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1、● 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 2
2、DEG 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、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
4、 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。
5、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
6、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
7、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
8、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
9、 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
10、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
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