微波電子線路第二章下

2.6雪崩二極管

雪崩二極管是碰撞雪崩渡越時間二極管（IMPATT二極管),它利用管內雪崩電流滯后效應和渡越時間效應使其對外呈現(xiàn)負阻，它是構成微波固態(tài)振蕩器和功率放大器的重要核心元件，尤其是在毫米波波段更是占據(jù)主導地位。1958年,貝爾實驗室的里德,提出最初理論；1965年，首次報道了實驗結果；

2.6.1結構

N+PIP+里德二極管模型及反偏電場分布最初的里德雪崩二極管模型采用了N＋PIP＋結構，目前廣泛采用的其它結構形式還有P+NN+、N+PP+、P+NIN+和P+PNN+（稱為雙漂移區(qū)結構）等類型。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!雪崩二極管

2.6.2工作原理及特性參量

僅以里德提出雪崩管負阻效應時的基本N＋PIP＋結構為例討論

雪崩管的特性及工作原理，其它結構是完全類似的。1.雪崩管特性N+PIP+里德二極管模型及反偏電場分布當兩端加上反向偏壓時，對于重摻雜的N+和P+區(qū)，由于其電阻很低，電場強度幾乎為零；在本征半導體I層內，電場均勻分布，大致為一常數(shù)，其值大于重摻雜區(qū)；對于N+P結，由于處于反偏狀態(tài)，因此該處電場強度最大，空間電荷區(qū)主要處在P區(qū)。當反偏壓不斷增大時，此電場分布曲線將整體上移，同時空間電荷區(qū)將展寬到占滿全部P區(qū)。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!雪崩二極管

當反偏壓增加到某一數(shù)值時，將使得N+P結處的電場強度首先達到擊穿電場（，不同材料有所不同）發(fā)生雪崩擊穿，迅速產生大量的電子-空穴對，稱這時的電壓為二極管的雪崩擊穿電壓，其值約在20～100左右。在穩(wěn)定的雪崩擊穿狀態(tài)下，電子-空穴對將按照指數(shù)規(guī)律增加，產生的電子將很快被接于N+層的正極所吸收，而空穴將向負極渡越。由于里德雪崩二極管的P區(qū)很薄，可以認為空穴幾乎無延遲地注入I區(qū)（稱為漂移區(qū)），以恒定的飽和漂移速度（對硅半導體約為）向負極渡越，形成空穴電流。

適當?shù)乜刂茡诫s濃度，可以使得電場的分布在N+P結處形成相當尖銳的峰值，從而可以限制雪崩擊穿在一個很窄的區(qū)域內發(fā)生。

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2.工作原理（1）雪崩電離效應

當雪崩管兩端在反向擊穿直流電壓上再疊加一個交流信號時，雪崩管兩端的總電壓可表示為：交流電壓的正半周內：

雪崩發(fā)生，N+P結處形成穩(wěn)定的雪崩擊穿狀態(tài)，雪崩空穴電流將按照指數(shù)規(guī)律增加；當外加電壓越過最大值下降時，由于剛才雪崩倍增已產生的大量電子、空穴依然參加碰撞，因此總效果是雪崩空穴流繼續(xù)上升，直到外電壓正半周結束。交流電壓的負半周內：

總端壓小于擊穿電壓，雪崩將停止，但雪崩空穴流不會立即停止，只能按指數(shù)衰落。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!雪崩二極管

（2）渡越時間效應在電場的作用下，雪崩產生的空穴電流將注入漂移區(qū)并向負極渡越，直到空穴流到達負極為止。當這一電流以飽和漂移速度在漂移區(qū)渡越時，外電路中將產生感應電流，它與管內運動電荷的位置無關，只取決于運動速度，而且只要雪崩空穴流在管內開始流動，外電路上就開始有感應電流，理想情況下是一個矩形波。I層本征漂移區(qū)的長度為飽和漂移速度為雪崩脈沖電流經過漂移區(qū)的渡越時間:合理設計漂移區(qū)的長度以控制空穴流渡越時間，可使管子渡越時間與外加交變電壓的周期的關系為，這時對應的頻率即稱為漂移區(qū)的特征頻率：微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!雪崩二極管

3.特性參量（1）工作頻率范圍如果感應電流相對于外加交變電壓的總相位差不正好為，只要能分離出一個負阻分量，就有可能產生射頻振蕩雪崩管有一定的調諧范圍雪崩電流、感應電流和交變電壓的關系微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!雪崩二極管

如果總相位滯后大于，雪崩管同樣不能分離出負阻分量，由此可確定雪崩管的上限截止頻率。設雪崩滯后相位約等于，如果外加交變電壓的周期不是正好的，則工作頻率，總可以分離出與交變電壓的反相分量上限截止頻率為微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!雪崩二極管

2.6.3等效電路雪崩管有源區(qū)的阻抗為：雪崩二極管管芯等效電路為工作頻率下雪崩區(qū)的阻抗為漂移區(qū)的阻抗為雪崩區(qū)長度；為雪崩區(qū)諧振頻率，決定了雪崩電流相位滯后角度，僅與直流電流的平方根成正比。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!雪崩二極管

2.6.4其它雪崩管結構及工作模式簡介多是P+NN+和N+PP+結構P+NN+P+NN+雪崩管模型及電場分布雪崩區(qū)1.實用結構雪崩管2.雙漂移區(qū)雪崩管P+NN+雙漂移區(qū)雪崩管模型及雜質、電場分布雪崩區(qū)P微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!雪崩二極管

當外加反偏壓大于雪崩擊穿電壓時，N+P結將發(fā)生雪崩擊穿。雪崩區(qū)的電場強度由于帶電粒子濃度很大而降低到很低的程度，而雪崩區(qū)右側P區(qū)的電場強度將迅速增大；如果這時再加大管子的偏壓（約為擊穿電壓的二倍以上），右側增大的電場強度將可以達到擊穿電場以上，因而再次引起雪崩擊穿；由于低電場下載流子的飽和漂移速度很小，而上述過程卻極快，因而雪崩載流子的漂移可以忽略，好像被俘獲在雪崩區(qū)一樣，管內形成俘獲等離子狀態(tài)，此時管內電場強度幾乎為零，雪崩停止。此后，等離子體將以極低的速度逸出，外電路中將形成很大的脈沖電流。當?shù)入x子體全部逸出后，管內電場又恢復到初始分布狀態(tài)。上述過程重復進行，便產生了周期性的脈沖電壓和電流，形成了振蕩。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!雪崩二極管

這種工作模式由于在等離子體逸出（即大電流流動）的那段時間里，電壓維持在很低的水平，因而其效率很高。例如600MHz的俘越模振蕩器，效率可達到75％以上；在L波段，脈沖輸出功率為1KW時，效率可達60％。但是由于等離子體形成后，管內電場很低，所以等離子體逸出的速度很小，因此對于同一個二極管來說，其工作于俘越模的頻率要遠低于崩越模的頻率。而且這種模式是工作在大電流狀態(tài)下，其噪聲比崩越模式要大。這種模式是1967年在實驗室中發(fā)現(xiàn)的，它雖有效率高的優(yōu)點，但依靠一般的直流偏置要提供這種模式需要的電流密度是很難辦到的，必須采取特殊的措施，致使電路復雜，不易實現(xiàn)。

微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!2.7.1結構轉移電子效應二極管N型GaAs半導體N型GaAs轉移電子器件結構歐姆接觸金屬轉移電子器件是無結器件，最常用的轉移電子器件是一片兩端面為歐姆接觸的均勻摻雜的N型GaAs半導體。通過研究發(fā)現(xiàn)InP半導體具有更大的負阻，而且可以工作于更高的頻率，因此InP半導體轉移電子器件的研究和應用都有較快的發(fā)展。2.7.2工作原理與特性1．轉移電子器件的偶極疇由于在電場作用下N型GaAs半導體內的電子從低能谷向高能谷轉移產生負微分遷移率，使得N型GaAs半導體對外體現(xiàn)出微分負阻。這一負阻效應正是產生微波振蕩和具有微波放大作用的基礎。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!轉移電子效應二極管轉移電子器件中偶極疇形成發(fā)生了電子的轉移而進入負阻區(qū)平均漂移速度將減慢左側的電場仍低于電子快速向陽極運動電子積累層右側的電場仍低于電子快速向陽極運動正的空間電荷（電子耗盡層）負阻區(qū)的兩側形成了具有正負電荷的對偶極層，偶極疇

偶極層形成與外加電場方向相同的一個附加電場，致使疇內部的電場比疇外高得多，所以也稱這個疇為高場疇。外加電壓是一定的，疇內電場高，必然伴隨著疇外電場的降低，外加電壓大部分降落在高場疇上，只能形成一個偶極疇

微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!轉移電子效應二極管偶極疇消失（3）疇的渡越與消失成熟后的偶極疇將繼續(xù)以一定的速度向陽極渡越，到達陽極后將被陽極吸收而消失，這段時間稱為疇的渡越時間

疇消失后半導體內電場恢復到沒有形成疇的原始狀態(tài)，電子的平均運動速度也恢復到原始的快電子狀態(tài)。從疇到達陽極到疇完全消失的時間稱為疇的消失時間，或稱為介質的馳豫時間。一個偶極疇消失后，如果器件的端壓仍然維持在閾值電壓以上，將在陰極附近再生成一個偶極疇，重復上述過程。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!稱為渡越時間頻率或固有頻率，在目前工藝水平下可作到微米量級，器件的固有頻率可高達100GHz。但隨著的減小，器件承受功率也就不可避免地減小。轉移電子效應二極管設器件有源區(qū)長度為，疇的飽和漂移速度為，則有：如果在器件內部能生成成熟的偶極疇，要求:根據(jù)N型GaAs半導體材料的典型參數(shù)，可求得當：器件內部才能生成成熟的偶極疇，式中是器件的摻雜濃度。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!如果器件端壓繼續(xù)增大，開始會引起疇內電場及疇外電場

都增大，但根據(jù)疇內負阻區(qū)的速度-電場特性，增大將使慢

電子更多，疇內電子平均漂移速度將減小；而增大將使疇外電

子的平均漂移速度提高。因此破壞了疇內外原有的平衡，偶極疇將長得更大，疇內電場進一步升高以提高疇內電子平均漂移速度，疇外電場又會因的升高而降低，疇外電子將減速以達到新的平衡。這樣，外加電壓的增大轉移為疇電壓的增大，而器件內部的電子平均漂移速度是減小的，導致平均電流緩慢減小，直到電子的平均漂移速度（即是平均電流）達到最小值C點。這反映了器件的負阻特性。轉移電子效應二極管轉移電子器件的電壓電流關系0FEDCBA微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!轉移電子效應二極管器件內電子的平均漂移速度（即是平均電流）不會很快提高，直到端壓下降到能維持疇的最小電壓，稱為疇的維持電壓。對應曲線2-76的E點，因此在這一過程中電流將沿B→E段變化。端壓再降到E點以下，這時疇將消失，電流立即由E點躍升到F點。由于F點對應端壓在以下，因此不會再形成偶極疇，直到端壓再

上升到。這樣完成了外電壓的一個完整周期。2.7.3等效電路整個器件內偶極疇區(qū)呈現(xiàn)負微分遷移率，是負阻區(qū)；而疇外呈現(xiàn)低能谷的遷移率，是正阻區(qū)。轉移電子器件的管芯等效電路可表示為下圖所示：微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!2.8結型晶體管晶體管分為兩大類，一類為結型晶體管，另一類是場效應晶體管。兩類雖然都叫做晶體管，但其工作原理是不同的。結型晶體管也稱為雙極型晶體管、雙極結晶體管（Bipolar-JunctionTransistor），習慣上稱作晶體管或晶體三極管，英文簡稱為BJT。由于它的低成本結構、相對較高的工作頻率、低噪聲性能及高功率容量，BJT是目前最廣泛運用的射頻有源器件之一。其名稱的由來是由于在這類晶體管中有兩種極性的載流子-電子和空穴都參與器件的工作。本節(jié)介紹結型晶體管的工作原理、結構和等效電路、特性微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!結型晶體管PPNPNP型雙極晶體管結構WECB將兩個PN結的N區(qū)結合成一塊，而且使合成后的N區(qū)較薄，薄到它的寬度可以比注入空穴的擴散長度小很多，則由左方正偏PN結注入到N區(qū)的空穴，可以被右方反偏PN結所“收集”。這樣就構成了一個結型晶體管，稱為PNP型晶體管左方的PN結（正偏）叫發(fā)射結，右方的PN結（反偏）叫收集結或集電結，左方的P區(qū)叫發(fā)射區(qū)，右方的P區(qū)叫做收集區(qū)或集電區(qū)，中間的N區(qū)叫基區(qū)，三個電極分別稱為發(fā)射極（E）、集電極（C）和基極（B）。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!結型晶體管2．能帶模型一般晶體管的發(fā)射區(qū)摻雜濃度大于基區(qū)摻雜濃度，基區(qū)的摻

雜濃度大于集電區(qū)的摻雜濃度。PNP型雙極晶體管能帶結構P+PNEB結空間電荷區(qū)BC結空間電荷區(qū)P+EB結空間電荷區(qū)BC結空間電荷區(qū)加工作電壓之前加工作電壓之后NP微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!結型晶體管NPN型PNP型雙極型晶體管電路符號ECBECBPPNPNP型雙極晶體管各極電流構成0WEBC微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!雪崩二極管

形成的雪崩空穴電流是具有很窄的脈沖寬度的脈沖電流，合理的調整直流偏壓和直流偏流，可使其峰值滯后于交流信號的峰值。里德二極管電壓、電流和外電路感應電流的關系000

利用小信號雪崩方程可以嚴格證明的基波相位比交變電場的基波相位滯后900，這一現(xiàn)象稱為雪崩電流的初始滯后，也稱為雪崩倍增的電感特性。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!雪崩二極管

當工作頻率時，從功率的角度看，可認為是雪崩二極管這種工作模式的最佳工作頻率。這時有，感應電流基波比雪崩電流基波滯后的相位為（即），可見若要提高雪崩管的工作頻率，需減薄漂移區(qū)，即減小。外電路的感應電流與管子外加交變電壓的總相位差為，從而二極管相對外電路呈現(xiàn)為一個射頻負阻。把這樣一個雪崩二極管與一個諧振選頻回路相連接，可以把管子兩端很小的初始電壓起伏逐漸發(fā)展為一個射頻振蕩，相當于有射頻功率從雪崩二極管輸出，其振蕩頻率等于外加諧振選頻回路的諧振頻率，這是雪崩管可以產生微波振蕩和具有微波放大作用的根本原因。綜合上述，雪崩管的工作原理是利用了碰撞雪崩電離效應和載流子渡越時間效應，產生了負阻，這樣的工作模式就稱為雪崩渡越時間模式，簡稱為崩越?；蚺鲈侥?，工作于這一模式的雪崩管稱為崩越二極管或碰越二極管。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!雪崩二極管

設雪崩電流與交變電壓的相位差為，將受到直流偏流的影響。雪崩產生的空穴空間電荷注入到I層后形成的電場將削弱雪崩區(qū)的電場，直流電流越大，雪崩電流將越大，雪崩區(qū)電場下降越快，雪崩將過早停止，致使雪崩電流最大值出現(xiàn)在交變電壓為零之前越早，這樣電流基波滯后相位就越比小。由于渡越時間相位正比于，故越小，渡越時間滯后相位越小。當總滯后相位小于時，雪崩管便不能分離出負阻分量，負阻特性將消失。一般把使雪崩管電阻為正的臨界頻率稱為下限截止頻率。為了能夠分離出負阻分量，雪崩滯后相位越小，則渡越時間相位滯后應越大，因此直流電流增大時，雪崩滯后相位減小，截止頻率必將提高以增加渡越時間相位滯后。此外交變電壓大小也將影響，交流電壓較大時，雪崩區(qū)電場提高，雪崩滯后相位將加大，截止頻率將下降。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!雪崩二極管

（2）輸出功率與效率二極管獲得的直流功率為:輸出的射頻功率為：脈沖電流的相位中心相應的效率為：在理想情況下:10％以下微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!雪崩二極管

雪崩管有源區(qū)阻抗與工作頻率關系0體現(xiàn)出負阻和容性電抗，是雪崩管作為振蕩器和放大器應用時的狀態(tài)。獲得最大負阻微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!雪崩二極管

3.俘越模式俘越模式是俘獲等離子體雪崩觸發(fā)渡越模式的簡稱，（TRAPATT模式），是雪崩二極管一種大電流工作狀態(tài)的高效率的工作模式。P+NN+雪崩管TRAPATT模式工作原理圖N+PP+N+PP+雪崩區(qū)向右擴大雪崩區(qū)擴大到整個漂移區(qū)，形成俘獲等離子體狀態(tài)微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!雪崩二極管

TRAPATT模式電流電壓關系ABCDAA點對應，管子發(fā)生雪崩擊穿，在開始一段時間內（從A到B），尚未觸發(fā)起雪崩沖擊波前，二極管相當于被充電，管子端壓將升高；當管子處于相當?shù)倪^壓狀態(tài)時，立即觸發(fā)起雪崩沖擊波前，迅速形成等離子體狀態(tài)，二極管接近短路，并輸出一個倒向的電壓脈沖，這一過程在極短的時間內完成，相當于從B到C；從C點開始，管子維持很大的電流脈沖，直到D點；之后管子回到初始狀態(tài)，完成俘越模的一個工作周期。俘越模式的特點是在大電流條件下的一種電壓崩潰現(xiàn)象，可以看成一種高速開關：由高阻狀態(tài)迅速轉換成幾乎短路的低阻狀態(tài)，從而將外加的直流電壓變換成射頻脈沖電壓。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!2.7轉移電子效應二極管轉移電子效應二極管（TransferElectronDiode）也稱為體效應二極管和耿氏二極管（GunnDiode），其英文縮寫為TED。1961年和1962年相繼發(fā)表的論文：部分電子從高的遷移率轉移到低的遷移率狀態(tài)，使電子漂移速度隨電場增大而減小，從而產生負阻，可實現(xiàn)微波振蕩和放大。1963年，耿（J.B.Gunn）在N型GaAs半導體兩端外加電壓使內部電場超過3時，產生了微波振蕩。由于其噪聲遠比雪崩二極管為低，也常被用作毫米波本振信號。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!轉移電子效應二極管由于GaAs的雜質分布和電場分布不可能完全均勻，因此實際上不可能在每部分同時超過閾值電場、同時降低電子運動速度，因此前述的靜態(tài)特性一般是得不到的，通常要通過特殊的機制來實現(xiàn)動態(tài)特性，這一特殊機制就是偶極疇，在轉移電子器件內就是依靠偶極疇的產生和消失來形成微波振蕩的。（1）疇的生成轉移電子器件中偶極疇形成小于閾值電壓未發(fā)生大量的電子轉移，電子將在兩電極間作均勻連續(xù)的漂移運動電場分布是均勻的歐姆接觸陰極的金半結處于反偏阻值較大電場也稍強于半導體其它部分大于閾值電壓陰極附近的電場將首先超過閾值電場微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!轉移電子效應二極管轉移電子器件中偶極疇長大、成熟（2）疇的長大在陰極附近生成的疇最初只是一個小“核”，在電場的作用下，“核”將從陰極向陽極運動，由于疇內是慢電子而疇外是快電子，因此隨著疇的運動堆積的對偶電荷越來越多，這樣疇將逐漸“長大”。隨著疇的長大，疇內電場越來越高，而疇外電場越來越低，因此疇內電子是在加速的、而疇外電子是在減速的。這一過程一直繼續(xù)到疇內電子的平均運動速度與疇外電子的平均運動速度相等為止，這時疇就不再長大，稱為成熟疇或穩(wěn)態(tài)疇。

疇核由生成到成熟所需的時間稱為疇的生長時間。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!轉移電子效應二極管轉移電子器件中電子平均漂移速度與時間關系abd（a）ca點表示疇核形成，此后電子的平均運動速度將快速下降，直到疇成熟的b點，從a點到b點所需時間即是疇的生長時間；b點之后成熟的疇將向陽極渡越，維持較低的平均運動速度，直到c點時疇到達陽極，bc段對應的時間即是疇的渡越時間；疇到達陽極后將很快被陽極吸收，隨著疇的消失，電子平均運動速度將立刻上升到初始值，即從c點到d點，這段時間即是疇的消失時間。一般和極短，因此整個周期近似為渡越時間微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!2．轉移電子器件的動態(tài)特性如果器件兩端加上交變電壓時，將會對疇的產生和消失產生影響。設這時器件端壓為（直流偏壓為0）：轉移電子效應二極管（1）當器件兩端電壓從零開始上升轉移電子器件的電壓電流關系0FEDCBA電流最初應是按直線增加,A點對應端壓為，這時偶極疇形成并很快成熟。電子平均漂移速度迅速下降，外電路電流也突然下降。微波電子線路第二章下共39頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!轉移電子效應二極管從C點開始，如果器件端壓進一步增大，電流會緩慢增加，如CD段所示。（2）如果器件端壓從D點開始由大變小直到B點以前，由于疇一直存在，因此電流會按照D→C→B路徑逆向變化。轉移電子器件的電壓電流關系0FEDCBA從B點再進一步降低器件端壓，雖然端壓已經降到閾值電壓之下，但電流并不會直接躍升到A點:原因是此時疇并沒有消失。因為在存在偶極疇的情況下器件內的電場分布并不均勻，疇內電場高而疇外電場低，外加電壓雖然已經小于閾值電壓，但疇內電場仍然高于閾值電場，因此疇仍然能夠維持.微