微波电子线路-西安电子科技大学2.docx

● 2 肖特基势垒二极管的
构造原理及特性

微波混频器是任何种类微波接收机的最主要部件之一。不仅因为它是必不可少的，更主要原因是它处于整个接收机的前端位置、其性能好坏，对整个系统影响极大。其基本作用是把微波频率信号变换成中频信号，中频信号的调制解调方便，滤波器相对滚降高。要求混频器失真小、损耗小、噪声低、灵敏度高。目前，混频器中的非线性元件主要是肖特基势垒二极管。混频器性能由管子性能和电路设计，工艺水平共同决定。本章首先介绍混频器的核心器件—肖特基势垒二极管。

常见半导体材料的特性参数 T=25℃，N=10cm-3
参数
GaAs
Si
Ge
GaAs 2DEG
电子迁移率(cm2/Vs)
空穴迁移率(cm2/Vs)
饱和迁移速度(cm/s)
带隙(eV)
雪崩电场(V/cm)
理论最大温度(℃)
实际最大温度(℃)
热导率150℃时,25℃时(W/cm℃)
5000
330
1- ×107
1.42
4.2×105
500
175
0.30 0.45

1300
430
0.7×107
1.12
3.8×105
270
200
1.00 1.40
3800
1800
0.6×107
0.66
2.3×105
100
75
0.40 0.60
8000

2- 3×107

0.30 0.45

一、 肖特基势垒二极管的组成及工作原理
——管子内部的半导体机理
1 构造：以重掺杂（）的为衬底、厚度为几十，外延生长零点几厚的N 型本征本导体作为工作层，在其上面再形成零点几的二氧化硅绝缘层，光刻并腐蚀直径为零点几或几十的小洞，再用金属点接触或淀积一层金属和N 型半导体形成金属半导体结，在该点上镀金形成正极，给另一面层镀金形成负极，即可完成管芯。
将管芯封装于陶瓷管内为传统形式，集成电路中可不用管壳
高频二极管基本结构

金属1.1μm
氧化层1.2μm
N外延层0.5μm
N＋衬底层6mils

2 工作原理
肖特基势垒二极管工作的关键区域是金属和N 型半导体结形成的肖特基势垒区域，是金属和N 型半导体形成的肖特基势垒结区域。
漂移电流,扩散电流
肖特基势垒结的形成：在金属和N型半导体中都存在导电载流子—电子。它们的能级（）不同，逸出功也不同。当金属和N 型半导体相结时，电子流从半导体一侧向金属一侧扩散，同时也存在金属中的少数能量大的电子跳跃到半导体中，称为热电子。显然，扩散运动占据明显优势，于是界面上金属中形成电子堆积，在半导体中出现带正电的耗尽层。在界面上形成由半导体指向金属的内建电场，它是阻止电子向金属一侧扩散的，而对热电子发射则没有影响。随着扩散过程的继续，内建电场增强，扩散运动削弱。于是在某一耗尽层厚度下，扩散和热电子发射处于平衡状态。宏观上耗尽层稳定，两边的电子数也稳定。界面上就形成一个对半导体一侧电子的稳定高度势垒， N半导体的参杂浓度，厚度存在于金属—半导体界面由扩散运动形成的势垒成为肖特基势垒，耗尽层和电子堆积区域成为金属—半导体结。

能带结构,在室温下，硅的禁带宽度Eg约为1 . 12 eV 。锗的能带结构与硅类似，禁带宽度在室温下约为0.66 eV 。半导体材料的禁带越宽，其耐高温、耐腐蚀、耐辐射等特性越好,宽禁带器件是微波半导体的一个重要发展方向
硼 磷

EF为费米能级，它并不是一个能为电子所占据的“真实”能级，而是反映了电子填充能带的水平
由于＞，费米能级将升高，接近导带, 于＜，费米能级将降低，接近于价带

图中把电子在真空中的静止状态表示为真空能级，用和分别表示金属和半导体的费米能级，用和分别表示金属和半导体的逸出功，用表示半导体导带底与真空能级的能量差，又称为电子亲和能。

2）单向导电原理：如果给金属—半导体结加上偏压，则根据偏压方向不同、其导电特性也不同。
零偏：保持前述势垒状态
正偏：金属一侧接正极，半导体一侧接负极
外加电场与内建电场方向相反，内建电厂被削弱，耗尽层变薄，肖特基势垒高度降低，使扩散运动增强，半导体一侧的电子大量的源源不断的流向金属一侧造成与偏压方向一致的电流，金属半导体结呈正向导电特性，且外加电压越大，导电性越好：

反偏：金属一侧接负极，半导体一侧接正极
外加电场与内建电场方向一致、耗尽层变厚、扩散趋势削弱、热电子发射占优势，但这部分电子数量很少，不会是发射电流增大。在反偏电压的规定范围内，只有很小的反向电流。在反偏情况下，肖特基势垒呈大电阻特性。反偏电压过大时，则导致反向击穿。
肖特基势垒具有单向导电特性，与PN结类似但只有电子运动，反应灵活，使用频率高。

█金属与半导体的欧姆接触
金属与半导体的欧姆接触半导体器件用于从器件芯片引出金属电极。虽然也是金属与半导体的接触，但不能是具有整流特性的肖特基接触。这种金属引线与半导体的接触应该具有对称的、线性的伏安特性，还要求接触电阻尽可能小。
在实践中这样构成欧姆接触：在N型(或P型)半导体上先形成一层重掺杂(或)层，然后再与金属接触，即为“金属”或“金属”结构。
金属与重掺杂半导体接触时，在半导体内形成的势垒层很薄。对于金属和半导体两侧的电子，这样薄的势垒区几乎是透明的。在相当大的电流范围内，电流与电压关系近似为线

二、 肖特基势垒二极管的特性
1， 伏安特性

反向饱和电流
n 工艺因子
波尔兹曼常数
电子电荷
T 工作温度 K
V 偏压V
2、结电阻、电流

正偏时：I上升，下降
反偏时：

3、结电容

4、寄生参数

N体电阻 衬底电阻 电极电阻
引线电感
零点几毫微亨
封装电容
零点几皮法

三 等效电路和特性参数
1 等效电路

2 特性参数
(1)截至频率
前知 、都很小，故高，达KGHz，工作频率
(2)噪声温度比
总输出噪声功率与KTB之比

理想 实际 1.2~2
(3)中频阻抗
在额定本振功率时，对指定中频呈现的阻抗
以后讨论基本指标、噪声系数和变频损耗
三 典型工程参数

势垒高度应用情况
势垒类型
1mA时电压VF1
本振驱动功率
应用场合
零偏
0.10～0.25V
≤0.1mW
检波器
低势垒
0.25～0.35V
0.1mW～2mW
低激励混频器
中势垒
0.35～0.50V
0.5mW～10mW
一般用途
高势垒
0.50～0.80V
≥10mW
宽动态范围

肖特基结等效电路元件参数的典型值
引线电感LS
结电阻RJ
结电容CJ
串联体电阻RS
极板电容Cg
0.1nH
200Ω～2kΩ
3.2fF
2～5Ω
0.1～0.2pF