射频电路理论与技术-Lectrue-12(固态有源元件3)课件.ppt

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1、2.6雪崩二极管雪崩二极管是碰撞雪崩渡越时间二极管（IMPATT二极管),它利用管内雪崩电流滞后效应和渡越时间效应使其对外呈现负阻，它是构成微波固态振荡器和功率放大器的重要核心元件，尤其是在毫米波波段更是占据主导地位。1958年,贝尔实验室的里德,提出最初理论；1965年，首次报道了实验结果；2.6.1结构N+PIP+里德二极管模型及反偏电场分布最初的里德雪崩二极管模型采用了N＋PIP＋结构，目前广泛采用的其它结构形式还有P+NN+、N+PP+、P+NIN+和P+PNN+（称为双漂移区结构）等类型。雪崩二极管2.6.2工作原理及特性参量仅以里德提出雪崩管负阻效应时的基

2、本N＋PIP＋结构为例讨论雪崩管的特性及工作原理，其它结构是完全类似的。1.雪崩管特性N+PIP+里德二极管模型及反偏电场分布当两端加上反向偏压时，对于重掺杂的N+和P+区，由于其电阻很低，电场强度几乎为零；在本征半导体I层内，电场均匀分布，大致为一常数，其值大于重掺杂区；对于N+P结，由于处于反偏状态，因此该处电场强度最大，空间电荷区主要处在P区。当反偏压不断增大时，此电场分布曲线将整体上移，同时空间电荷区将展宽到占满全部P区。雪崩二极管当反偏压增加到某一数值时，将使得N+P结处的电场强度首先达到击穿电场（，不同材料有所不同）发生雪崩击穿，迅速产生大量的电子-空穴

3、对，称这时的电压为二极管的雪崩击穿电压，其值约在20～100左右。在稳定的雪崩击穿状态下，电子-空穴对将按照指数规律增加，产生的电子将很快被接于N+层的正极所吸收，而空穴将向负极渡越。由于里德雪崩二极管的P区很薄，可以认为空穴几乎无延迟地注入I区（称为漂移区），以恒定的饱和漂移速度（对硅半导体约为）向负极渡越，形成空穴电流。适当地控制掺杂浓度，可以使得电场的分布在N+P结处形成相当尖锐的峰值，从而可以限制雪崩击穿在一个很窄的区域内发生。雪崩二极管2.工作原理（1）雪崩电离效应当雪崩管两端在反向击穿直流电压上再叠加一个交流信号时，雪崩管两端的总电压可表示为：交流电压的正

4、半周内：雪崩发生，N+P结处形成稳定的雪崩击穿状态，雪崩空穴电流将按照指数规律增加；当外加电压越过最大值下降时，由于刚才雪崩倍增已产生的大量电子、空穴依然参加碰撞，因此总效果是雪崩空穴流继续上升，直到外电压正半周结束。交流电压的负半周内：总端压小于击穿电压，雪崩将停止，但雪崩空穴流不会立即停止，只能按指数衰落。雪崩二极管形成的雪崩空穴电流是具有很窄的脉冲宽度的脉冲电流，合理的调整直流偏压和直流偏流，可使其峰值滞后于交流信号的峰值。里德二极管电压、电流和外电路感应电流的关系000利用小信号雪崩方程可以严格证明的基波相位比交变电场的基波相位滞后900，这一现象称为雪崩电流

5、的初始滞后，也称为雪崩倍增的电感特性。雪崩二极管（2）渡越时间效应在电场的作用下，雪崩产生的空穴电流将注入漂移区并向负极渡越，直到空穴流到达负极为止。当这一电流以饱和漂移速度在漂移区渡越时，外电路中将产生感应电流，它与管内运动电荷的位置无关，只取决于运动速度，而且只要雪崩空穴流在管内开始流动，外电路上就开始有感应电流，理想情况下是一个矩形波。I层本征漂移区的长度为饱和漂移速度为雪崩脉冲电流经过漂移区的渡越时间:合理设计漂移区的长度以控制空穴流渡越时间，可使管子渡越时间与外加交变电压的周期的关系为，这时对应的频率即称为漂移区的特征频率：雪崩二极管当工作频率时，从功率的角

6、度看，可认为是雪崩二极管这种工作模式的最佳工作频率。这时有，感应电流基波比雪崩电流基波滞后的相位为（即），可见若要提高雪崩管的工作频率，需减薄漂移区，即减小。外电路的感应电流与管子外加交变电压的总相位差为，从而二极管相对外电路呈现为一个射频负阻。把这样一个雪崩二极管与一个谐振选频回路相连接，可以把管子两端很小的初始电压起伏逐渐发展为一个射频振荡，相当于有射频功率从雪崩二极管输出，其振荡频率等于外加谐振选频回路的谐振频率，这是雪崩管可以产生微波振荡和具有微波放大作用的根本原因。综合上述，雪崩管的工作原理是利用了碰撞雪崩电离效应和载流子渡越时间效应，产生了负阻，这样的工作

7、模式就称为雪崩渡越时间模式，简称为崩越模或碰越模，工作于这一模式的雪崩管称为崩越二极管或碰越二极管。雪崩二极管3.特性参量（1）工作频率范围如果感应电流相对于外加交变电压的总相位差不正好为，只要能分离出一个负阻分量，就有可能产生射频振荡雪崩管有一定的调谐范围雪崩电流、感应电流和交变电压的关系雪崩二极管设雪崩电流与交变电压的相位差为，将受到直流偏流的影响。雪崩产生的空穴空间电荷注入到I层后形成的电场将削弱雪崩区的电场，直流电流越大，雪崩电流将越大，雪崩区电场下降越快，雪崩将过早停止，致使雪崩电流最大值出现在交变电压为零之前越早，这样电流基波滞后相位就越