微波电子线路第二章中.ppt
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1、12.2.1 结构结构 肖特基势垒二极管是利用肖特基势垒二极管是利用金属与半导体接触形成肖特基金属与半导体接触形成肖特基势垒势垒而构成的一种微波二极管,它对外主要体现出而构成的一种微波二极管,它对外主要体现出非线性电非线性电阻特性阻特性,是构成微波阻性混频器、检波器、低噪声参量放大,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。器、限幅器和微波开关等的核心元件。本节介绍肖特基势垒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。二极管的结构、等效电路、伏安特性和特性参量。2.2 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 结构结构结构结构结构结构结构结构半导体
2、半导体外延层外延层点接触点接触半导体半导体外延层外延层面结合面结合氧化层氧化层金属钼金属钼金金金丝金丝两种肖特基势垒二极管结构两种肖特基势垒二极管结构金属触丝金属触丝欧欧姆姆接接触触金金属属2肖特基势垒二极管点接触二极管点接触二极管和和肖特基表面势垒二极管(简称肖特基势垒二极管)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: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,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
3、。但面结合型管子金半接触界面比较平整,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。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
4、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。3肖特基势垒二极管2.2.2 等效电路等效电路 称为二极管的非线性结电阻,是阻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。性二极管的核心等效元件。随着加于二随着加于二极管上的偏压改变,正向时约为几个欧姆,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。反向时可达兆欧量级。肖特基势垒二极管等效电路肖特基势垒二极管等效电路 称为二极管的非线性结电容,由于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,故这一电容金半结管子不存在扩散电容,故
5、这一电容就是金半结的势垒电容,其数值在百分之就是金半结的势垒电容,其数值在百分之几到一个皮法(几到一个皮法(pFpF)之间。之间。称为半导体的体电阻,又叫串联电阻。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。面结合型管子的值约为几欧姆。引线电感,约为一至几个纳亨引线电感,约为一至几个纳亨 。管壳电容,约为几分之一皮法管壳电容,约为几分之一皮法 。肖特基二极管电路符号肖特基二极管电路符号4肖特基势垒二极管2.2.3 伏安特性伏安特性 当势垒是理想的肖特基势垒时,当势垒是理想的肖特基势垒时,当势垒不理想时,当
6、势垒不理想时,。对点。对点接触型管子来说,通常接触型管子来说,通常 ,而面结合型管子,而面结合型管子 。肖特基势垒二极管电压电流特性肖特基势垒二极管电压电流特性05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)(可称为本振电压),为:为:肖特基势垒二极管时变电流波形肖特基势垒二极管时变电流波形006肖特基势垒二极管定义二极管的时变电导为定义二极管的时变电导为:肖特基势垒二极管时变电导波形肖特基势垒二极管时变电导波形00 表明当交流偏压随时间作表明当交流偏压随时间作周期性变化时,瞬时电导也随周期
7、性变化时,瞬时电导也随时间作周期性变化。时间作周期性变化。7肖特基势垒二极管直流分量和相应于交流偏压的各次谐波电流振幅系数为:直流分量和相应于交流偏压的各次谐波电流振幅系数为:交流偏压激励的基波电流振幅交流偏压激励的基波电流振幅 为:为:根据贝塞尔函数的大宗量近似式,当根据贝塞尔函数的大宗量近似式,当 较大时可求得较大时可求得:8肖特基势垒二极管交流偏压功率为交流偏压功率为:二极管对交流偏压源所呈现的电导为:二极管对交流偏压源所呈现的电导为:2.2.4 特性参量特性参量 截止频率截止频率 当外加电压角频率为当外加电压角频率为 ,使得,使得 时,时,高频信号在高频信号在 上的损耗为上的损耗为3d
8、B3dB,二极管已经不能良,二极管已经不能良好工作。定义这时对应的外加信号频率好工作。定义这时对应的外加信号频率 为肖特为肖特基势垒二极管的截止频率:基势垒二极管的截止频率:9肖特基势垒二极管 噪声比噪声比 噪声比定义为二极管的噪声功率与相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。同电阻热噪声功率的比值。肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管噪声等效电路噪声等效电路噪噪声声来来源源 载流子的散粒噪声载流子的散粒噪声 串联电阻的热噪声串联电阻的热噪声 取决于表面情况的闪烁噪声取决于表面情况的闪烁噪声 噪声发生器的均方值为噪声发生器的均方值为:噪声发生器内导为二极管小信号电导:噪声发生器内
9、导为二极管小信号电导:10散粒噪声的资用功率为:散粒噪声的资用功率为:等效电阻在室温下的热噪声资用功率为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:,因此二极管的噪声比为:当二极管温度当二极管温度 时:时:由于对于理想肖特基势垒由于对于理想肖特基势垒 ,则,则 。考虑到其它各种因素,。考虑到其它各种因素,可认为可认为 。实际上对于性能较好的管子。实际上对于性能较好的管子 ,较差的可能达到,较差的可能达到 。肖特基势垒二极管112.3.1 结构结构 由于由于PNPN结上空间电荷层的存在,将会出现结电容(主要是势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
10、随着加于垒电容),这部分结电容将随着加于PNPN结上的外电压改变,利用结上的外电压改变,利用这一特性构造了这一特性构造了变容二极管变容二极管。它可作为非线性可变电抗应用,构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。衰减或调制器等。2.3 变容二极管变容二极管 两种两种PNPN结二极管结构结二极管结构N+N+衬底衬底N N层层氧化层氧化层金属金属欧姆接触金属欧姆接触金属P P层层N+N+衬底衬底N N层层氧化层氧化层金属金属欧姆接触金属欧姆接触金属P P层层平面型结构平面型结构台式
11、型结构台式型结构12 是外加电压的函数,在反偏压下可是外加电压的函数,在反偏压下可达兆欧量级。达兆欧量级。变容二极管2.3.2 等效电路等效电路PN结二极管等效电路结二极管等效电路pF pF。引线电感,通常小于引线电感,通常小于1 1nHnH。管壳电容,通常小于管壳电容,通常小于1 1pFpF。通常为通常为1 15 5 ,也应该是外加电压,也应该是外加电压的函数,由于其值很小,可近似认为是常的函数,由于其值很小,可近似认为是常量。量。变容管电路符号变容管电路符号13变容二极管2.3.3 特性特性重掺杂突变重掺杂突变P PN N结的势垒电容可表示为:结的势垒电容可表示为:可认为此电容即是结电容,
12、对应结上的电压可认为此电容即是结电容,对应结上的电压 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: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:m称为结电容非线性系数,它的大小取决于半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。电压变化的快慢。14变容二极管对于突变对于突变PN结,结,电容变化较快;,电容变化较快;对于线性缓变结,对于线性缓变结,变容管电压电容特性变容管电压电容特性0 管子一般工作于反偏状态,反偏压的绝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。对值
13、越大,结电容值越小。当当 时,称为超突变结,其电容时,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;般可用于电调谐器件;当当 时,由于结电容与偏压平方成反比,由结电容构成的调谐时,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。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。当当 时,近似可认为时,近似可认为 ,结电容近似不变,称,结电容近似不变,称为阶跃恢复结。为阶跃恢复结。15变容二极管变容管的工作电压限制在变容管的工作电压限制在 和和 之间,即:之间
14、,即:当变容管同时加上直流负偏压和交流时变偏压,即:当变容管同时加上直流负偏压和交流时变偏压,即:为泵浦电压为泵浦电压 时的工作状态称之为满泵工作状态或满泵激励状态,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。称为过泵工作状态或过泵激励状态。16变容二极管时变电容随泵浦电压周期变化波形时变电容随泵浦电压周期变化波形00是周期为泵频是周期为泵频 的周期函数的周期函数,可以用傅立叶级数展开为:可以用傅立叶级数展开为:17变容二极管称为基波电容,它是基波幅度的一半称为基波电容,它是基波幅度的一半;称为称
15、为n 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。容管在交流激励下非线性特性的一个重要参量。求得求得 和和 曲线曲线0 01.61.61.01.01.01.0突变结突变结线性结线性结 曲线曲线0 00.50.50 01.01.0突变结突变结线性结线性结18变容二极管分析变容管特性时,有时也使用分析变容管特性时,有时也使用“倒电容倒电容”来表征特性:来表征特性:静态工作点倒电容:静态工作点倒电容:19变容二极管2.3.4 特性参量特性参量 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、
16、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。及动态品质因数和截止频率。静态品质因素静态品质因素 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。耗越小。当偏压一定时,结电容值一定,工作频率越高,就越低。20变容二极管 静态截止频率静态截止频率定义当频率升高使得定义当频率升高使得 的频率为变容管在直流偏压的频率为变容管在直流偏压
17、下的下的截止频率截止频率 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 及及 作为比较管子的参数指标。另外一般规定在反向击穿电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:压时的截止频率为额定截止频率:21 动态品质因数动态品质因数 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。表征,称为动态参量。变
18、容二极管 动态截止频率动态截止频率 和和 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。和最大值。22 阶跃恢复二极管,简称为阶跃管(阶跃恢复二极管,简称为阶跃管(SRDSRD)。利用阶跃管由导)。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。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。等效电路。2.4 阶跃恢复
19、阶跃恢复二极管二极管 2.4.1 结构结构阶跃管管芯结构与掺杂浓度分布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+N N+101910151019232.4.2 工作原理及特性参量工作原理及特性参量 阶跃恢复二极管1.1.阶跃管特性阶跃管特性 阶跃管电压电容特性阶跃管电压电容特性0 结电容在反偏时近似不变,这种结电容在反偏时近似不变,这种PNPN结结称为阶跃恢复结,阶跃管正是利用了阶跃称为阶跃恢复结,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,近为一个不变的小电容(处于高阻状态,
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