层N+衬底N层氧化层金属欧姆接触金属P层平面型结构台式型结构11是外加电压的函数，在反偏压下可达兆欧量级。变容二极管2.3.2等效电路PN结二极管等效电路sLjRjCsRpC在零偏压下，值约为0.1-1.0pF。jR)0(jC引线电感，通常小于1nH。sL管壳电容，通常小于1pF。pC通常为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。sR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：2100012tDrrrtVNqAAC可认为此电容即是结电容，对应结上的电压VVt21212100210010122VCVqNAVqNAVCjrDrrDrj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：mjjVCVC10m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变容二极管对于突变P＋N结，，电容变化较快；21m对于线性缓变结，31m变容管电压电容特性0BVVjC0jCminC管子一般工作于反偏状态，反偏压的绝对值越大，结电容值越小。当时，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，一般可用于电调谐器件；6~5.0m当时，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。2m当时，近似可认为，结电容近似不变，称为阶跃恢复结。301~151m0m14变容二极管变容管的工作电压限制在和之间，即：BVVVB当变容管同时加上直流负偏压和交流时变偏压，即：tVVtvPPdccostVtvPPPcos为泵浦电压mPdcjmPPdcjjtpVCtVVCtCcos1cos10mdcjdcjVCVC10dcPVVp时的工作状态称之为满泵工作状态或满泵激励状态，称为欠泵工作状态会欠泵激励状态，称为过泵工作状态或过泵激励状态。1p1p1p15变容二极管时变电容随泵浦电压周期变化波形00tCjtjCVdcVBVtvt是周期为泵频的周期函数,可以用傅立叶级数展开为：PntjncnntjnnjPPeCeCtC0tdetCCPtjnjnP21*nnCC0CCncndcjVCC016变容二极管1C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，是表示变容管在交流激励下非线性特性的一个重要参量。mdcjjxVCtC1求得和0Ccn曲线01.61.01.0突变结线性结曲线00.501.0突变结线性结dcjVCC0011CCcpppVCCdcj~0pCCc~01117变容二极管分析变容管特性时，有时也使用“倒电容”来表征特性：tSjmPdcjjjtpVStCtScos11dcjdcjVCVS1静态工作点倒电容：ntjnsnntjnnjPPeSeStS0dcjVCC00011CVCVSSdcjdcj0SSnsn101011scSSCC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dcVQsdcjsdcjdcRVfCRVCVQ211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。19变容二极管静态截止频率定义当频率升高使得的频率为变容管在直流偏压下的截止频率dccVf1dcVQdcVdccVfsdcjdccRVCVf21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及作为比较管子的参数指标。另外一般规定在反向击穿电压时的截止频率为额定截止频率：0Q0cfsBcRCVfmin2120动态品质因数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。变容二极管动态截止频率和是在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。minCmaxCdccscVfCCRfmaxmin1121~dcssVQRCCSRSQ0011~21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阶跃恢复二极管2.4.1结构阶跃管管芯结构与掺杂浓度分布N+层N层（I层）金属欧姆接触金属P+层氧化层P+NN+101910151019222.4.2工作原理及特性参量阶跃恢复二极管1.阶跃管特性301~151m0m00010CCVCVCjjj阶跃管电压电容特性0jCV0CdC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恢复结的特征，使得阶跃管在反偏时近似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，NN+结由于浓度不同形成的内建电场由N+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，形成了较大的扩散电容（处于低阻状态，近似短路）。相当于一个电容开关，也被称为电荷储存二极管。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。（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正弦电压激励下阶跃管的电流、电压波形000tvSttttitvd24阶跃恢复二极管3.与混频、检波或高速开关二极管的对比对混频、检波或高速开关二极管来说，其整流特性要求注入少子的寿命要远小于信号周期。当加在二极管上的正向电压逐渐减小时，少子浓度将逐渐减小，注入的少子也将很快复合掉，所以当电压从正向转为反向时，几乎已没有多少剩余的尚未来得及复合的存储少子，因此只形成很小的反向饱和电流，其开关特性转换几乎发生在偏压由正向转向反向的同时。由于采取了措施增大了阶跃管的少子寿命，这时少子的复合速度跟不上交流电压的变化，当电压从正向转为反向时，正向注入的储存电荷远未复合完，由势垒