微波电子线路第二章(下).ppt

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1、12.6 雪崩二极管雪崩二极管 雪崩二极管是碰撞雪崩渡越时间二极管（雪崩二极管是碰撞雪崩渡越时间二极管（IMPATT二极管二极管),它利用它利用管内雪崩电流滞后效应和渡越时间效应使其对外呈现负阻管内雪崩电流滞后效应和渡越时间效应使其对外呈现负阻，它是构成微波它是构成微波固态振荡器固态振荡器和和功率放大器功率放大器的重要核心元件，尤其是的重要核心元件，尤其是在毫米波波段更是占据主导地位。在毫米波波段更是占据主导地位。19581958年年,贝尔实验室的里德贝尔实验室的里德,提出最初理论；提出最初理论；19651965年，首次报道了实验结果；年，首次报道了实验结果；2.6.1 结构结构 N+P IP

2、+里德二极管模型及反偏电场分布里德二极管模型及反偏电场分布 最初的里德雪崩二极管模型采用最初的里德雪崩二极管模型采用了了N NPIPPIP结构，目前广泛采用的其它结构，目前广泛采用的其它结构形式还有结构形式还有P P+NNNN+、N N+PPPP+、P P+NINNIN+和和P P+PNNPNN+（称为双漂移区结构）等类型。称为双漂移区结构）等类型。2雪崩二极管 2.6.2 工作原理及特性参量工作原理及特性参量 仅以里德提出雪崩管负阻效应时的基本仅以里德提出雪崩管负阻效应时的基本N NPIPPIP结构为例讨论结构为例讨论雪崩管的特性及工作原理，其它结构是完全类似的。雪崩管的特性及工作原理，其它

3、结构是完全类似的。1.1.雪崩管特性雪崩管特性 N+P IP+里德二极管模型及反偏电场分布里德二极管模型及反偏电场分布 当两端加上反向偏压时，对于重掺杂的当两端加上反向偏压时，对于重掺杂的N N+和和P P+区，由于其电阻很低，电场强度几乎为区，由于其电阻很低，电场强度几乎为零；在本征半导体零；在本征半导体I I层内，电场均匀分布，大层内，电场均匀分布，大致为一常数，其值大于重掺杂区；对于致为一常数，其值大于重掺杂区；对于N N+P P结，结，由于处于反偏状态，因此该处电场强度最大，由于处于反偏状态，因此该处电场强度最大，空间电荷区主要处在空间电荷区主要处在P P区。当反偏压不断增大区。当反偏

4、压不断增大时，此电场分布曲线将整体上移，同时空间时，此电场分布曲线将整体上移，同时空间电荷区将展宽到占满全部电荷区将展宽到占满全部P P区。区。3雪崩二极管 当反偏压增加到某一数值时，将使得当反偏压增加到某一数值时，将使得N N+P P结处的电场强度首先结处的电场强度首先达到击穿电场达到击穿电场 （，不同材料有所不同），不同材料有所不同）发生雪崩击穿，迅速产生大量的电子发生雪崩击穿，迅速产生大量的电子-空穴对，称这时的电压空穴对，称这时的电压为为二极管的雪崩击穿电压二极管的雪崩击穿电压，其值约在，其值约在2020100 100 左右。左右。在稳定的雪崩击穿状态下，电子在稳定的雪崩击穿状态下，电

5、子-空穴对将按照指数规律增加，空穴对将按照指数规律增加，产生的电子将很快被接于产生的电子将很快被接于N N+层的正极所吸收，而空穴将向负极渡层的正极所吸收，而空穴将向负极渡越。越。由于里德雪崩二极管的由于里德雪崩二极管的P P区很薄，可以认为空穴几乎无延迟地区很薄，可以认为空穴几乎无延迟地注入注入I I区（称为漂移区），以恒定的饱和漂移速度（对硅半导体约区（称为漂移区），以恒定的饱和漂移速度（对硅半导体约为）向负极渡越，形成空穴电流。为）向负极渡越，形成空穴电流。适当地控制掺杂浓度，可以使得电场的分布在适当地控制掺杂浓度，可以使得电场的分布在N N+P P结处形成相结处形成相当尖锐的峰值，从而

6、可以限制雪崩击穿在一个很窄的区域内发生。当尖锐的峰值，从而可以限制雪崩击穿在一个很窄的区域内发生。4雪崩二极管 2.2.工作原理工作原理 （1 1）雪崩电离效应）雪崩电离效应 当雪崩管两端在反向击穿直流电压上再叠加一个交流信当雪崩管两端在反向击穿直流电压上再叠加一个交流信号时，雪崩管两端的总电压可表示为：号时，雪崩管两端的总电压可表示为：交流电压的正半周内：交流电压的正半周内：雪崩发生，雪崩发生，N N+P P结处形成稳定的雪崩击穿状态，雪崩空穴结处形成稳定的雪崩击穿状态，雪崩空穴电流将按照指数规律增加；当外加电压越过最大值下降时，由电流将按照指数规律增加；当外加电压越过最大值下降时，由于刚才

7、雪崩倍增已产生的大量电子、空穴依然参加碰撞，因此于刚才雪崩倍增已产生的大量电子、空穴依然参加碰撞，因此总效果是雪崩空穴流继续上升，直到外电压正半周结束。总效果是雪崩空穴流继续上升，直到外电压正半周结束。交流电压的负半周内：交流电压的负半周内：总端压小于击穿电压，雪崩将停止，但雪崩空穴流不会立总端压小于击穿电压，雪崩将停止，但雪崩空穴流不会立即停止，只能按指数衰落。即停止，只能按指数衰落。5雪崩二极管 形成的雪崩空穴电流是具有很窄的脉冲宽度的脉冲电流，形成的雪崩空穴电流是具有很窄的脉冲宽度的脉冲电流，合理的调整直流偏压和直流偏流，可使其峰值滞后于交流信号合理的调整直流偏压和直流偏流，可使其峰值滞

8、后于交流信号的峰值的峰值 。里德二极管电压、电流和外电路感应电流的关系里德二极管电压、电流和外电路感应电流的关系000 利用小信号雪崩利用小信号雪崩方程可以严格证明的方程可以严格证明的基波相位比交变电场基波相位比交变电场的基波相位滞后的基波相位滞后90900 0，这一现象称为雪崩电这一现象称为雪崩电流的初始滞后，也称流的初始滞后，也称为雪崩倍增的电感特为雪崩倍增的电感特性。性。6雪崩二极管 （2 2）渡越时间效应）渡越时间效应 在电场的作用下，雪崩产生的空穴电流将注入漂移区并向负极在电场的作用下，雪崩产生的空穴电流将注入漂移区并向负极渡越，直到空穴流到达负极为止。当这一电流以饱和漂移速度在漂渡

9、越，直到空穴流到达负极为止。当这一电流以饱和漂移速度在漂移区渡越时，外电路中将产生感应电流，它与管内运动电荷的位置移区渡越时，外电路中将产生感应电流，它与管内运动电荷的位置无关，只取决于运动速度，而且只要雪崩空穴流在管内开始流动，无关，只取决于运动速度，而且只要雪崩空穴流在管内开始流动，外电路上就开始有感应电流，理想情况下是一个矩形波。外电路上就开始有感应电流，理想情况下是一个矩形波。I I层本征漂移区的长度为层本征漂移区的长度为 饱和漂移速度为饱和漂移速度为 雪崩脉冲电流经过漂移区的渡越时间雪崩脉冲电流经过漂移区的渡越时间:合理设计漂移区的长度以控制空穴流渡越时间合理设计漂移区的长度以控制空

10、穴流渡越时间 ，可使管子渡，可使管子渡越时间与外加交变电压的周期的关系为越时间与外加交变电压的周期的关系为 ，这时对应的频率即，这时对应的频率即称为漂移区的特征频率称为漂移区的特征频率 ：7雪崩二极管 当工作频率当工作频率 时，从功率的角度看，可认为是雪崩时，从功率的角度看，可认为是雪崩二极管这种工作模式的最佳工作频率。这时有二极管这种工作模式的最佳工作频率。这时有 ，感应电，感应电流流 基波比雪崩电流基波基波比雪崩电流基波 滞后的相位为滞后的相位为 （即（即 ），），可见若要提高雪崩管的工作频率，需减薄漂移区，即减小可见若要提高雪崩管的工作频率，需减薄漂移区，即减小 。外外电电路路的的感感应

11、应电电流流与与管管子子外外加加交交变变电电压压的的总总相相位位差差为为 ，从从而而二二极极管管相相对对外外电电路路呈呈现现为为一一个个射射频频负负阻阻。把把这这样样一一个个雪雪崩崩二二极极管管与与一一个个谐谐振振选选频频回回路路相相连连接接，可可以以把把管管子子两两端端很很小小的的初初始始电电压压起起伏伏逐逐渐渐发发展展为为一一个个射射频频振振荡荡，相相当当于于有有射射频频功功率率从从雪雪崩崩二二极极管管输输出出，其其振振荡荡频频率率等等于于外外加加谐谐振振选选频频回回路路的的谐谐振振频频率率，这这是是雪雪崩崩管管可可以以产产生生微微波波振振荡荡和和具具有有微微波波放放大大作作用用的的根根本本

12、原原因因。综综合合上上述述，雪雪崩崩管管的的工工作作原原理理是是利利用用了了碰碰撞撞雪雪崩崩电电离离效效应应和和载载流流子子渡渡越越时时间间效效应应，产产生生了了负负阻阻，这这样样的的工工作作模模式式就就称称为为雪雪崩崩渡渡越越时时间间模模式式，简简称称为为崩崩越越模模或或碰碰越越模模，工作于这一模式的雪崩管称为工作于这一模式的雪崩管称为崩越二极管或碰越二极管崩越二极管或碰越二极管。8雪崩二极管 3.3.特性参量特性参量 （1 1）工作频率范围工作频率范围 如果感应电流相对于外加交变电压的总相位差不正好为如果感应电流相对于外加交变电压的总相位差不正好为 ，只要能分离出一个负阻分量，就有可能产生

13、射频振荡只要能分离出一个负阻分量，就有可能产生射频振荡 雪崩管有一定的调谐范围雪崩管有一定的调谐范围 雪崩电流、感应电流和交变电压的关系雪崩电流、感应电流和交变电压的关系9雪崩二极管 设雪崩电流与交变电压的相位差为设雪崩电流与交变电压的相位差为 ，将受到直流偏流的影响。将受到直流偏流的影响。雪崩产生的空穴空间电荷注入到雪崩产生的空穴空间电荷注入到I I层后形成的电场将削弱雪崩层后形成的电场将削弱雪崩区的电场，直流电流越大，雪崩电流将越大，雪崩区电场下降越区的电场，直流电流越大，雪崩电流将越大，雪崩区电场下降越快，雪崩将过早停止，致使雪崩电流最大值出现在交变电压为零快，雪崩将过早停止，致使雪崩电

14、流最大值出现在交变电压为零之前越早，这样电流基波滞后相位就越比之前越早，这样电流基波滞后相位就越比 小。小。由于渡越时间相位由于渡越时间相位 正比于正比于 ，故，故 越小，渡越时间越小，渡越时间滞后相位越小。当总滞后相位滞后相位越小。当总滞后相位 小于小于 时，雪崩管便不能时，雪崩管便不能分离出负阻分量，负阻特性将消失。分离出负阻分量，负阻特性将消失。一般把使雪崩管电阻为正的临界频率称为一般把使雪崩管电阻为正的临界频率称为下限截止频率下限截止频率。为。为了能够分离出负阻分量，雪崩滞后相位越小，则渡越时间相位滞了能够分离出负阻分量，雪崩滞后相位越小，则渡越时间相位滞后应越大，因此直流电流增大时，

15、雪崩滞后相位减小，截止频率后应越大，因此直流电流增大时，雪崩滞后相位减小，截止频率必将提高以增加渡越时间相位滞后。必将提高以增加渡越时间相位滞后。此外交变电压大小也将影响，交流电压较大时，雪崩区电场此外交变电压大小也将影响，交流电压较大时，雪崩区电场提高，雪崩滞后相位将加大，截止频率将下降。提高，雪崩滞后相位将加大，截止频率将下降。10雪崩二极管 如果总相位滞后如果总相位滞后 大于大于 ，雪崩管同样不能分离出负，雪崩管同样不能分离出负阻分量，由此可确定雪崩管的上限截止频率。设雪崩滞后相位约阻分量，由此可确定雪崩管的上限截止频率。设雪崩滞后相位约等于等于 ，如果外加交变电压的周期不是正好的，如果

16、外加交变电压的周期不是正好的 ，则工作频，则工作频率率 ，总可以分离出与交变电压总可以分离出与交变电压 的反相分量的反相分量上限截止频率为上限截止频率为 11雪崩二极管 （2 2）输出功率与效率）输出功率与效率 二极管获得的直流功率为二极管获得的直流功率为:输出的射频功率为：输出的射频功率为：脉冲电流的相位中心脉冲电流的相位中心相应的效率为：相应的效率为：在理想情况下在理想情况下:1010以下以下 12雪崩二极管 2.6.3 等效电路等效电路 雪崩管有源区的阻抗为：雪崩管有源区的阻抗为：雪崩二极管管芯等效电路雪崩二极管管芯等效电路为工作频率下雪崩区的阻抗为工作频率下雪崩区的阻抗 为漂移区的阻抗

17、为漂移区的阻抗 为雪崩区长度；为雪崩区长度；为雪崩区谐振频率，决定了雪崩电流相为雪崩区谐振频率，决定了雪崩电流相位滞后角度，仅与直流电流的平方根成正比。位滞后角度，仅与直流电流的平方根成正比。13雪崩二极管 雪崩管有源区阻抗与工作频率关系雪崩管有源区阻抗与工作频率关系0 体现出负阻和容性电抗，是雪崩管作为振荡器和放大器应用体现出负阻和容性电抗，是雪崩管作为振荡器和放大器应用时的状态。时的状态。获得最大负阻获得最大负阻 14雪崩二极管 2.6.4 其它雪崩管结构及工作模式简介其它雪崩管结构及工作模式简介 多是多是P P+NNNN+和和N N+PPPP+结构结构P+NN+P P+NNNN+雪崩管模

18、型及电场分布雪崩管模型及电场分布雪崩区雪崩区1.1.实用结构雪崩管实用结构雪崩管 2.2.双漂移区雪崩管双漂移区雪崩管 P P+N NN N+双漂移区雪崩管模型及杂质、电场分布双漂移区雪崩管模型及杂质、电场分布雪崩区雪崩区P P15雪崩二极管 3.3.俘越模式俘越模式 俘越模式是俘获等离子体雪崩触发渡越模式的简称，俘越模式是俘获等离子体雪崩触发渡越模式的简称，（TRAPATTTRAPATT模式），是雪崩二极管一种大电流工作状态的高效模式），是雪崩二极管一种大电流工作状态的高效率的工作模式。率的工作模式。P+NN+P+NN+雪崩管雪崩管TRAPATTTRAPATT模式工作原理图模式工作原理图N

19、N+P PP P+N N+P PP P+雪崩区向右扩大雪崩区向右扩大雪崩区扩大到整个漂移区，形成俘获等离子体状态雪崩区扩大到整个漂移区，形成俘获等离子体状态16雪崩二极管 当外加反偏压大于雪崩击穿电压时，当外加反偏压大于雪崩击穿电压时，N N+P P结将发生雪崩击穿。结将发生雪崩击穿。雪崩区的电场强度由于带电粒子浓度很大而降低到很低的程度，雪崩区的电场强度由于带电粒子浓度很大而降低到很低的程度，而雪崩区右侧而雪崩区右侧P P区的电场强度将迅速增大；如果这时再加大管区的电场强度将迅速增大；如果这时再加大管子的偏压（约为击穿电压的二倍以上），右侧增大的电场强度子的偏压（约为击穿电压的二倍以上），右

20、侧增大的电场强度将可以达到击穿电场以上，因而再次引起雪崩击穿；将可以达到击穿电场以上，因而再次引起雪崩击穿；由于低电场下载流子的饱和漂移速度很小，而上述过程却由于低电场下载流子的饱和漂移速度很小，而上述过程却极快，因而雪崩载流子的漂移可以忽略，好像被俘获在雪崩区极快，因而雪崩载流子的漂移可以忽略，好像被俘获在雪崩区一样，管内形成俘获等离子状态，此时管内电场强度几乎为零，一样，管内形成俘获等离子状态，此时管内电场强度几乎为零，雪崩停止。此后，等离子体将以极低的速度逸出，外电路中将雪崩停止。此后，等离子体将以极低的速度逸出，外电路中将形成很大的脉冲电流。当等离子体全部逸出后，管内电场又恢形成很大的

21、脉冲电流。当等离子体全部逸出后，管内电场又恢复到初始分布状态。上述过程重复进行，便产生了周期性的脉复到初始分布状态。上述过程重复进行，便产生了周期性的脉冲电压和电流，形成了振荡。冲电压和电流，形成了振荡。17雪崩二极管 TRAPATTTRAPATT模式电流电压关系模式电流电压关系ABCDA A A点对应点对应 ，管子发生雪崩击穿，管子发生雪崩击穿，在开始一段时间内（从在开始一段时间内（从A A到到B B），），尚未触尚未触发起雪崩冲击波前，二极管相当于被充发起雪崩冲击波前，二极管相当于被充电，管子端压将升高；当管子处于相当电，管子端压将升高；当管子处于相当的过压状态时，立即触发起雪崩冲击波的过

22、压状态时，立即触发起雪崩冲击波前，迅速形成等离子体状态，二极管接前，迅速形成等离子体状态，二极管接近短路，并输出一个倒向的电压脉冲，近短路，并输出一个倒向的电压脉冲，这一过程在极短的时间内完成，相当于这一过程在极短的时间内完成，相当于从从B B到到C C；从从C C点开始，管子维持很大的点开始，管子维持很大的电流脉冲，直到电流脉冲，直到D D点；之后管子回到初始状态，完成俘越模的一个工作周期。点；之后管子回到初始状态，完成俘越模的一个工作周期。俘越模式的特点是在大电流条件下的一种电压崩溃现象，可俘越模式的特点是在大电流条件下的一种电压崩溃现象，可以看成一种高速开关：由高阻状态迅速转换成几乎短路

23、的低阻状以看成一种高速开关：由高阻状态迅速转换成几乎短路的低阻状态，从而将外加的直流电压变换成射频脉冲电压。态，从而将外加的直流电压变换成射频脉冲电压。18雪崩二极管 这种工作模式由于在等离子体逸出（即大电流流动）的那这种工作模式由于在等离子体逸出（即大电流流动）的那段时间里，电压维持在很低的水平，因而其效率很高。例如段时间里，电压维持在很低的水平，因而其效率很高。例如600600MHzMHz的俘越模振荡器，效率可达到的俘越模振荡器，效率可达到7575以上；在以上；在L L波段，脉冲波段，脉冲输出功率为输出功率为1 1KWKW时，效率可达时，效率可达6060。但是由于等离子体形成后，。但是由于

24、等离子体形成后，管内电场很低，所以等离子体逸出的速度很小，因此对于同一管内电场很低，所以等离子体逸出的速度很小，因此对于同一个二极管来说，其工作于俘越模的频率要远低于崩越模的频率。个二极管来说，其工作于俘越模的频率要远低于崩越模的频率。而且这种模式是工作在大电流状态下，其噪声比崩越模式要大。而且这种模式是工作在大电流状态下，其噪声比崩越模式要大。这种模式是这种模式是19671967年在实验室中发现的，它虽有效率高的优年在实验室中发现的，它虽有效率高的优点，但依靠一般的直流偏置要提供这种模式需要的电流密度是点，但依靠一般的直流偏置要提供这种模式需要的电流密度是很难办到的，必须采取特殊的措施，致使

25、电路复杂，不易实现。很难办到的，必须采取特殊的措施，致使电路复杂，不易实现。192.7 转移电子效应二极管转移电子效应二极管 转移电子效应二极管（转移电子效应二极管（Transfer Electron Diode）也称为体效应也称为体效应二极管和耿氏二极管（二极管和耿氏二极管（Gunn Diode），），其英文缩写为其英文缩写为TED。1961 1961年和年和19621962年相继发表的论文：部分电子从高的迁移率转移年相继发表的论文：部分电子从高的迁移率转移到低的迁移率状态，使电子漂移速度随电场增大而减小，从而产生到低的迁移率状态，使电子漂移速度随电场增大而减小，从而产生负阻，可实现微波振荡

26、和放大。负阻，可实现微波振荡和放大。1963 1963年，耿（年，耿（J.B.J.B.GunnGunn）在在N N型型GaAsGaAs半导体两端外加电压使内部半导体两端外加电压使内部电场超过电场超过3 3 时，产生了微波振荡。时，产生了微波振荡。由于其噪声远比雪崩二极管为低，也常被用作毫米波本振信号。由于其噪声远比雪崩二极管为低，也常被用作毫米波本振信号。202.7.1 结构结构 转移电子效应二极管N N型型GaAsGaAs半导体半导体N N型型GaAsGaAs转移电子器件结构转移电子器件结构欧姆接触金属欧姆接触金属 转移电子器件是无结器件，最常转移电子器件是无结器件，最常用的转移电子器件是一

27、片两端面为欧用的转移电子器件是一片两端面为欧姆接触的均匀掺杂的姆接触的均匀掺杂的N N型型GaAsGaAs半导体。半导体。通过研究发现通过研究发现InP半导体具有更半导体具有更大的负阻，而且可以工作于更高的频大的负阻，而且可以工作于更高的频率，因此率，因此InP半导体转移电子器件的半导体转移电子器件的研究和应用都有较快的发展。研究和应用都有较快的发展。2.7.2 工作原理与特性工作原理与特性 1 1转移电子器件的偶极畴转移电子器件的偶极畴 由于在电场作用下由于在电场作用下N N型型GaAsGaAs半导体内的电子从低能谷向高半导体内的电子从低能谷向高能谷转移产生负微分迁移率，使得能谷转移产生负微

28、分迁移率，使得N N型型GaAsGaAs半导体对外体现出半导体对外体现出微分负阻。这一负阻效应正是产生微波振荡和具有微波放大微分负阻。这一负阻效应正是产生微波振荡和具有微波放大作用的基础。作用的基础。21转移电子效应二极管 由于由于GaAsGaAs的杂质分布和电场分布不可能完全均匀，因此实际上的杂质分布和电场分布不可能完全均匀，因此实际上不可能在每部分同时超过阈值电场、同时降低电子运动速度，因此不可能在每部分同时超过阈值电场、同时降低电子运动速度，因此前述的静态特性一般是得不到的，通常要通过特殊的机制来实现动前述的静态特性一般是得不到的，通常要通过特殊的机制来实现动态特性，这一特殊机制就是偶极

29、畴，在转移电子器件内就是依靠偶态特性，这一特殊机制就是偶极畴，在转移电子器件内就是依靠偶极畴的产生和消失来形成微波振荡的。极畴的产生和消失来形成微波振荡的。（1 1）畴的生成）畴的生成 转移电子器件中偶极畴形成转移电子器件中偶极畴形成小于阈值电压小于阈值电压 未发生大量的电子转移，电子将在两电极间作均匀连续的漂移运动未发生大量的电子转移，电子将在两电极间作均匀连续的漂移运动电场分布是均匀的电场分布是均匀的 欧姆接触欧姆接触 阴极的金半结处于反偏阴极的金半结处于反偏阻值较大阻值较大 电场也稍强于半导体其它部分电场也稍强于半导体其它部分 大于阈值电压大于阈值电压 阴极附近的电场将首先超过阈值电场阴

30、极附近的电场将首先超过阈值电场 22转移电子效应二极管转移电子器件中偶极畴形成转移电子器件中偶极畴形成发生了电子的转移而进入负阻区发生了电子的转移而进入负阻区 平均漂移速度将减慢平均漂移速度将减慢 左侧的电场仍低于左侧的电场仍低于 电子快速向阳极运动电子快速向阳极运动 电子积累层电子积累层 右侧的电场仍低于右侧的电场仍低于 电子快速向阳极运动电子快速向阳极运动 正的空间电荷正的空间电荷（电子耗尽层）（电子耗尽层）负阻区的两侧形成了具有正负电荷的对偶极层，负阻区的两侧形成了具有正负电荷的对偶极层，偶极畴偶极畴 偶极层形成与外加电场方向相同的一偶极层形成与外加电场方向相同的一个附加电场，致使畴内部

31、的电场比畴个附加电场，致使畴内部的电场比畴外高得多，所以也称这个畴为外高得多，所以也称这个畴为高场畴高场畴。外加电压是一定的，畴内电场高，必外加电压是一定的，畴内电场高，必然伴随着畴外电场的降低，外加电压然伴随着畴外电场的降低，外加电压大部分降落在高场畴上，大部分降落在高场畴上，只能形成一个偶极畴只能形成一个偶极畴 23转移电子效应二极管转移电子器件中偶极转移电子器件中偶极畴长大、成熟畴长大、成熟（2 2）畴的长大）畴的长大 在阴极附近生成的畴最初只是一个小在阴极附近生成的畴最初只是一个小“核核”，在电场的作用下，在电场的作用下，“核核”将从阴极向阳极运动，由于畴内是慢电子而畴外是快电子，将从

32、阴极向阳极运动，由于畴内是慢电子而畴外是快电子，因此随着畴的运动堆积的对偶电荷越来越多，这样畴将逐渐因此随着畴的运动堆积的对偶电荷越来越多，这样畴将逐渐“长大长大”。随着畴的长大，畴内电场越来越高，而畴外电场越来越低，因此畴随着畴的长大，畴内电场越来越高，而畴外电场越来越低，因此畴内电子是在加速的、而畴外电子是在减速的。内电子是在加速的、而畴外电子是在减速的。这一过程一直继续到畴内电子的平均运这一过程一直继续到畴内电子的平均运动速度与畴外电子的平均运动速度相等为止，动速度与畴外电子的平均运动速度相等为止，这时畴就不再长大，称为这时畴就不再长大，称为成熟畴或稳态畴成熟畴或稳态畴。畴核由生成到成熟

33、所需的时间称为畴畴核由生成到成熟所需的时间称为畴的生长时间的生长时间 。24转移电子效应二极管偶极畴消失偶极畴消失（3 3）畴的渡越与消失）畴的渡越与消失 成熟后的偶极畴将继续以一定的速度向阳极渡越，到达阳极成熟后的偶极畴将继续以一定的速度向阳极渡越，到达阳极后将被阳极吸收而消失，这段时间称为后将被阳极吸收而消失，这段时间称为畴的渡越时间畴的渡越时间 畴消失后半导体内电场恢复到没有形成畴的原始状态，电子畴消失后半导体内电场恢复到没有形成畴的原始状态，电子的平均运动速度也恢复到原始的快电子状态。的平均运动速度也恢复到原始的快电子状态。从畴到达阳极到畴完全消失的时间称为从畴到达阳极到畴完全消失的时

34、间称为畴的消失时间畴的消失时间 ，或，或称为称为介质的驰豫时间介质的驰豫时间。一个偶极畴消失后，如果器件的端压仍然一个偶极畴消失后，如果器件的端压仍然维持在阈值电压以上，将在阴极附近再生成一维持在阈值电压以上，将在阴极附近再生成一个偶极畴，重复上述过程。个偶极畴，重复上述过程。25转移电子效应二极管转移电子器件中电子平均转移电子器件中电子平均漂移速度与时间关系漂移速度与时间关系abd（a）c a a点表示畴核形成，此后电点表示畴核形成，此后电子的平均运动速度将快速下降，子的平均运动速度将快速下降，直到畴成熟的直到畴成熟的b b点，从点，从a a点到点到b b点点所需时间即是畴的生长时间所需时间

35、即是畴的生长时间 ；b b点之后成熟的畴将向阳极点之后成熟的畴将向阳极渡越，维持较低的平均运动速渡越，维持较低的平均运动速度，直到度，直到c c点时畴到达阳极，点时畴到达阳极，bcbc段对应的时间即是畴的渡越时间段对应的时间即是畴的渡越时间 ；畴到达阳极后将很快被阳极吸收，随着畴的消失，电子平均运畴到达阳极后将很快被阳极吸收，随着畴的消失，电子平均运动速度将立刻上升到初始值，即从动速度将立刻上升到初始值，即从c c点到点到d d点，这段时间即是畴的点，这段时间即是畴的消失时间消失时间 。一般一般 和和 极短，因此整个周期近似为渡越时间极短，因此整个周期近似为渡越时间 26 称为渡越时间频率或固

36、有频率，在目前工艺水平下可作到微称为渡越时间频率或固有频率，在目前工艺水平下可作到微米量级，器件的固有频率可高达米量级，器件的固有频率可高达100100GHzGHz。但随着的减小，器件承但随着的减小，器件承受功率也就不可避免地减小。受功率也就不可避免地减小。转移电子效应二极管设器件有源区长度为设器件有源区长度为 ，畴的饱和漂移速度为，畴的饱和漂移速度为 ，则有：，则有：如果在器件内部能生成成熟的偶极畴，要求如果在器件内部能生成成熟的偶极畴，要求:根据根据N N型型GaAsGaAs半导体材料的典型参数，可求得当：半导体材料的典型参数，可求得当：器件内部才能生成成熟的偶极畴，式中器件内部才能生成成

37、熟的偶极畴，式中 是器件的掺杂浓度。是器件的掺杂浓度。272 2转移电子器件的动态转移电子器件的动态 特性特性 如果器件两端加上交变电压时，将会对畴的产生和消失如果器件两端加上交变电压时，将会对畴的产生和消失产生影响。设这时器件端压为（直流偏压产生影响。设这时器件端压为（直流偏压 为为0 0）：）：转移电子效应二极管（1 1）当器件两端电压从零开始上升）当器件两端电压从零开始上升 转移电子器件的电压电流关系转移电子器件的电压电流关系0FEDCBA 电流最初应是按直线增加电流最初应是按直线增加,A A点对应端压为点对应端压为 ，这时偶极，这时偶极畴形成并很快成熟。畴形成并很快成熟。电子平均漂移速

38、度迅速下电子平均漂移速度迅速下降，外电路电流也突然下降。降，外电路电流也突然下降。28 如果器件端压继续增大，开始会引起畴内电场如果器件端压继续增大，开始会引起畴内电场 及畴外电场及畴外电场 都增大，但根据畴内负阻区的速度都增大，但根据畴内负阻区的速度-电场特性，电场特性，增大将使慢增大将使慢电子更多，畴内电子平均漂移速度将减小；而电子更多，畴内电子平均漂移速度将减小；而 增大将使畴外电增大将使畴外电子的平均漂移速度提高。子的平均漂移速度提高。因此破坏了畴内外原有的平衡，偶极畴将长得更大，畴内电因此破坏了畴内外原有的平衡，偶极畴将长得更大，畴内电场进一步升高以提高畴内电子平均漂移速度，畴外电场

39、又会因的场进一步升高以提高畴内电子平均漂移速度，畴外电场又会因的升高而降低，畴外电子将减速以达到新的平衡。升高而降低，畴外电子将减速以达到新的平衡。这样，外加电压的增大转这样，外加电压的增大转移为畴电压的增大，而器件内移为畴电压的增大，而器件内部的电子平均漂移速度是减小部的电子平均漂移速度是减小的，导致平均电流缓慢减小，的，导致平均电流缓慢减小，直到电子的平均漂移速度（即直到电子的平均漂移速度（即是平均电流）达到最小值是平均电流）达到最小值C C点。点。这反映了器件的负阻特性。这反映了器件的负阻特性。转移电子效应二极管转移电子器件的电压电流关系转移电子器件的电压电流关系0FEDCBA29转移电

40、子效应二极管 从从C点开始，如果器件端压进一步增大，电流会缓慢增加，点开始，如果器件端压进一步增大，电流会缓慢增加，如如CD段所示。段所示。（2 2）如果器件端压从）如果器件端压从D D点开始由大变小点开始由大变小 直到直到B B点以前，由于畴一直存在，因此电流会按照点以前，由于畴一直存在，因此电流会按照DCBDCB路径逆向变化。路径逆向变化。转移电子器件的电压电流关系转移电子器件的电压电流关系0FEDCBA 从从B B点再进一步降低器件端压，点再进一步降低器件端压，虽然端压已经降到阈值电压虽然端压已经降到阈值电压 之之下，但电流并不会直接跃升到下，但电流并不会直接跃升到A A点点:原因是此时

41、畴并没有消失。原因是此时畴并没有消失。因为在存在偶极畴的情况下器件因为在存在偶极畴的情况下器件内的电场分布并不均匀，畴内电内的电场分布并不均匀，畴内电场高而畴外电场低，外加电压虽场高而畴外电场低，外加电压虽然已经小于阈值电压，但畴内电然已经小于阈值电压，但畴内电场仍然高于阈值电场，因此畴仍场仍然高于阈值电场，因此畴仍然能够维持然能够维持.30转移电子效应二极管 器件内电子的平均漂移速度（即是平均电流）不会很快提高，器件内电子的平均漂移速度（即是平均电流）不会很快提高，直到端压下降到能维持畴的最小电压直到端压下降到能维持畴的最小电压 ，称为畴的维持电压。称为畴的维持电压。对应曲线对应曲线2-76

42、2-76的的E E点，因此在这一过程中电流将沿点，因此在这一过程中电流将沿BEBE段变化。段变化。端压再降到端压再降到E E点以下，这时畴将消失，电流立即由点以下，这时畴将消失，电流立即由E E点跃升到点跃升到F F点。点。由于由于F F点对应端压在以下，因此不会再形成偶极畴，直到端压再点对应端压在以下，因此不会再形成偶极畴，直到端压再上升到。这样完成了外电压的一个完整周期。上升到。这样完成了外电压的一个完整周期。2.7.3 2.7.3 等效电路等效电路 整个器件内偶极畴区呈现负微分迁移率，是负阻区；而畴整个器件内偶极畴区呈现负微分迁移率，是负阻区；而畴外呈现低能谷的迁移率，是正阻区。外呈现低

43、能谷的迁移率，是正阻区。转移电子器件的管芯等效电路可表示为下图所示：转移电子器件的管芯等效电路可表示为下图所示：31转移电子效应二极管转移电子器件等效电路及电路符号转移电子器件等效电路及电路符号 由畴外小信号电导由畴外小信号电导 和和畴内小信号电导畴内小信号电导 串联而得，串联而得，和和 是畴外的微分电导和是畴外的微分电导和静态电容，静态电容，和和 是稳态畴是稳态畴的微分电导和静态电容。的微分电导和静态电容。结论：结论：负阻值比正阻值大几十倍负阻值比正阻值大几十倍 322.8 结型晶体管结型晶体管 晶体管分为两大类，一类为晶体管分为两大类，一类为结型晶体管结型晶体管，另一类是，另一类是场效应晶

44、场效应晶体管体管。两类虽然都叫做晶体管，但其工作原理是不同的。两类虽然都叫做晶体管，但其工作原理是不同的。结型晶结型晶体管也称为双极型晶体管、双极结晶体管（体管也称为双极型晶体管、双极结晶体管（Bipolar-Junction Bipolar-Junction TransistorTransistor），），习惯上称作晶体管或晶体三极管，英文简称为习惯上称作晶体管或晶体三极管，英文简称为BJTBJT。由于它的低成本结构、相对较高的工作频率、低噪声性能及由于它的低成本结构、相对较高的工作频率、低噪声性能及高功率容量，高功率容量，BJTBJT是目前最广泛运用的射频有源器件之一。其名是目前最广泛运用

45、的射频有源器件之一。其名称的由来是由于在这类晶体管中有两种极性的载流子称的由来是由于在这类晶体管中有两种极性的载流子-电子和空电子和空穴都参与器件的工作。本节介绍结型晶体管的工作原理、结构和穴都参与器件的工作。本节介绍结型晶体管的工作原理、结构和等效电路、特性等效电路、特性 33结型晶体管 2.8.1 2.8.1 工作原理工作原理 尽管反向偏压可以很大，流过的电流总是很小的，因为尽管反向偏压可以很大，流过的电流总是很小的，因为反向电流是由反向电流是由P P、N N区的少子形成的。区的少子形成的。1 1基本工作过程基本工作过程 P PN NP PN N正、反向偏压正、反向偏压PNPN结结 如果如

46、果PNPN结加上的是正向偏压，即使电压较小，也可产生较结加上的是正向偏压，即使电压较小，也可产生较大电流。大电流。这时这时P P区中的空穴区中的空穴注入到注入到N N区，产生少子区，产生少子注入，使注入，使N N区空间电荷区空间电荷区边界处的空穴浓度区边界处的空穴浓度大大提高，可见少子大大提高，可见少子注入是增加注入是增加N N区空穴浓区空穴浓度的一种手段。度的一种手段。34结型晶体管 PPNPNPPNP型双极晶体管结构型双极晶体管结构WECB 将两个将两个PNPN结的结的N N区结合成一块，而且使合成后的区结合成一块，而且使合成后的N N区较薄，区较薄，薄到它的宽度可以比注入空穴的扩散长度小

47、很多，则由左方薄到它的宽度可以比注入空穴的扩散长度小很多，则由左方正偏正偏PNPN结注入到结注入到N N区的空穴，可以被右方反偏区的空穴，可以被右方反偏PNPN结所结所“收集收集”。这样就构成了一个结型晶体管，称为这样就构成了一个结型晶体管，称为PNPPNP型晶体管型晶体管 左方的左方的PNPN结（正偏）叫发结（正偏）叫发射结，右方的射结，右方的PNPN结（反偏）叫结（反偏）叫收集结或集电结，左方的收集结或集电结，左方的P P区区叫发射区，右方的叫发射区，右方的P P区叫做收区叫做收集区或集电区，中间的集区或集电区，中间的N N区叫区叫基区，三个电极分别称为发射基区，三个电极分别称为发射极（极

48、（E E）、）、集电极（集电极（C C）和基极和基极（B B）。）。35结型晶体管 晶体管的基本工作原理：晶体管的基本工作原理：在工作状态下，发射结的作用在于向基区提供少子，收集在工作状态下，发射结的作用在于向基区提供少子，收集结的作用在于收集从基区扩散过来的少子，结果是：发射结的结的作用在于收集从基区扩散过来的少子，结果是：发射结的电流能够控制集电结的电流。具体地说，在某一瞬间发射结注电流能够控制集电结的电流。具体地说，在某一瞬间发射结注入的空穴多，则集电结的电流就大；反之，发射结注入的空穴入的空穴多，则集电结的电流就大；反之，发射结注入的空穴少，集电结的电流就小。如果把一个信号加于发射结，

49、使发射少，集电结的电流就小。如果把一个信号加于发射结，使发射结电流随信号改变，则能在集电极的电流变化中把这个信号重结电流随信号改变，则能在集电极的电流变化中把这个信号重现出来。现出来。为保证这一控制过程顺利进行，其结构上的先决条件使基区为保证这一控制过程顺利进行，其结构上的先决条件使基区宽度宽度 小于少子扩散长度小于少子扩散长度 。如果三极管是由两层如果三极管是由两层N N区和一层区和一层P P区构成的区构成的NPNNPN结构，其工作结构，其工作原理与原理与PNPPNP管是完全类似的，区别仅在于发射结向基区注入的少管是完全类似的，区别仅在于发射结向基区注入的少子是电子。需要说明的是实际上常用的

50、微波双极晶体管是硅子是电子。需要说明的是实际上常用的微波双极晶体管是硅NPNNPN型。型。36结型晶体管 2 2能带模型能带模型 一般晶体管的发射区掺杂浓度大于基区掺杂浓度，基区的掺一般晶体管的发射区掺杂浓度大于基区掺杂浓度，基区的掺杂浓度大于集电区的掺杂浓度。杂浓度大于集电区的掺杂浓度。PNPPNP型双极晶体管能带结构型双极晶体管能带结构P P+P PN NEBEB结空结空间电荷间电荷区区BCBC结空结空间电荷间电荷区区P P+EBEB结空结空间电荷间电荷区区BCBC结空结空间电荷间电荷区区加工作电压之前加工作电压之前加工作电压之后加工作电压之后N NP P37结型晶体管 3.3.连接方式连