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1、微波電子線路第二章下,雪崩二極管,當(dāng)反偏壓增加到某一數(shù)值時(shí)，將使得N,+,P結(jié)處的電場(chǎng)強(qiáng)度首先達(dá)到擊穿電場(chǎng),（，不同材料有所不同）,發(fā)生雪崩擊穿，迅速產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，稱這時(shí)的電壓為,二極管的雪崩擊穿電壓,，其值約在20100 左右。,在穩(wěn)定的雪崩擊穿狀態(tài)下，電子-空穴對(duì)將按照指數(shù)規(guī)律增加，產(chǎn)生的電子將很快被接于N,+,層的正極所吸收，而空穴將向負(fù)極渡越。,由于里德雪崩二極管的P區(qū)很薄，可以認(rèn)為空穴幾乎無(wú)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(duì)硅半導(dǎo)體約為）向負(fù)極渡越，形成空穴電流。,適當(dāng)?shù)乜刂茡诫s濃度，可以使得電場(chǎng)的分布在N,+,P結(jié)處形成相當(dāng)尖銳的峰值，從而可以限制雪崩

2、擊穿在一個(gè)很窄的區(qū)域內(nèi)發(fā)生。,雪崩二極管,2.工作原理,（1）雪崩電離效應(yīng),當(dāng)雪崩管兩端在反向擊穿直流電壓上再疊加一個(gè)交流信號(hào)時(shí)，雪崩管兩端的總電壓可表示為：,交流電壓的正半周內(nèi)：,雪崩發(fā)生，N,+,P結(jié)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(dāng)外加電壓越過(guò)最大值下降時(shí)，由于剛才雪崩倍增已產(chǎn)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(jié)束。,交流電壓的負(fù)半周內(nèi)：,總端壓小于擊穿電壓，雪崩將停止，但雪崩空穴流不會(huì)立即停止，只能按指數(shù)衰落。,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(diào)整直流偏壓和直流偏流，可使其峰值滯

3、后于交流信號(hào)的峰值 。,里德二極管電壓、電流和外電路感應(yīng)電流的關(guān)系,0,0,0,利用小信號(hào)雪崩方程可以嚴(yán)格證明的基波相位比交變電場(chǎng)的基波相位滯后90,0,，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。,雪崩二極管,（2）渡越時(shí)間效應(yīng),在電場(chǎng)的作用下，雪崩產(chǎn)生的空穴電流將注入漂移區(qū)并向負(fù)極渡越，直到空穴流到達(dá)負(fù)極為止。當(dāng)這一電流以飽和漂移速度在漂移區(qū)渡越時(shí)，外電路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，它與管內(nèi)運(yùn)動(dòng)電荷的位置無(wú)關(guān)，只取決于運(yùn)動(dòng)速度，而且只要雪崩空穴流在管內(nèi)開(kāi)始流動(dòng)，外電路上就開(kāi)始有感應(yīng)電流，理想情況下是一個(gè)矩形波。,I層本征漂移區(qū)的長(zhǎng)度為,飽和漂移速度為,雪崩脈沖電流經(jīng)過(guò)漂移區(qū)的渡越時(shí)間

4、:,合理設(shè)計(jì)漂移區(qū)的長(zhǎng)度以控制空穴流渡越時(shí)間 ，可使管子渡越時(shí)間與外加交變電壓的周期的關(guān)系為 ，這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即稱為漂移區(qū)的特征頻率 ：,雪崩二極管,當(dāng)工作頻率 時(shí)，從功率的角度看，可認(rèn)為是雪崩二極管這種工作模式的最佳工作頻率。這時(shí)有 ，感應(yīng)電流 基波比雪崩電流基波 滯后的相位為 （即 ），可見(jiàn)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(yīng)電流與管子外加交變電壓的總相位差為 ，從而二極管相對(duì)外電路呈現(xiàn)為一個(gè),射頻負(fù)阻,。把這樣一個(gè)雪崩二極管與一個(gè)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(gè)射頻振蕩，相當(dāng)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

5、選頻回路的諧振頻率，這是,雪崩管可以產(chǎn)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(yīng)和載流子渡越時(shí)間效應(yīng)，產(chǎn)生了負(fù)阻，這樣的工作模式就稱為雪崩渡越時(shí)間模式，簡(jiǎn)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,。,雪崩二極管,3.特性參量,（1）工作頻率范圍,如果感應(yīng)電流相對(duì)于外加交變電壓的總相位差不正好為 ，,只要能分離出一個(gè)負(fù)阻分量，就有可能產(chǎn)生射頻振蕩,雪崩管有一定的調(diào)諧范圍,雪崩電流、感應(yīng)電流和交變電壓的關(guān)系,雪崩二極管,設(shè)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(chǎn)生的空穴空間電荷注入到I層后形

6、成的電場(chǎng)將削弱雪崩區(qū)的電場(chǎng)，直流電流越大，雪崩電流將越大，雪崩區(qū)電場(chǎng)下降越快，雪崩將過(guò)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(shí)間相位 正比于 ，故 越小，渡越時(shí)間滯后相位越小。當(dāng)總滯后相位 小于 時(shí)，雪崩管便不能分離出負(fù)阻分量，負(fù)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(fù)阻分量，雪崩滯后相位越小，則渡越時(shí)間相位滯后應(yīng)越大，因此直流電流增大時(shí)，雪崩滯后相位減小，截止頻率必將提高以增加渡越時(shí)間相位滯后。,此外交變電壓大小也將影響，交流電壓較大時(shí)，雪崩區(qū)電場(chǎng)提高，雪崩滯后相位將加大，截止頻率將下降。

7、,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(fù)阻分量，由此可確定雪崩管的上限截止頻率。設(shè)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,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(yīng)的效率為：,在理想情況下:,10以下,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(zhǎng)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。,雪崩二極管,雪

8、崩管有源區(qū)阻抗與工作頻率關(guān)系,0,體現(xiàn)出負(fù)阻和容性電抗，是雪崩管作為振蕩器和放大器應(yīng)用,時(shí)的狀態(tài)。,獲得最大負(fù)阻,雪崩二極管,2.6.4,其它雪崩管結(jié)構(gòu)及工作模式簡(jiǎn)介,多是P,+,NN,+,和N,+,PP,+,結(jié)構(gòu),P,+,N,N,+,P,+,NN,+,雪崩管模型及電場(chǎng)分布,雪崩區(qū),1.實(shí)用結(jié)構(gòu)雪崩管,2.雙漂移區(qū)雪崩管,P,+,N,N,+,雙漂移區(qū)雪崩管模型及雜質(zhì)、電場(chǎng)分布,雪崩區(qū),P,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(jiǎn)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,+,P,P

9、,+,N,+,P,P,+,雪崩區(qū)向右擴(kuò)大,雪崩區(qū)擴(kuò)大到整個(gè)漂移區(qū)，形成俘獲等離子體狀態(tài),雪崩二極管,當(dāng)外加反偏壓大于雪崩擊穿電壓時(shí)，N,+,P結(jié)將發(fā)生雪崩擊穿。雪崩區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)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(cè)P區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度將迅速增大；如果這時(shí)再加大管子的偏壓（約為擊穿電壓的二倍以上），右側(cè)增大的電場(chǎng)強(qiáng)度將可以達(dá)到擊穿電場(chǎng)以上，因而再次引起雪崩擊穿；,由于低電場(chǎng)下載流子的飽和漂移速度很小，而上述過(guò)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(nèi)形成俘獲等離子狀態(tài)，此時(shí)管內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)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

10、電流。當(dāng)?shù)入x子體全部逸出后，管內(nèi)電場(chǎng)又恢復(fù)到初始分布狀態(tài)。上述過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，便產(chǎn)生了周期性的脈沖電壓和電流，形成了振蕩。,雪崩二極管,TRAPATT模式電流電壓關(guān)系,A,B,C,D,A,A點(diǎn)對(duì)應(yīng) ，管子發(fā)生雪崩擊穿，,在開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)（從A到B），尚未觸,發(fā)起雪崩沖擊波前，二極管相當(dāng)于被充,電，管子端壓將升高；當(dāng)管子處于相當(dāng),的過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，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(gè)倒向的電壓脈沖，,這一過(guò)程在極短的時(shí)間內(nèi)完成，相當(dāng)于,從B到C；從C點(diǎn)開(kāi)始，管子維持很大的,電流脈沖，直到D點(diǎn)；之后管子回到初始狀態(tài)，完成俘越模的一個(gè)工作周期。,俘越模式的特點(diǎn)是在大

11、電流條件下的一種電壓崩潰現(xiàn)象，可,以看成一種高速開(kāi)關(guān)：由高阻狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)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。,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(dòng)）的那段時(shí)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(dá)到75以上；在L波段，脈沖輸出功率為1KW時(shí)，效率可達(dá)60。但是由于等離子體形成后，管內(nèi)電場(chǎng)很低，所以等離子體逸出的速度很小，因此對(duì)于同一個(gè)二極管來(lái)說(shuō)，其工作于俘越模的頻率要遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的，它雖有效率高的優(yōu)點(diǎn)，但

12、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(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。,2.7,轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管,轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管（Transfer Electron Diode）也稱為體效應(yīng),二極管和耿氏二極管（Gunn Diode），其英文縮寫(xiě)為T(mén)ED。,1961年和1962年相繼發(fā)表的論文：部分電子從高的遷移率轉(zhuǎn)移,到低的遷移率狀態(tài)，使電子漂移速度隨電場(chǎng)增大而減小，從而產(chǎn)生,負(fù)阻，可實(shí)現(xiàn)微波振蕩和放大。,1963年，耿（J.B.Gunn）在N型GaAs半導(dǎo)體兩端外加電壓使內(nèi)部,電場(chǎng)超過(guò)3 時(shí)，產(chǎn)生了微波振蕩。,由于其噪聲遠(yuǎn)比雪崩二極管為低，也常被用作毫米波本振信號(hào)。

13、,2.7.1,結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管,N型GaAs半導(dǎo)體,N型GaAs轉(zhuǎn)移電子器件結(jié)構(gòu),歐姆接觸金屬,轉(zhuǎn)移電子器件是無(wú)結(jié)器件，最常用的轉(zhuǎn)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(dǎo)體。,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)InP半導(dǎo)體具有更大的負(fù)阻，而且可以工作于更高的頻率，因此InP半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移電子器件的研究和應(yīng)用都有較快的發(fā)展。,2.7.2,工作原理與特性,1轉(zhuǎn)移電子器件的偶極疇,由于在電場(chǎng)作用下N型GaAs半導(dǎo)體內(nèi)的電子從低能谷向高能谷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生負(fù)微分遷移率，使得N型GaAs半導(dǎo)體對(duì)外體現(xiàn)出微分負(fù)阻。這一負(fù)阻效應(yīng)正是產(chǎn)生微波振蕩和具有微波放大作用的基礎(chǔ)。,轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管,由于GaAs的雜質(zhì)分布

14、和電場(chǎng)分布不可能完全均勻，因此實(shí)際上,不可能在每部分同時(shí)超過(guò)閾值電場(chǎng)、同時(shí)降低電子運(yùn)動(dòng)速度，因此,前述的靜態(tài)特性一般是得不到的，通常要通過(guò)特殊的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng),態(tài)特性，這一特殊機(jī)制就是偶極疇，在轉(zhuǎn)移電子器件內(nèi)就是依靠偶,極疇的產(chǎn)生和消失來(lái)形成微波振蕩的。,（1）疇的生成,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移，電子將在兩電極間作均勻連續(xù)的漂移運(yùn)動(dòng),電場(chǎng)分布是均勻的,歐姆接觸,陰極的金半結(jié)處于反偏,阻值較大,電場(chǎng)也稍強(qiáng)于半導(dǎo)體其它部分,大于閾值電壓,陰極附近的電場(chǎng)將首先超過(guò)閾值電場(chǎng),轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管,轉(zhuǎn)移電子器件中偶極疇形成,發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移而進(jìn)入負(fù)阻區(qū),平均漂移速度將減慢

15、,左側(cè)的電場(chǎng)仍低于,電子快速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng),電子積累層,右側(cè)的電場(chǎng)仍低于,電子快速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng),正的空間電荷,（電子耗盡層）,負(fù)阻區(qū)的兩側(cè)形成了具有正負(fù)電荷的對(duì)偶極層，,偶極疇,偶極層形成與外加電場(chǎng)方向相同的一,個(gè)附加電場(chǎng)，致使疇內(nèi)部的電場(chǎng)比疇,外高得多，所以也稱這個(gè)疇為,高場(chǎng)疇,。,外加電壓是一定的，疇內(nèi)電場(chǎng)高，必,然伴隨著疇外電場(chǎng)的降低，外加電壓,大部分降落在高場(chǎng)疇上，,只能形成一個(gè)偶極疇,轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管,轉(zhuǎn)移電子器件中偶極,疇長(zhǎng)大、成熟,（2）疇的長(zhǎng)大,在陰極附近生成的疇最初只是一個(gè)小“核”，在電場(chǎng)的作用下，,“核”將從陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，由于疇內(nèi)是慢電子而疇外是快電子，,因此隨著疇的運(yùn)動(dòng)堆積

16、的對(duì)偶電荷越來(lái)越多，這樣疇將逐漸“長(zhǎng)大”。,隨著疇的長(zhǎng)大，疇內(nèi)電場(chǎng)越來(lái)越高，而疇外電場(chǎng)越來(lái)越低，因此疇,內(nèi)電子是在加速的、而疇外電子是在減速的。,這一過(guò)程一直繼續(xù)到疇內(nèi)電子的平均運(yùn),動(dòng)速度與疇外電子的平均運(yùn)動(dòng)速度相等為止，,這時(shí)疇就不再長(zhǎng)大，稱為,成熟疇或穩(wěn)態(tài)疇,。,疇核由生成到成熟所需的時(shí)間稱為疇,的生長(zhǎng)時(shí)間 。,轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)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(yáng)極渡越，到達(dá)陽(yáng)極,后將被陽(yáng)極吸收而消失，這段時(shí)間稱為,疇的渡越時(shí)間,疇消失后半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)恢復(fù)到?jīng)]有形成疇的原始狀態(tài)，電子,的平均運(yùn)動(dòng)速度也恢復(fù)到原始的快電子狀態(tài)。,從疇到達(dá)陽(yáng)極到疇完全消失的時(shí)間稱為,疇的消失時(shí)間,，或,稱為,介質(zhì)的馳豫時(shí)間,。,一個(gè)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(gè)偶極疇，重復(fù)上述過(guò)程。,轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管,轉(zhuǎn)移電子器件中電子平均,漂移速度與時(shí)間關(guān)系,a,b,d（a）,c,a點(diǎn)表示疇核形成，此后電,子的平均運(yùn)動(dòng)速度將快速下降，,直到疇成熟的b點(diǎn)，從a點(diǎn)到b點(diǎn),所需時(shí)間即是疇的生長(zhǎng)時(shí)間 ；,b點(diǎn)之后成熟的疇將向陽(yáng)極,渡越，維持