射频电路设计第六章.pptVIP

6.2射频二极管6.2.5隧道二极管隧道二极管是PN结二极管，它是由极高掺杂产生极窄的空间电荷区。造成电子和空穴超过在导带和价带中有效态浓度。费米能级移到N+层的导带Wcn和P+半导体的价带Wvp上。如图6．24在两种半导体层中容许的电子态只通过一个极窄的势垒而被分开。根据量子力学，存在一定的概率，在无外供电压作用，电子能够穿过窄隙（克服势垒）而逸出进行交换，这就是隧道效应。在热平衡条件下，从N到P层的隧道效应与从P到N层的相反的隧道效应是平衡的。结果没有纯电流出现。特性：如图6．25(b)至图6．25(e)，以四种不同情况下相应的能带变形，解释了隧道二极管的特定的电流—电压响应。图6．24和图6．25(c)所显示的是平衡条件下无电流；图6，25(b)为外加负偏压VA，在P层中产生高的电子态浓度，这造成比相反情况有更高的概率隧穿到N层。即使是小的负偏压下也能观察到电流的陡峭增长；图6．25(d)为外加小的正电压，自由电子的储存区移到N型半导体，而在P型半导体中引起自由电子态的增加，则作为对电子隧道作用的反应，有正电流自N层流向P层。但当外加电压达到临界值VA=Vdiff，就不发生重迭的能带结构[即能产生隧道效应的条件WcnWvp不再存在，如图6.25(e)。穿过隧道二极管的电流趋于极小值。在临界电压点Vdiff以上，该二极管重新表现如常规PN结二极管那样，电流按指数增长。第30页，共64页，星期日，2025年，2月5日6.2射频二极管隧道二极管的等效电路：如图6.２６所示．（类似于图6．23示出的IMPATT二极管的电路）。这里图中Rs和Ls是半导体层的电阻和引线电感。结电容CT与负电导—g＝dI／dV并联，后者是由图6.25(a)给出的I-V曲线的负斜率得出的。如图6.２7所示为含有隧道二极管的一个简单的放大器电路。令功率放大因子Gr为负载RL上的功率与来自源的最大有效功率Ps＝∣VG∣2／(8RG)的比值，得到在谐振下功率放大因子的表达式：其中Rs的影响被忽略。如果合理选择g值当(g＝1／RL+1／RG)，则上式中分母趋于零，此时放大器变成振荡器。第31页，共64页，星期日，2025年，2月5日6.2射频二极管6.2.6TRAPATT,BARRITT和Gunn二极管下面简要介绍另外三种形式的二极管，但不涉及其电路描述及电参量的定量推导。一、TRAPATT：是俘获等离子体雪崩触发渡越的缩语，TRAPATT二极管是IMPATT二极管在效率上的增强，通过利用能带隙的势阱使实现更高的效率(直到75％)。这类势阱是位于能带隙内的能级，并可俘获电子。外电路保证在正半周时产生高的势垒电压，造成电子一空穴等离子体中的载流子倍增。造成在负半周时二极管的整流特性中出现击穿。由于电子—空穴等离子体的建立过程要比在IMPATT二极管中穿过中间层的渡越时间较慢些，故该管的的工作频率稍低于IMPATT二极管。二、BARRITT：是势垒注入渡越时间的英语缩称。它本质上是渡越时间二极管，其P+NP+掺杂分布的作用像是一个无基极接触的晶体三极管。其空间电荷区域从阴极通过中间层扩展到阳极中；其小信号等效电路模型包括一电阻和—并联电容，电容值与DC偏置电流有关。不同于IMPATT二极管，其AC电路产生一负相位(直到-900)，有5％或更小的相对低的效率。ARRITT二极管在雷达的混频器和检波电路中得到应用。三、Gunn二极管(耿氏二极管)是以其发明者命名的。他在1963年发现在某种半导体(GaAs，InP)中，足够高的电场强度能造成电子散射到能带隙分隔增大的区域中；由于带隙能的增加使电子在迁移率μ0受到损失。例如在GaAs中当场强从5kv赠强到7kv／cm时．漂移速度从2x107cm/s降落到小于107cm/s。负的微分迁移率为：它被用于振荡电路中。为开发Gunn效应在RF和Mw中的应用，需要有一特定的掺杂分布，以保证一旦电压超过所要求的阀值时，就产生稳定的、单—载流子的空间电荷区。第32页，共64页，星期日，2025年，2月5日6．3BJT双极结晶体管双极晶体管的组成是在NPN或PNP配置下三层交替掺杂的半导体。双极是指少数和多数载流子两者造成内部电流。6．3．1结构由于它的低成本结构、相对高的工作频率、低噪音性能和高的可运行功率容量，BJT成为最广泛采用的有源RF器件之一。通过一特殊的发射极—基极结构(它作为平面结构的一部分)可达到高功率容量。图6．28(a)和图6．28(b)分别表示平面结构的剖面图和交叉指发射极—基极连接的顶视图。由于图6．28(b