第二讲-肖特基势垒二极管

单击此处编辑母版标题样式,第,2,章微波半导体基础,2.4,肖特基势垒二极管,利用金属与半导体接触形成肖特基势垒构成的微波二极管称为肖特基势垒二极管。这种器件对外主要呈现非线性电阻特性，是构成微波混频器、检波器和微波开关等的核心元件。,1.,结构,肖特基势垒二极管有两种管芯结构：点接触型和面结合型，如图,2-28,所示。点接触型管芯用一根金属丝压接在,N,型半导体外延层表面上形成金半接触。面结合型管芯先要在,N,型半导体外延层表面上生成二氧化硅,(SiO,2,),保护层，再用光刻的办法腐蚀出一个小孔，暴露出,N,型半导体外延层表面，淀积一层金属膜,(,一般采用金属钼或钛，称为势垒金属,),形成金半接触，再蒸镀或电镀一层金属,(,金、银等,),构成电极。,图,2-28,两种肖特基势垒二极管结构,(a),点接触型；,(b),面结合型,两种管芯结构的半导体一侧都采用重掺杂,N,+,层作衬底，并在其上形成欧姆接触的电极。面结合型管性能要优于点接触管，主要原因在于：,(1),点接触管表面不易清洁，针点压力会造成半导体表面畸变，其接触势垒不是理想的肖特基势垒，受到机械震动时还会产生颤抖噪声。面结合型管金半接触界面比较平整，不暴露而较易清洁，其接触势垒几乎是理想的肖特基势垒。,(2),不同的点接触管在生产时压接压力不同，使得肖特基结的直径不同，因此性能一致性差，可靠性也差。面结合型管采用平面工艺，因此性能稳定，一致性好，不易损坏。图,2-29,给出一种面结合型二极管的结构图和等效电路，从中可以看出各部分的结构尺寸量级。通常，这种管芯要进行封装才能方便地使用。肖特基势垒二极管的典型封装结构可采用“炮弹”式、微带式、,SOT,贴片式等，如图,2-30,所示。肖特基势垒二极管还有其他一些变形：将点接触和平面工艺优点结合起来的触须式肖特基势垒二极管，取消管壳、靠加厚的引线来支撑的梁式引线肖特基势垒二极管等。,图,2-29,面结合型二极管结构和等效电路,图,2-30,肖特基二极管的基本封装结构,(a)“,炮弹”式封装；,(b),微带封装；,(c)SOT,贴片封装,2.,等效电路,考虑封装对管芯参数造成的影响，肖特基二极管的等效电路如图,2-31,所示。不同材料和结构的肖特基二极管电路形式一样，元件的具体参数不同。图中虚线框部分表示管芯，其余为封装寄生元件。关键元件的名称和意义如下：,R,j,为二极管的非线性结电阻，是阻性二极管的核心等效元件。,R,j,随外加偏压而改变，正向时约为几欧姆，反向时可达,M,量级。,C,j,为二极管的非线性结电容，就是金半结的势垒电容,C,t,，其表达式为式,(2-31),。,C,j,随二极管的工作状态而变，电容量在百分之几皮法到一皮法之间。,图,2-31,肖特基势垒二极管等效电路,R,s,为半导体的体电阻，又叫串联电阻。点接触型二极管的,R,s,值为十欧姆到几十欧姆，而面结合型二极管的,R,s,值约为几欧姆。,L,s,为引线电感，为一至几纳亨。,C,p,为管壳电容，约为几分之一皮法。肖特基二极管作为非线性电阻应用时，除结电阻,R,j,之外，其他都是寄生参量，会对电路的性能造成影响，应尽量减小它们本身的值，或在微波电路设计时，充分考虑这些寄生参量的影响。,3.,伏安特性,一般地，肖特基势垒二极管的伏安特性可表示为式中：。与理想金半接触伏安特性公式,(2-29),相比较，式,(2-39),多了一个修正因子,n,。对于理想的肖特基势垒，,n,=1,；当势垒不理想时，,n,1,，且点接触型二极管,n,1.4,，面结合型二极管,n,1.05,1.1,。图,2-32,是肖特基势垒二极管的伏安特性曲线。反向饱和电流和电子电荷,(2-39),图,2-32,肖特基势垒二极管的伏安特性曲线,在伏安特性的基础上，可以得到肖特基势垒二极管的时变电流和时变电导。假定二极管两端的电压由两部分构成：直流偏压,U,dc,和交流信号,u,L,(,t,)=,U,L,cos,L,t,，即,u,(,t,)=,U,dc,+,U,L,cos,L,t,(2-40),代入式,(2-39),，求得时变电流为,i,(,t,)=,f,(,u,)=,I,S,exp(,U,dc,+,U,L,cos,L,t,),1,(2-41),图,2-33(a),给出这个电流曲线，由于电压是时变的，电流也是随时间作周期变化的。,图,2-33,肖特基势垒二极管的电流曲线和电导曲线,(a),肖特基势垒二极管时变电流波形；,(b),肖特基势垒二极管时变电导波形,定义二极管的时变电导,g,(,t,),为 根据式,(2-39),得,g,(,t,)=,i,(,t,)+,I,S,i,(,t,)=,I,S,exp(,U,dc,+,U,L,cos,L,t,),1,(2-43),图,2-33(b),给出了这个电导曲线的示意图，可以看出，瞬时电导,g,(,t,),也随时间作周期性变化。,(2-42),对式,(2-41),进行傅立叶级数展开,:,式中：,J,n,(,x,)(,n,=0,，,1,，,2,，,),是,n,阶第一类变态贝塞尔函数，,x,为宗量。其中的直流分量,I,dc,和相应于交流偏压的各次谐波电流幅度,I,n,:,I,dc,=,I,S,exp(,U,dc,),J,0,(,U,L,),I,n,=,I,S,exp(,U,dc,),J,n,(,U,L,)(,n,=1,，,2,，,3,，,),(2-45),(2-44),交流偏压的基波电流幅度,I,1,=,I,L,:,I,L,=2,I,S,exp(,U,dc,),J,1,(,U,L,),(2-46),根据贝塞尔函数的大宗量近似式，当,U,L,较大时，有,I,L,2,I,dc,因此交流偏压功率为,(2-47),(2-48),二极管对交流信号所呈现的电导为交流偏压一定时，,G,L,随,I,dc,的增大而增大，借助于,U,dc,来调节,I,dc,可以改变,G,L,的值，使交流信号得到匹配。,4.,特性参量,肖特基势垒二极管的主要特性参量有四个：截止频率、噪声比、变频损耗和中频阻抗。,(2-49),1),截至频率,f,c,图,2-31,所示的等效电路中，串联电阻,R,s,和结电容,C,j,，对非线性结电阻起分压和分流的作用。当给定,R,s,和,C,j,的值时，信号频率越高，,R,s,和,C,j,的分压、分流作用越严重，能量损失越大。定义,f,c,为肖特基势垒二极管的截止频率,:,式中：,C,j0,是零偏压时二极管的结电容。,(2-50),当外加电压的频率为,f,c,时发生谐振，微波信号在,R,s,上的损耗为,3 dB,，二极管不能良好地工作。,f,c,是肖特基势垒二极管工作频率的上限，它的值越大，肖特基势垒二极管的频率特性越好。目前，砷化镓肖特基势垒二极管的截止频率一般可达,400,1000 GHz(,砷化镓材料迁移率高，故,R,s,小,),。点接触式二极管由于结面积非常小，虽然,R,s,有所增加，但,C,j,大大减小，因此,f,c,可高达,2000 GHz,以上，在毫米波波段中发挥了重要作用。,2),噪声比,t,d,噪声比,t,d,为肖特基势垒二极管的噪声功率与相同电阻热噪声功率的比值。肖特基势垒二极管的噪声来源于三个方面：载流子的散粒噪声、串联电阻,R,s,的热噪声和取决于表面情况的闪烁噪声。由于,R,s,很小，接近理想势垒，且后两项噪声与散粒噪声相比很小可以忽略，因而这里仅考虑载流子散粒噪声的功率。正向偏置时，二极管的噪声可以等效为一个电流源，如图,2-34,所示，图中噪声电流源的均方值为,(2-51),式中：,I,是二极管的工作点电流；,B,是噪声带宽。,图,2-34,肖特基势垒二极管噪声等效电路,噪声电流源内导为二极管小信号电导,:,忽略,I,S,，则有故散粒噪声的资用功率为,(2-52),(2-53),(2-54),等效电阻在室温,T,0,下的热噪声资用功率为,kT,0,B,，二极管的噪声比为 当二极管温度,T,=,T,0,时，有对于理想肖特基势垒,(,n,=1),，,t,d,1,2,。实际上，考虑到其他各种因素，认为,t,d,1,。一般情况下，,1.2,t,d,2,。,(2-55),(2-56),3),变频损耗肖特基势垒二极管的基本用途是构成混频器。混频器的变频损耗表征肖特基势垒二极管实现频率变换的能力，定义为输入的微波资用功率和输出的中频资用功率之比。它与肖特基势垒二极管的特性以及混频器的电路形式和工作状态密切相关，后面会重点讨论。,4),中频阻抗肖特基势垒二极管的中频阻抗为在额定本振功率激励下，对指定中频呈现的阻抗。肖特基势垒二极管的中频阻抗典型值为,200,600,。,5.,肖特基势垒二极管的其他问题,肖特基势垒二极管的主要用途是构成混频器和检波器，使用场合不同，对器件的要求也不同。下面简要介绍工程设计中需要考虑的一些问题。,1),势垒高度势垒高度决定正向驱动电压，影响动态范围、噪声系数和接收灵敏度，它与所要求的本振功率密切相关。表,2-3,给出势垒高度应用情况。,表,2-3,势垒高度的应用,2),结电容与频率的关系结电容对工作频率的影响体现在容抗大小，一般原则是比传输线的特性阻抗小一点。经验参数是取容抗近似为,100,，在波导中略大一点，微带中略小一点。因此，选择二极管结电容的经验公式为,(2-57),3),噪声系数与本振功率的关系 若本振驱动功率小，则导通角小，变频损耗大，噪声系数大；若本振驱动功率过大，则正向电流过大，二极管发热，噪声增加，并且反向导通增加也会降低混频器的质量。可见，本振功率与噪声系数有一个最佳范围，后面会有详细计算。二极管的噪声来源由三部分构成，即散弹噪声、热噪声和闪烁噪声。通常，定义二极管的总输出噪声与其等效电阻在相同温度下的热噪声功率的比值为噪声温度比，器件厂家会给出其典型值。,4),硅和砷化镓二极管硅材料的肖特基二极管的截止频率高于,200 GHz,以上，工作在,Ku,频段以下可以得到良好的性能。在更高的工作频率或镜像回收混频器中，需要用到砷化镓肖特基二极管，其截止频率在,400 GHz,以上，这是由于砷化镓材料电子迁移率高，,R,s,小。如果选择混频器的中频频率较小，为了降低噪声，就必须提高本振驱动功率。为此，毫米波系统常采用多次中频方案。,