微波电子线路第二章上.ppt

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1、第2章 固态有源微波元器件,本章主要介绍广泛应用于微波电子线路的各种固态有源微波元器件，主要包括属于微波二极管的PN结管、肖特基结管、变容管、阶越恢复管、雪崩管、体效应管、PIN管等，属于微波三极管的双极晶体管及异质结管、场效应管以及高电子迁移率晶体管等。它们是构成各种微波电子线路功能组件，如微波混频器、微波变频器、微波放大器、微波振荡器和微波控制电路的核心。,2.1 半导体基础,1.半导体的概念及分类,2.1.1 半导体基础,半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。,金属,半导体,绝缘体,半导体材料的特性参数,微波器件的分类,电子迁移率、空穴迁移率、带隙、雪崩电场,二极管、三端晶体管

2、,半导体基础,2.半导体共价键模型和能带模型,共价键模型能够直观地说明半导体所具有的很多性质，但不能作深入的定量讨论，而能带模型可以使我们对于半导体的理解比较深入，因此一般要综合运用两种模型来展开讨论。,金刚石结构,原子,共价键,GaAs,一个Ga原子由位于正四面体的四个顶角的As原子包围着，而一个As原子也由位于正四面体的四个顶角的Ga原子包围着，但形成四个共价键的八个电子三个来自于III族原子，五个来自于V族，形成键的两个电子在原子间的分布并非完全对称，偏向于两个原子中的一个，含有“离子键”的成分。,半导体基础,从原子模型可以知道，核外每个电子的能量都不是任意的，而是只能取一系列分立的确定

3、值，不同的轨道对应不同的能量。,电子能量只能取一系列分立值的这种特征叫做电子能量“量子化”，量子化的能量值称为“能级”，把能级用一段横线表示，按能量由小到达，把能级从下往上排列起来，即可构成原子中电子的能级图。,价带：温度为绝对零度时，电子的能量较 低，都位于低能带上，而且恰好把 低能带填满；导带：能量较高的能带；禁带：这两个能带之间存在着空隙，在空 隙所占的能量范围内，是不存在 任何电子的能量状态的。,半导体基础,3.半导体的本征激发,完整的共价键,无电流,电中性,q电子移动,出现q电荷,电场,电流,这一空位可以看作是一个带有电量的粒子，称为“空穴”,自由电子和空穴统称为“载流子”,“本征激

4、发”：原来束缚在键上的电子接受了足够的能量之后，挣脱约束形成一个自由电子和一个空穴电子-空穴对的过程,半导体基础,激发能量：金刚石为5.47eV，硅为1.12eV，而锗为0.66eV,相同能量下不同材料中本征载流子（由本征激发所产生的载流子，自由电子与空穴成对出现）的浓度就不同，材料的电阻率也就不同，金刚石可达，而锗只有，可见绝缘体与半导体并没有本质区别。,“复合”：如果一个自由电子和一个空穴在移动中相遇，或者说一个挣脱了键的束缚的电子，又正好落到一个键上电子的空位上去，就会造成一对自由电子和空穴同时消失。,半导体激发的能带示意图,研究证明只有当能带中填有电子，而又未被电子填满时，半导体具有导

5、电能力。,半导体基础,设 和 为半导体中热平衡状态下电子和空穴的浓度，它们遵从费米（Fermi）统计而有：,引入符号 表示本征情况下的费米能级:,在本征激发状态下，用 表示本征浓度，,这一关系也被当作动态平衡条件成立的标志。,半导体基础,4.掺杂,杂质电离所需的能量仅为0.044eV，比室温下硅本征激发所需能量1.12eV低的多，电子称为“多数载流子”，简称为“多子”，空穴称为“少数载流子”，简称“少子”，以电子为多子的半导体，称为N型半导体，给出电子的杂质称为“施主”。,杂质硼原子电离能仅为0.045eV,“受主”,半导体基础,掺杂受主杂质能级图,导带底,价带顶,禁带,受主能级,掺杂受主后费

6、米能级,导带底,价带顶,费米能级,半导体基础,多子浓度与少子浓度满足反比关系：多子越多，少子就越少。一般都近似把室温下掺杂半导体中的多子浓度看作等于掺入的杂质浓度，即在N型半导体中（施主浓度），在P型半导体中（受主浓度），则N型半导体中与P型半导体中少子浓度分别为:,5.载流子的运动,载流子漂移与漂移电流,指由漂移运动产生的电流，电子和空穴的漂移电流密度可表示为：,均匀掺入杂质的半导体的导电特性服从欧姆定律，即流过半导体的电流强度正比于半导体两端的电压：,电子和空穴的“迁移率”,迁移率是单位电场强度下载流子的平均漂移速度，它反映了载流子在半导体内作定向运动的难易程度，其单位为 或。,在一定电场

7、强度范围内，迁移率是一个与电场强度无关的常数，当电场增大到一定程度以后，迁移率将随着电场增加而下降，载流子漂移速度也将趋近于饱和值。,半导体基础,载流子扩散与扩散电流,微粒自动从高浓度的地方向低浓度的地方迁移的现象称为“扩散”，它也是微粒的一种定向运动，可称之为“扩散流”。这种载流子的扩散运动将形成电荷的迁移，这就是“扩散电流”。,D 称为扩散系数，表达了扩散的程度。,半导体基础,漂移和扩散的关系,迁移率 反映了半导体中载流子在电场作用下定向运动的难易程度，而扩散系数 反映了载流子扩散的本领大小。,爱因斯坦关系,半导体基础,1.PN半导体的接触电势差与势垒,2.1.2 PN结,半导体基础,在同

8、一块半导体中，一部分呈现P型，另一部分呈现N型，P型区与N型区的边界及其附近的很薄的过渡区即称为PN结，它是许多半导体器件的核心部分。,位置不能自由移动的电离杂质在“结”的两侧附近形成了带异性电荷的“空间电荷层”，将产生“内建电场”，此电场的方向为由N指向P。,半导体基础,半导体基础,2.PN结的整流特性,使问题简化的假设：,假设外加电压全部用来改变势垒高度，即外加电压全部降落在空 间电荷区。在空间电荷区以外的半导体中性区内，电压降为0，电场强度为0。因此在空间电荷区之外，载流子只做扩散运动。,在空间电荷区内，无载流子的复合与产生。即当电流流过PN结时，流过空间电荷区两个边界的电子数与空穴数不

9、因经过空间电荷区 而改变。,在正向电压下，注入到对方的少子，比该区平衡状态下的多子少 的多，即是满足通称的“小注入条件”。,当PN结加上正向偏压 时（即P端接外电源的正极，N端接外电源的负极）,半导体基础,半导体基础,当PN结加上正向偏压 时（即P端接外电源的正极，N端接外电源的负极）,PN结的“正向导通状态”,PN结的理想“伏安特性（特性）方程”,当PN结加上反向偏压 时（即P端接外电源的负极，N端接外电源的正极）,半导体基础,当PN结加上反向偏压 时（即P端接外电源的负极，N端接外电源的正极）,这种非线性关系也称为“整流特性”,半导体基础,3.PN结的电容效应,PN结的电容效应有两种：势垒

10、电容和扩散电容,（1)PN结的电荷、电场及电势分布,按照制作工艺的不同，PN结可以分为两种：突变结与缓变结。,空间电荷区的电荷密度的分析一般采用“耗尽层模型”，,半导体基础,根据PN结空间电荷区的电荷密度可以得出其内电场强度与电势的分布。欲求空间电荷区的电场及电势分布，可以采用一维的泊松（Poisson）方程。,半导体基础,根据突变结的空间电荷密度分布，可以求得N区和P区的电势分布规律为：,因此空间电荷区两端之间的电势差为：,空间电荷区的总宽度为：,突变结一侧为重掺杂时，为：,半导体基础,在结处电场强度最大，从结至空间电荷区边界，电场线性减小到零。根据电场曲线下的面积代表电压的原理，对于掺杂浓

11、度不同的PN结来说，电压主要降落在轻掺杂一侧的空间电荷区内，即对P+N结，电压主要降落在N区一侧空间电荷区，而对N+P结，电压主要降落在P区一侧空间电荷区。,半导体基础,（2)PN结的势垒电容,设用 来代表PN结空间电荷区的正、负电荷量：,半导体基础,（3)PN结的扩散电容,PN结在正向偏置下有少子注入效应，在空间电荷区两侧的少子扩散区内存在着少子电荷的积累，这一部分电荷也与外加电压有关，存在着电容效应。,PN结的总电容 是势垒电容 与扩散电容 之和：,正偏时，由于 通常远大于，故；而反偏时，由于结边界附近空间电荷区的少子浓度随反偏电压变化很小，故反偏时扩散电容极小，通常可以忽略，此时有。,半

12、导体基础,4.PN结的击穿,PN结的击穿有两种情况：电击穿和热击穿。电击穿又可分为两种类型：一种称作“雪崩击穿”，另一种称为“齐纳”击穿，也叫“隧道击穿”。,（1)雪崩击穿,反向电压,电场强度,载流子速度,动能变大,碰撞电离,继续加速,碰撞电离,反向电流增大,这种载流子倍增的现象与自然界的雪崩过程相似，称之为PN结的“雪崩击穿”现象，对应的反向电压称为“雪崩击穿电压”。,（2)齐纳击穿,半导体基础,对于重掺杂的PN结，由于空间电荷区的电荷密度大，所以空间电荷区很薄，因而不太高的反向电压，就能在空间电荷区内形成很大的电势梯度（电场强度）。有可能使价带中的电子激发到导带，称为内部场致发射。由于这种

13、效应也使反向电流大大增加，称之为“齐纳击穿”，也叫做“隧道击穿”或“软击穿”。,（3)热击穿,当反向电压较高，反向电流也较大时，耗散在PN结上的功率较大，引起PN结温度升高。而结温升高，又使阻挡层内热激发载流子浓度增大，反向电流进一步增大，如果散热不良，结温将继续上升。如此恶性循环，将引起反向电流急剧增大，导致PN结击穿。,2.1.3 金属与半导体的肖特基接触,半导体基础,肖特基接触:是一种金属与半导体的接触（简称金半接触）形式，在某些情况下它可以具有非对称的导电特性，其关系与PN结的类似。这一类接触是某些半导体器件的基本组成部分，其工作特性使得它在射频及微波领域获得了广泛应用。,1.金半接触

14、的接触电势差肖特基（Schottky）势垒,金半接触的特性与半导体的导电类型（N型或P型）以及金属和半导体的“逸出功”的相对大小有关。逸出功:使电子从材料（半导体或金属）体内进入真空所必须赋予电子的能量。确切地说：功函数表示恰好使一个电子从材料的费米能级进入材料外表面真空中，且处于静止状态（动能为0）所需的能量。,半导体基础,当金半发生接触而无外加电压、处于平衡状态时，应有统一的费米能级，这与PN结的情形一样，也是靠在金属与半导体之间的电子转移，而形成内建电势差接触电势差来实现的。,（1)金属与N型半导体形成金半接触,金属的功函数大于半导体的功函数:,半导体基础,当金属与N型半导体接触时，若，

15、在半导体表面处形成正的空间电荷区，电场方向由半导体体内指向表面，即半导体表面电势较体内为低。若半导体体内电势为0，半导体表面电势用 代表，则有，这时半导体表面电子势能高于体内，能带向上弯曲形成表面势垒，表面处由于电子逸出而使浓度较体内为小。,金属的功函数小于半导体的功函数:,金属带正电、半导体带负电，电场方向由金属指向半导体，半导体表面电势高于体内电势，半导体表面处电子势能较体内为低，能带向下弯曲。,半导体基础,（2)金属与P型半导体形成金半接触,金属与P型半导体形成金半接触的情形正好与N型相反，当 时，形成反阻挡层，而 时，形成阻挡层。,2.金半接触的整流特性,以金属与N型半导体接触构成金半

16、结、而且 的情况为例说明金半接触的整流特性。,（1)金半结两端施加正向偏压V（即金属端接外电源的正极，而N型半 导体端接外电源的负极）,“正向导通”,金半结的理想“伏安特性（特性）方程”为：,半导体基础,（2)金半结两端施加正向偏压V（即金属端接外电源的负极，而N型半 导体端接外电源的正极）,不同之处：导通电压较低、正向压降较小、正反向电流较大、反向耐压较低及较强的非线性程度。由于特性曲线较陡，因此在同样偏压下具有较小的结电阻，而且当外加大信号交流电压时可导致微分电导（）有较陡的变化。,半导体基础,3.金半接触的电容效应,金半接触结可以看作是单边突变结，因此根据求PN结空间电荷区宽度所使用的方

17、法，求出金半（N型）接触结半导体一侧的势垒区宽度与偏压的关系为:,（1)势垒电容,（2)扩散电容,金半接触结（MN结）的正向电流是从N型半导体流向金属的电子电流，是多子电流，它不存在少子积累的问题，因而也就不存在扩散电容效应，这是金半结与PN结的显著区别。,PN结的“大”电容限制了PN结开关速度的提高，导致其导电特性的改变来不及跟上外加高频交流电压的变化；而金半结的电容远较PN结为小，可大大减小对正偏非线性电阻的旁路作用，“开关”特性好，这是以金半结为基础构成的半导体元件在射频和微波领域获得广泛应用的主要原因所在。,4.金半接触的击穿,金半结势垒区宽度较薄，反向击穿电压比PN结低，因此不能承受

18、大的功率。,半导体基础,2.1.4 金属与半导体的欧姆接触,半导体基础,金属引线与半导体的接触只能是没有整流特性的接触，或者说接触应该具有对称的、线性的特性，同时还要求接触电阻尽可能小，我们把这样一种接触称为“欧姆接触”。没有良好的欧姆接触，器件性能就发挥不出来。,构成欧姆接触：在欲形成欧姆接触的N型（或P型）半导体上先形成一层重掺杂N（或P）层，然后再与金属接触，即为金属-N-N或金属-P-P结构。,半导体基础,金属与重掺杂半导体接触时，金半接触在半导体内形成的势垒层（或称阻挡层）的厚度会很薄。对于金属和半导体两侧的电子来说，这样薄的势垒区几乎是透明的，即两侧电子可以不需越过势垒而是通过隧道

19、效应“钻”到对方去。由于势垒高度较低，结的空间电荷区也较窄，不能认为空间电荷区处于“耗尽”状态，因而也就不是高阻区。当其上施加偏压时，外加电压就不是降落在空间电荷区，而是降落在结两侧的半导体上。多数载流子在NN结之间可以认为是不受阻碍地自由流动。这样，金属-N-N结构就体现出了欧姆性的关系。,半导体基础,2.1.5 N型砷化镓（GaAs）半导体特性,N型砷化镓（GaAs）半导体材料（或其它III-V族及II-VI族化合物，如磷化铟InP、碲化镉CdTe、硒化锌ZnSe等具有相似特性）在射频和微波频段获得了广泛应用，可作为微波毫米波放大、振荡等器件的核心，也是目前最广泛采用的微波毫米波集成电路的

20、基板材料。,1.N型砷化镓（GaAs）的能带结构,N型GaAs的能带具有特殊结构，在它的导带中电子有两种能量状态，电子除了位于具有极小能量值的中心能谷外，还可以在子能谷中存在，子能谷的能量比中心能谷为高，称为“高能谷”，相比较于子能谷，中心能谷称为“低能谷”，称为“双谷结构”。,半导体基础,研究和实验已经证明：,在300K时，导带底和价带顶之间的禁带宽度约为1.43 eV，而导带中高低能谷的能量差约为0.36eV；,低能谷中的电子有效质量约为，是电子的 重力质量（），它的迁移率为：,高能谷中的电子有效质量约为，它的迁移率为,高低能谷的能态密度差别极大，高能谷的能态密度是低能 谷的约60倍。,半

21、导体基础,“电子转移效应”的一些特性：,低能谷中的电子是“轻”电子及“快”电子，而高能谷中的电子 是“重”电子及“慢”电子；,在室温下（），电子的平均热动能为，要远小于高低能谷的能量差，因而电子基本处于低能谷，只有 当外加足够高的电压以产生足够高的电场强度时，电子才可能 获得足够大的动能跃迁到高能谷上去；,由于禁带宽度远大于高低能谷的能量差，故在电子跃迁过程 中一般不会发生雪崩击穿；,由于高低能谷的能量差较小，在较低电压下（一般小于10V）就能使电子开始发生跃迁；,低能谷中的电子在获得足够大的能量时可以全部跃迁到高能 谷中去，同时也保证了处在高能谷中的电子，在能量未减小 时反跃迁回低能谷的概率

22、很小。,半导体基础,2.N型砷化镓的速度-电场特性和 特性,（1),电子平均漂移速度为：,相应的电流密度为：,（2),当外加电压继续增大，材料内电场也不断加强，将有一部分电子从电场获得大于0.36eV的能量，开始由低能谷向高能谷转移，从快电子变成慢电子，直到电场足够高使电子全部跃迁到高能谷中时为止。,半导体基础,半导体基础,在峰点和谷点间的这段曲线上任一点的斜率均为负值：,负微分迁移率段：,材料的微分电导率：,半导体基础,半导体基础,（3),当电场大于 时，低能谷中的电子已经全部转移到高能谷：,可见电子平均漂移速度及电流密度又与外加电场呈线性正比关系。电场已经大于，电子漂移速度趋于饱和，所以曲

23、线不再线性上升而是趋于平坦。,半导体基础,半导体基础,具有电子转移效应并因此而出现负微分电导率的半导体材料，一般要满足下列要求：,导带具有多能谷结构，且高能谷的电子迁移率应远小于低 能谷的电子迁移率。,高能谷的能量必须比低能谷的能量高几个，即高低能谷能 量差要远大于电子在低能谷时的热运动动能，这样才能保 证在无外电场时电子处于低能谷。,禁带宽度应大于高低能谷的能量差，否则会因击穿所引起 的电流增大而掩盖了谷间电子转移所引起的负微分电导现 象。,半导体基础,磷化铟（InP）等其它几种半导体材料正是由于也具有这样的能带结构而体现了电子转移造成的负阻。以InP为例，其电子转移进行得比GaAs还快，因而峰-谷电流比较高，负微分迁移率也较大，,半导体基础,2.1.6 异质结,由两种不同的半导体材料构成的结。,由于两块半导体材料的介电常数不同，在交界处电场将不连续。同样由交界面两边的泊松方程可以分别解得P型半导体一侧的内建电势差为，N型半导体一侧的内建电势差为，相应能带弯曲量在P型一侧为，N型一侧为，在交界面处是不连续的，有一个突变，从而出现尖峰及凹口。,半导体基础,凡是有不同禁带宽度的P型和N型材料构成的异质结，都称为反型异质结；而由不同半导体材料构成的NN和PP结，称为同型异质结。,第二章,