射頻電路理論與技術(shù)課件

第2章固態(tài)有源微波元器件

本章主要介紹廣泛應(yīng)用于微波電子線路的各種固態(tài)有源微波元器件，主要包括屬于微波二極管的PN結(jié)管、肖特基結(jié)管、變?nèi)莨?、階越恢復(fù)管、雪崩管、體效應(yīng)管、PIN管等，屬于微波三極管的雙極晶體管及異質(zhì)結(jié)管、場效應(yīng)管以及高電子遷移率晶體管等。它們是構(gòu)成各種微波電子線路功能組件，如微波混頻器、微波變頻器、微波放大器、微波振蕩器和微波控制電路的核心。第2章固態(tài)有源微波元器件本章主要介紹廣泛應(yīng)用于微2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)1.半導(dǎo)體的概念及分類2.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。金屬半導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體的性質(zhì)：負溫度系數(shù)；兩種載流子；對摻雜敏感；光敏特性；溫差電效應(yīng)大；非對稱導(dǎo)電特性2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)1.半導(dǎo)體的概念及分類2.1.1半導(dǎo)體材料種類：半導(dǎo)體材料種類：半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.半導(dǎo)體共價鍵模型和能帶模型

共價鍵模型能夠直觀地說明半導(dǎo)體所具有的很多性質(zhì)，但不能作深入的定量討論，而能帶模型可以使我們對于半導(dǎo)體的理解比較深入，因此一般要綜合運用兩種模型來展開討論。金剛石結(jié)構(gòu)○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○原子共價鍵GaAs一個Ga原子由位于正四面體的四個頂角的As原子包圍著，而一個As原子也由位于正四面體的四個頂角的Ga原子包圍著，但形成四個共價鍵的八個電子三個來自于III族原子，五個來自于V族，形成鍵的兩個電子在原子間的分布并非完全對稱，偏向于兩個原子中的一個，含有“離子鍵”的成分。半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.半導(dǎo)體共價鍵模型和能帶模型共價鍵模半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價帶禁帶半導(dǎo)體基礎(chǔ)

從原子模型可以知道，核外每個電子的能量都不是任意的，而是只能取一系列分立的確定值，不同的軌道對應(yīng)不同的能量。

電子能量只能取一系列分立值的這種特征叫做電子能量“量子化”，量子化的能量值稱為“能級”，把能級用一段橫線表示，按能量由小到達，把能級從下往上排列起來，即可構(gòu)成原子中電子的能級圖。價帶：溫度為絕對零度時，電子的能量較低，都位于低能帶上，而且恰好把低能帶填滿；導(dǎo)帶：能量較高的能帶；禁帶：這兩個能帶之間存在著空隙，在空隙所占的能量范圍內(nèi)，是不存在任何電子的能量狀態(tài)的。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價帶禁帶半導(dǎo)體基礎(chǔ)從原子模型可以半導(dǎo)體基礎(chǔ)3.半導(dǎo)體的本征激發(fā)○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○半導(dǎo)體的本征激發(fā)自由電子

“空位”（空穴）完整的共價鍵無電流電中性－q電子移動出現(xiàn)＋q電荷電場電流這一空位可以看作是一個帶有電量的粒子，稱為“空穴”

自由電子和空穴統(tǒng)稱為“載流子”

“本征激發(fā)”：原來束縛在鍵上的電子接受了足夠的能量之后，掙脫約束形成一個自由電子和一個空穴――電子-空穴對的過程半導(dǎo)體基礎(chǔ)3.半導(dǎo)體的本征激發(fā)○○○○○○○○○○○○○半導(dǎo)體基礎(chǔ)激發(fā)能量：金剛石為5.47eV，硅為1.12eV，而鍺為0.66eV

相同能量下不同材料中本征載流子（由本征激發(fā)所產(chǎn)生的載流子，自由電子與空穴成對出現(xiàn)）的濃度就不同，材料的電阻率也就不同，金剛石可達，而鍺只有，可見絕緣體與半導(dǎo)體并沒有本質(zhì)區(qū)別?！皬?fù)合”

：如果一個自由電子和一個空穴在移動中相遇，或者說一個掙脫了鍵的束縛的電子，又正好落到一個鍵上電子的空位上去，就會造成一對自由電子和空穴同時消失。

半導(dǎo)體激發(fā)的能帶示意圖導(dǎo)帶價帶禁帶空穴電子

研究證明只有當能帶中填有電子，而又未被電子填滿時，半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力。半導(dǎo)體基礎(chǔ)激發(fā)能量：金剛石為5.47eV，硅為1.12e半導(dǎo)體基礎(chǔ)

設(shè)和為半導(dǎo)體中熱平衡狀態(tài)下電子和空穴的濃度，它們遵從費米（Fermi）統(tǒng)計而有：引入符號表示本征情況下的費米能級:在本征激發(fā)狀態(tài)下，用表示本征濃度，這一關(guān)系也被當作動態(tài)平衡條件成立的標志。Nc（Nv）為導(dǎo)帶底（價帶頂）的有效能量密度半導(dǎo)體基礎(chǔ)設(shè)和為半導(dǎo)體中熱平衡狀態(tài)下電子和空穴半導(dǎo)體基礎(chǔ)4.摻雜半導(dǎo)體中雜質(zhì)的作用SiSiSiSiSiSiSiP

雜質(zhì)電離所需的能量僅為0.044eV，比室溫下硅本征激發(fā)所需能量1.12eV低的多，電子稱為“多數(shù)載流子”，簡稱為“多子”，空穴稱為“少數(shù)載流子”，簡稱“少子”，以電子為多子的半導(dǎo)體，稱為N型半導(dǎo)體，給出電子的雜質(zhì)稱為“施主”。半導(dǎo)體中雜質(zhì)的作用SiSiSiSiSiSiSiB雜質(zhì)硼原子電離能僅為0.045eV

“受主”

半導(dǎo)體基礎(chǔ)4.摻雜半導(dǎo)體中雜質(zhì)的作用SiSiSiSiSi半導(dǎo)體基礎(chǔ)摻雜施主雜質(zhì)能級圖導(dǎo)帶底價帶頂禁帶施主能級摻雜施主后費米能級導(dǎo)帶底價帶頂費米能級摻雜受主雜質(zhì)能級圖導(dǎo)帶底價帶頂禁帶受主能級摻雜受主后費米能級導(dǎo)帶底價帶頂費米能級ED施主電離能費米能級提高半導(dǎo)體基礎(chǔ)摻雜施主雜質(zhì)能級圖導(dǎo)帶底價帶頂禁帶施主能級摻雜施主半導(dǎo)體基礎(chǔ)

多子濃度與少子濃度滿足反比關(guān)系：多子越多，少子就越少。一般都近似把室溫下?lián)诫s半導(dǎo)體中的多子濃度看作等于摻入的雜質(zhì)濃度，即在N型半導(dǎo)體中（施主濃度），在P型半導(dǎo)體中（受主濃度），則N型半導(dǎo)體中與P型半導(dǎo)體中少子濃度分別為:5.載流子的運動載流子漂移與漂移電流指由漂移運動產(chǎn)生的電流，電子和空穴的漂移電流密度可表示為：半導(dǎo)體基礎(chǔ)多子濃度與少子濃度滿足反比關(guān)系：多子越多，

均勻摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性服從歐姆定律，即流過半導(dǎo)體的電流強度正比于半導(dǎo)體兩端的電壓：電子和空穴的“遷移率”

遷移率是單位電場強度下載流子的平均漂移速度，它反映了載流

子在半導(dǎo)體內(nèi)作定向運動的難易程度，其單位為或。

在一定電場強度范圍內(nèi)，遷移率是一個與電場強度無關(guān)的常數(shù)，

當電場增大到一定程度以后，遷移率將隨著電場增加而下降，載流子漂移速度也將趨近于飽和值。半導(dǎo)體基礎(chǔ)均勻摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性服從歐姆定律，即流過半載流子擴散與擴散電流

微粒自動從高濃度的地方向低濃度的地方遷移的現(xiàn)象稱為“擴散”，它也是微粒的一種定向運動，可稱之為“擴散流”。這種載流子的擴散運動將形成電荷的遷移，這就是“擴散電流”。D稱為擴散系數(shù)，表達了擴散的程度。半導(dǎo)體基礎(chǔ)載流子擴散與擴散電流微粒自動從高濃度的地方向低濃度漂移和擴散的關(guān)系

遷移率反映了半導(dǎo)體中載流子在電場作用下定向運動的難易程度，而擴散系數(shù)反映了載流子擴散的本領(lǐng)大小。愛因斯坦關(guān)系半導(dǎo)體基礎(chǔ)漂移和擴散的關(guān)系遷移率反映了半導(dǎo)體中載流子在電1.PN半導(dǎo)體的接觸電勢差與勢壘2.1.2PN結(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)

在同一塊半導(dǎo)體中，一部分呈現(xiàn)P型，另一部分呈現(xiàn)N型，P型區(qū)與

N型區(qū)的邊界及其附近的很薄的過渡區(qū)即稱為PN結(jié)，它是許多半導(dǎo)體器件的核心部分。P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)電離受主電離施主PN結(jié)空間電荷區(qū)

位置不能自由移動的電離雜質(zhì)在“結(jié)”的兩側(cè)附近形成了帶異性電荷的“空間電荷層”，將產(chǎn)生“內(nèi)建電場”，此電場的方向為由N指向P。1.PN半導(dǎo)體的接觸電勢差與勢壘2.1.2PN結(jié)半半導(dǎo)體基礎(chǔ)P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)PN結(jié)接觸電勢差電勢電子勢能空穴勢能P區(qū)N區(qū)PN結(jié)接觸勢壘的形成P區(qū)N區(qū)半導(dǎo)體基礎(chǔ)P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)PN結(jié)接觸電勢差電勢電子勢能空半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.PN結(jié)的整流特性使問題簡化的假設(shè)：

假設(shè)外加電壓全部用來改變勢壘高度，即外加電壓全部降落在空

間電荷區(qū)。在空間電荷區(qū)以外的半導(dǎo)體中性區(qū)內(nèi)，電壓降為0，

電場強度為0。因此在空間電荷區(qū)之外，載流子只做擴散運動。

在空間電荷區(qū)內(nèi)，無載流子的復(fù)合與產(chǎn)生。即當電流流過PN結(jié)時，

流過空間電荷區(qū)兩個邊界的電子數(shù)與空穴數(shù)不因經(jīng)過空間電荷區(qū)

而改變。

在正向電壓下，注入到對方的少子，比該區(qū)平衡狀態(tài)下的多子少

的多，即是滿足通稱的“小注入條件”。半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.PN結(jié)的整流特性使問題簡化的假設(shè)：P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)電離受主電離施主PN結(jié)空間電荷區(qū)當PN結(jié)加上正向偏壓時（即P端接外電源的正極，N端接外

電源的負極）半導(dǎo)體基礎(chǔ)P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)電離受主電離施主PN結(jié)空間電荷區(qū)當PN結(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)當PN結(jié)加上正向偏壓時（即P端接外電源的正極，N端接外

電源的負極）PN結(jié)加正向偏壓PNPN結(jié)的“正向?qū)顟B(tài)”

PN結(jié)的理想“伏安特性（特性）方程”

半導(dǎo)體基礎(chǔ)當PN結(jié)加上正向偏壓時（即P端接外電源的正極，P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)電離受主電離施主PN結(jié)空間電荷區(qū)當PN結(jié)加上反向偏壓時（即P端接外電源的負極，N端接外

電源的正極）P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)電離受主電離施主PN結(jié)空間電荷區(qū)當PN結(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)當PN結(jié)加上反向偏壓時（即P端接外電源的負極，N端接外

電源的正極）PN結(jié)加反向偏壓PN正向反向PN結(jié)電壓電流特性這種非線性關(guān)系也稱為“整流特性”

半導(dǎo)體基礎(chǔ)當PN結(jié)加上反向偏壓時（即P端接外電源的負極，半導(dǎo)體基礎(chǔ)3.PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)的電容效應(yīng)有兩種：勢壘電容和擴散電容

（1)PN結(jié)的電荷、電場及電勢分布按照制作工藝的不同，PN結(jié)可以分為兩種：突變結(jié)與緩變結(jié)。N突變PN結(jié)結(jié)N緩變PN結(jié)○空間電荷區(qū)的電荷密度的分析一般采用“耗盡層模型”，半導(dǎo)體基礎(chǔ)3.PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)的電容效應(yīng)有兩種：半導(dǎo)體基礎(chǔ)突變PN結(jié)空間電荷層寬度緩變PN結(jié)空間電荷層寬度○

根據(jù)PN結(jié)空間電荷區(qū)的電荷密度可以得出其內(nèi)電場強度與電勢的分布。欲求空間電荷區(qū)的電場及電勢分布，可以采用一維的泊松（Poisson）方程。半導(dǎo)體基礎(chǔ)突變PN結(jié)空間電荷層寬度緩變PN結(jié)空間電荷層寬度○半導(dǎo)體基礎(chǔ)

根據(jù)突變結(jié)的空間電荷密度分布，可以求得N區(qū)和P區(qū)的電勢

分布規(guī)律為：因此空間電荷區(qū)兩端之間的電勢差為：空間電荷區(qū)的總寬度為：突變結(jié)一側(cè)為重摻雜時，為：半導(dǎo)體基礎(chǔ)根據(jù)突變結(jié)的空間電荷密度分布，可以求得N區(qū)半導(dǎo)體基礎(chǔ)突變PN結(jié)電荷、電場及電勢關(guān)系

在結(jié)處電場強度最大，從結(jié)至空間電荷區(qū)邊界，電場線性減小到零。根據(jù)電場曲線下的面積代表電壓的原理，對于摻雜濃度不同的PN結(jié)來說，電壓主要降落在輕摻雜一側(cè)的空間電荷區(qū)內(nèi)，即對P+N結(jié)，電壓主要降落在N區(qū)一側(cè)空間電荷區(qū)，而對N+P結(jié)，電壓主要降落在P區(qū)一側(cè)空間電荷區(qū)。

半導(dǎo)體基礎(chǔ)突變PN結(jié)電荷、電場及電勢關(guān)系在結(jié)處電場強半導(dǎo)體基礎(chǔ)（2)PN結(jié)的勢壘電容設(shè)用來代表PN結(jié)空間電荷區(qū)的正、負電荷量：半導(dǎo)體基礎(chǔ)（2)PN結(jié)的勢壘電容設(shè)用來代表PN結(jié)空間半導(dǎo)體基礎(chǔ)（3)PN結(jié)的擴散電容PN結(jié)在正向偏置下有少子注入效應(yīng)，在空間電荷區(qū)兩側(cè)的少子擴散區(qū)內(nèi)存在著少子電荷的積累，這一部分電荷也與外加電壓有關(guān)，存在著電容效應(yīng)。PN結(jié)的總電容是勢壘電容與擴散電容之和：正偏時，由于通常遠大于，故；而反偏時，由于結(jié)邊界附近空間電荷區(qū)的少子濃度隨反偏電壓變化很小，故反偏時擴散電容極小，通常可以忽略，此時有。半導(dǎo)體基礎(chǔ)（3)PN結(jié)的擴散電容PN結(jié)在正向偏置半導(dǎo)體基礎(chǔ)4.PN結(jié)的擊穿PN結(jié)的擊穿有兩種情況：電擊穿和熱擊穿。電擊穿又可分為兩種類型：一種稱作“雪崩擊穿”，另一種稱為“齊納”擊穿，也叫“隧道擊穿”。（1)雪崩擊穿反向電壓電場強度載流子速度動能變大碰撞電離繼續(xù)加速碰撞電離反向電流增大

這種載流子倍增的現(xiàn)象與自然界的雪崩過程相似，稱之為PN結(jié)的“雪崩擊穿”現(xiàn)象，對應(yīng)的反向電壓稱為“雪崩擊穿電壓”。半導(dǎo)體基礎(chǔ)4.PN結(jié)的擊穿PN結(jié)的擊穿有兩種情（2)齊納擊穿半導(dǎo)體基礎(chǔ)

對于重摻雜的PN結(jié)，由于空間電荷區(qū)的電荷密度大，所以空間電荷區(qū)很薄，因而不太高的反向電壓，就能在空間電荷區(qū)內(nèi)形成很大的電勢梯度（電場強度）。有可能使價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，稱為內(nèi)部場致發(fā)射。由于這種效應(yīng)也使反向電流大大增加，稱之為“齊納擊穿”，也叫做“隧道擊穿”或“軟擊穿”。PN結(jié)的擊穿特性硬軟（3)熱擊穿

當反向電壓較高，反向電流也較大時，耗散在PN結(jié)上的功率較大，引起PN結(jié)溫度升高。而結(jié)溫升高，又使阻擋層內(nèi)熱激發(fā)載流子濃度增大，反向電流進一步增大，如果散熱不良，結(jié)溫將繼續(xù)上升。如此惡性循環(huán)，將引起反向電流急劇增大，導(dǎo)致PN結(jié)擊穿。（2)齊納擊穿半導(dǎo)體基礎(chǔ)對于重摻雜的PN結(jié)，由于空2.1.3金屬與半導(dǎo)體的肖特基接觸半導(dǎo)體基礎(chǔ)

肖特基接觸:是一種金屬與半導(dǎo)體的接觸（簡稱金半接觸）形式，在某些情況下它可以具有非對稱的導(dǎo)電特性，其關(guān)系與PN結(jié)的類似。這一類接觸是某些半導(dǎo)體器件的基本組成部分，其工作特性使得它在射頻及微波領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。1.金半接觸的接觸電勢差－肖特基（Schottky）勢壘

金半接觸的特性與半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型（N型或P型）以及金屬和半導(dǎo)體的“逸出功”的相對大小有關(guān)。逸出功:使電子從材料（半導(dǎo)體或金屬）體內(nèi)進入真空所必須賦予電子的能量。確切地說：功函數(shù)表示恰好使一個電子從材料的費米能級進入材料外表面真空中，且處于靜止狀態(tài)（動能為0）所需的能量。2.1.3金屬與半導(dǎo)體的肖特基接觸半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)金屬和N型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)真空能級金屬N型半導(dǎo)體

當金半發(fā)生接觸而無外加電壓、處于平衡狀態(tài)時，應(yīng)有統(tǒng)一的費米能級，這與PN結(jié)的情形一樣，也是靠在金屬與半導(dǎo)體之間的電子轉(zhuǎn)移，而形成內(nèi)建電勢差－接觸電勢差來實現(xiàn)的。（1)金屬與N型半導(dǎo)體形成金半接觸金屬和N型半導(dǎo)體接觸勢壘金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù):

半導(dǎo)體基礎(chǔ)金屬和N型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)真空能級金屬N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體基礎(chǔ)

當金屬與N型半導(dǎo)體接觸時，若，在半導(dǎo)體表面處形成正的空間電荷區(qū)，電場方向由半導(dǎo)體體內(nèi)指向表面，即半導(dǎo)體表面電勢較體內(nèi)為低。若半導(dǎo)體體內(nèi)電勢為0，半導(dǎo)體表面電勢用代表，則有，這時半導(dǎo)體表面電子勢能高于體內(nèi)，能帶向上彎曲形成表面勢壘，表面處由于電子逸出而使?jié)舛容^體內(nèi)為小。金屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù):

金屬和N型半導(dǎo)體接觸反阻擋層

金屬帶正電、半導(dǎo)體帶負電，電場方向由金屬指向半導(dǎo)體，半導(dǎo)體表面電勢高于體內(nèi)電勢，半導(dǎo)體表面處電子勢能較體內(nèi)為低，能帶向下彎曲。半導(dǎo)體基礎(chǔ)當金屬與N型半導(dǎo)體接觸時，若半導(dǎo)體基礎(chǔ)（2)金屬與P型半導(dǎo)體形成金半接觸

金屬與P型半導(dǎo)體形成金半接觸的情形正好與N型相反，當時，形成反阻擋層，而時，形成阻擋層。2.金半接觸的整流特性

以金屬與N型半導(dǎo)體接觸構(gòu)成金半結(jié)、而且的情況為例說明金半接觸的整流特性。（1)金半結(jié)兩端施加正向偏壓V（即金屬端接外電源的正極，而N型半導(dǎo)體端接外電源的負極）金半結(jié)加正向偏壓“正向?qū)ā?/p>

金半結(jié)的理想“伏安特性（特性）方程”為：半導(dǎo)體基礎(chǔ)（2)金屬與P型半導(dǎo)體形成金半接觸金半導(dǎo)體基礎(chǔ)（2)金半結(jié)兩端施加反向偏壓V（即金屬端接外電源的負極，而N型半導(dǎo)體端接外電源的正極）金半結(jié)加反向偏壓金半結(jié)的電壓電流特性PN結(jié)金半結(jié)

不同之處：導(dǎo)通電壓較低、正向壓降較小、正反向電流較大、反向耐壓較低及較強的非線性程度。由于特性曲線較陡，因此在同樣偏壓下具有較小的結(jié)電阻，而且當外加大信號交流電壓時可導(dǎo)致微分電導(dǎo)（）有較陡的變化。半導(dǎo)體基礎(chǔ)（2)金半結(jié)兩端施加反向偏壓V（即金屬端接外電源的半導(dǎo)體基礎(chǔ)3.金半接觸的電容效應(yīng)

金半接觸結(jié)可以看作是單邊突變結(jié)，因此根據(jù)求PN結(jié)空間電荷區(qū)寬度所使用的方法，求出金半（N型）接觸結(jié)半導(dǎo)體一側(cè)的勢壘區(qū)寬度與偏壓的關(guān)系為:（1)勢壘電容（2)擴散電容

金半接觸結(jié)（MN結(jié)）的正向電流是從N型半導(dǎo)體流向金屬的電子電流，是多子電流，它不存在少子積累的問題，因而也就不存在擴散電容效應(yīng)，這是金半結(jié)與PN結(jié)的顯著區(qū)別。半導(dǎo)體基礎(chǔ)3.金半接觸的電容效應(yīng)金半接觸結(jié)可以看PN結(jié)的“大”電容限制了PN結(jié)開關(guān)速度的提高，導(dǎo)致其導(dǎo)電特性的改變來不及跟上外加高頻交流電壓的變化；而金半結(jié)的電容遠較PN結(jié)為小，可大大減小對正偏非線性電阻的旁路作用，“開關(guān)”特性好，這是以金半結(jié)為基礎(chǔ)構(gòu)成的半導(dǎo)體元件在射頻和微波領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的主要原因所在。4.金半接觸的擊穿

金半結(jié)勢壘區(qū)寬度較薄，反向擊穿電壓比PN結(jié)低，因此不能承受大的功率。半導(dǎo)體基礎(chǔ)PN結(jié)的“大”電容限制了PN結(jié)開關(guān)速度的提2.1.4金屬與半導(dǎo)體的歐姆接觸半導(dǎo)體基礎(chǔ)兩端非歐姆接觸PN結(jié)管PN金屬引線與半導(dǎo)體的接觸只能是沒有整流特性的接觸，或者說接觸應(yīng)該具有對稱的、線性的特性，同時還要求接觸電阻盡可能小，我們把這樣一種接觸稱為“歐姆接觸”。沒有良好的歐姆接觸，器件性能就發(fā)揮不出來。構(gòu)成歐姆接觸：在欲形成歐姆接觸的N型（或P型）半導(dǎo)體上先形成一層重摻雜N＋（或P＋）層，然后再與金屬接觸，即為金屬-N＋-N或金屬-P＋-P結(jié)構(gòu)。2.1.4金屬與半導(dǎo)體的歐姆接觸半導(dǎo)體基礎(chǔ)兩端非歐姆半導(dǎo)體基礎(chǔ)隧道效應(yīng)歐姆接觸的電壓電流特性N+N結(jié)勢壘

金屬與重摻雜半導(dǎo)體接觸時，金半接觸在半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘層（或稱阻擋層）的厚度會很薄。對于金屬和半導(dǎo)體兩側(cè)的電子來說，這樣薄的勢壘區(qū)幾乎是透明的，即兩側(cè)電子可以不需越過勢壘而是通過隧道效應(yīng)“鉆”到對方去。由于勢壘高度較低，結(jié)的空間電荷區(qū)也較窄，不能認為空間電荷區(qū)處于“耗盡”狀態(tài)，因而也就不是高阻區(qū)。當其上施加偏壓時，外加電壓就不是降落在空間電荷區(qū)，而是降落在結(jié)兩側(cè)的半導(dǎo)體上。多數(shù)載流子在N＋N結(jié)之間可以認為是不受阻礙地自由流動。這樣，金屬-N＋-N結(jié)構(gòu)就體現(xiàn)出了歐姆性的關(guān)系。半導(dǎo)體基礎(chǔ)隧道效應(yīng)歐姆接觸的電壓電流特性N+N結(jié)勢壘半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.1.5N型砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體特性

N型砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體材料（或其它III-V族及II-VI族化合物，如磷化銦InP、碲化鎘CdTe、硒化鋅ZnSe等具有相似特性）在射頻和微波頻段獲得了廣泛應(yīng)用，可作為微波毫米波放大、振蕩等器件的核心，也是目前最廣泛采用的微波毫米波集成電路的基板材料。1.N型砷化鎵（GaAs）的能帶結(jié)構(gòu)

價帶禁帶導(dǎo)帶高能谷低能谷N型GaAs的能帶模型N型GaAs的能帶具有特殊結(jié)構(gòu)，在它的導(dǎo)帶中電子有兩種能量狀態(tài)，電子除了位于具有極小能量值的中心能谷外，還可以在子能谷中存在，子能谷的能量比中心能谷為高，稱為“高能谷”，相比較于子能谷，中心能谷稱為“低能谷”，稱為“雙谷結(jié)構(gòu)”。半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.1.5N型砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體特性半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究和實驗已經(jīng)證明：

在300K時，導(dǎo)帶底和價帶頂之間的禁帶寬度約為1.43eV，

而導(dǎo)帶中高低能谷的能量差約為0.36eV；

低能谷中的電子有效質(zhì)量約為，是電子的

重力質(zhì)量（），它的遷移率為：

高能谷中的電子有效質(zhì)量約為，它的遷移率為

高低能谷的能態(tài)密度差別極大，高能谷的能態(tài)密度是低能

谷的約60倍。半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究和實驗已經(jīng)證明：在300K時，導(dǎo)帶底和價半導(dǎo)體基礎(chǔ)“電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)”的一些特性：

低能谷中的電子是“輕”電子及“快”電子，而高能谷中的電子

是“重”電子及“慢”電子；

在室溫下（），電子的平均熱動能為，

要遠小于高低能谷的能量差，因而電子基本處于低能谷，只有

當外加足夠高的電壓以產(chǎn)生足夠高的電場強度時，電子才可能

獲得足夠大的動能躍遷到高能谷上去；

由于禁帶寬度遠大于高低能谷的能量差，故在電子躍遷過程

中一般不會發(fā)生雪崩擊穿；

由于高低能谷的能量差較小，在較低電壓下（一般小于10V）

就能使電子開始發(fā)生躍遷；

低能谷中的電子在獲得足夠大的能量時可以全部躍遷到高能

谷中去，同時也保證了處在高能谷中的電子，在能量未減小

時反躍遷回低能谷的概率很小。半導(dǎo)體基礎(chǔ)“電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)”的一些特性：低能谷中的電子是“半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.N型砷化鎵的速度-電場特性和特性（1)電子平均漂移速度為：相應(yīng)的電流密度為：（2)當外加電壓繼續(xù)增大，材料內(nèi)電場也不斷加強，將有一部分電子從電場獲得大于0.36eV的能量，開始由低能谷向高能谷轉(zhuǎn)移，從快電子變成慢電子，直到電場足夠高使電子全部躍遷到高能谷中時為止。半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.N型砷化鎵的速度-電場特性和特性N型GaAs的速度電場特性N型GaAs的電壓電流特性半導(dǎo)體基礎(chǔ)N型GaAs的速度電場特性N型GaAs的電壓電流特性半導(dǎo)體基半導(dǎo)體基礎(chǔ)在峰點和谷點間的這段曲線上任一點的斜率均為負值：負微分遷移率段：材料的微分電導(dǎo)率：半導(dǎo)體基礎(chǔ)在峰點和谷點間的這段曲線上任一點的斜率均為負值：