微波毫米波电路分析与设计课件 第二章(上).ppt

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1、第2章固态有源微波元器件本章主要介绍广泛应用于微波电子线路的各种固态有源微波元器件，主要包括属于微波二极管的PN结管、肖特基结管、变容管、阶越恢复管、雪崩管、体效应管、PIN管等，属于微波三极管的双极晶体管及异质结管、场效应管以及高电子迁移率晶体管等。它们是构成各种微波电子线路功能组件，如微波混频器、微波变频器、微波放大器、微波振荡器和微波控制电路的核心。2.1半导体基础1.半导体的概念及分类2.1.1半导体基础半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。金属半导体绝缘体半导体的性质：负温度系数；两种载流子；对掺杂敏感；光敏特性；温差电效应大；非对称导电特性半导体材料种类：半导体基础

2、2.半导体共价键模型和能带模型共价键模型能够直观地说明半导体所具有的很多性质，但不能作深入的定量讨论，而能带模型可以使我们对于半导体的理解比较深入，因此一般要综合运用两种模型来展开讨论。金刚石结构○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○原子共价键GaAs一个Ga原子由位于正四面体的四个顶角的As原子包围着，而一个As原子也由位于正四面体的四个顶角的Ga原子包围着，但形成四个共价键的八个电子三个来自于III族原子，五个来自于V族，形成键的两个电子在原子间的分布并非完全对称，偏向于两个原子中的一个，含有“离子键”的成分。半导体的能带结构导带价带禁带半导体基础从原子模型可以知道，核

3、外每个电子的能量都不是任意的，而是只能取一系列分立的确定值，不同的轨道对应不同的能量。电子能量只能取一系列分立值的这种特征叫做电子能量“量子化”，量子化的能量值称为“能级”，把能级用一段横线表示，按能量由小到达，把能级从下往上排列起来，即可构成原子中电子的能级图。价带：温度为绝对零度时，电子的能量较低，都位于低能带上，而且恰好把低能带填满；导带：能量较高的能带；禁带：这两个能带之间存在着空隙，在空隙所占的能量范围内，是不存在任何电子的能量状态的。半导体基础3.半导体的本征激发○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○半导体的本征激发自由电子“空位”（空穴）完整的共价键无电流电

4、中性－q电子移动出现＋q电荷电场电流这一空位可以看作是一个带有电量的粒子，称为“空穴”自由电子和空穴统称为“载流子”“本征激发”：原来束缚在键上的电子接受了足够的能量之后，挣脱约束形成一个自由电子和一个空穴――电子-空穴对的过程半导体基础激发能量：金刚石为5.47eV，硅为1.12eV，而锗为0.66eV相同能量下不同材料中本征载流子（由本征激发所产生的载流子，自由电子与空穴成对出现）的浓度就不同，材料的电阻率也就不同，金刚石可达，而锗只有，可见绝缘体与半导体并没有本质区别。“复合”：如果一个自由电子和一个空穴在移动中相遇，或者说一个挣脱了键的束缚的电子，又正好落到一个键上电子的空位上去

5、，就会造成一对自由电子和空穴同时消失。半导体激发的能带示意图导带价带禁带空穴电子研究证明只有当能带中填有电子，而又未被电子填满时，半导体具有导电能力。半导体基础设和为半导体中热平衡状态下电子和空穴的浓度，它们遵从费米（Fermi）统计而有：引入符号表示本征情况下的费米能级:在本征激发状态下，用表示本征浓度，这一关系也被当作动态平衡条件成立的标志。Nc（Nv）为导带底（价带顶）的有效能量密度半导体基础4.掺杂半导体中杂质的作用SiSiSiSiSiSiSiP杂质电离所需的能量仅为0.044eV，比室温下硅本征激发所需能量1.12eV低的多，电子称为“多数载流子”，简称为“多子”，空穴称为“少

6、数载流子”，简称“少子”，以电子为多子的半导体，称为N型半导体，给出电子的杂质称为“施主”。半导体中杂质的作用SiSiSiSiSiSiSiB杂质硼原子电离能仅为0.045eV“受主”半导体基础掺杂施主杂质能级图导带底价带顶禁带施主能级掺杂施主后费米能级导带底价带顶费米能级掺杂受主杂质能级图导带底价带顶禁带受主能级掺杂受主后费米能级导带底价带顶费米能级ED施主电离能费米能级提高半导体基础多子浓度与少子浓度满足反比关系：多子越多，少子就越少。一般都近似把室温下掺杂半导体中的多子浓度看作等于掺入的杂质浓度，即在N型半导体中（施主浓度），在P型半导体中（受主浓度），则N型半导体中与P型半导体中少

7、子浓度分别为:5.载流子的运动载流子漂移与漂移电流指由漂移运动产生的电流，电子和空穴的漂移电流密度可表示为：均匀掺入杂质的半导体的导电特性服从欧姆定律，即流过半导体的电流强度正比于半导体两端的电压：电子和空穴的“迁移率”迁移率是单位电场强度下载流子的平均漂移速度，它反映了载流子在半导体内作定向运动的难易程度，其单位为或。在一定电场强度范围内，迁移率是一个与电场强度无关的常数，当电场增大到一定程度以后，迁移率将随着电场增加而下降，