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射频电路设计(第六章)射频电路设计信息科学与技术学院目录第一章引言第二章传输线分析第三章Smith圆图第四章单端口网络和多端口网络第五章有源射频器件模型第六章匹配网络和偏置网络第七章射频仿真软件ADS概况第八章射频放大器设计第九章射频滤波器设计第十章混频器和振荡器设计第六章有源射频元件6.1半导体基础6.2射频二极管6.3BJT双极结晶体管6.4射频场效应晶体管6.5高电子迁移率晶体管6.1半导体基础本节以三种最为通用的半导体:锗(ce)、硅(si)和砷化镓(GaAs)半导体为例,简明地介绍构筑半导体器件模型的基本模块,特别是PN结的作...

射频电路设计(第六章)
射频电路设计信息科学与技术学院目录第一章引言第二章传输线分析第三章Smith圆图第四章单端口网络和多端口网络第五章有源射频器件模型第六章匹配网络和偏置网络第七章射频仿真软件ADS概况第八章射频放大器设计第九章射频滤波器设计第十章混频器和振荡器设计第六章有源射频元件6.1半导体基础6.2射频二极管6.3BJT双极结晶体管6.4射频场效应晶体管6.5高电子迁移率晶体管6.1半导体基础本节以三种最为通用的半导体:锗(ce)、硅(si)和砷化镓(GaAs)半导体为例,简明地介绍构筑半导体器件模型的基本模块,特别是PN结的作用。如右图(a)原理性地给出了纯硅的键价结构:每个硅原子有4个价电子与相邻原子共享,形成4个共价键。其中有一价键热分离(T>oK),造成一个空穴和一个运动电子。A、当不存在热能时,即温度为绝对零度(T=oK或T=-273.150C),所有电子都束缚在对应原子上,半导体不导电。B、当温度升高时,某些电子得到足够的能量,打破共价键并穿越禁带宽度Wg=Wc—Wv,如图b所示(在室温T=300K,Si的带隙能为1.12ev,Ge为o.62ev,GaAs为1.42ev)。这些自由电子形成带负电的载流子,允许电流传导。在半导体中,用n表示传导电子的浓度。当一个电子打破共价键,留下一个带正电的空位,后者可以被另一电子占据。这种形式的空位称为空穴,其浓度用p表示。在图6.1(a)中图示了平面晶体布置示意图,在图6.(b)显示了等效能带图示,图中在价带Wv中产生一空穴,在导带Wc中产生——电子,两个带之间的带隙能为Wg。6.1半导体基础带入得本征载流子浓度为:当存在热能(T〉oK)时,电子和空穴穿过半导体晶格作无规运动。如果一电子正好碰到一空穴,两者即结合,荷电互相抵消。在热平衡状态下电子和空六的结合数与产生数是相等的。其浓度遵从费米(Fermi)统计而有:其中               分别是在导带(Nc)和价带(Nv)中的有效载流子浓度。m对应半导体中电子和空穴的有效质量,由于与晶格的相互作用,它们不同于自由电子的静止质量,k是波尔茨曼常数,h是普朗克常数,T是绝对温度(K)。一、本征半导体:由热激发产生的自由电子数等于空穴数,即n=p=ni,所以电子和空穴的浓度按以下的浓度定律表述:ni是本征浓度,该式对掺杂半导体也适用n和p分别表示与导带和价带相关联的能级;WF是Fermi能级,电子有50%的概率占据该能级。对本征(纯)半导体,在室温下其费米能级非常靠近禁带的中部。6.1半导体基础据宏观电磁理论:材料的电导率为σ=J/E,  J是电流密度,E是外加电场.在宏观模型(Drude模型)下,电导率可通过载流子浓度N,有关元素的荷电量q,漂移速度vd以及电场E给出:在半导体中,电子和空穴两者都对材料的电导率有作用。在低电场下载流子的漂移速度正比于外加电场强度,其比例常数称为迁移率µd。则:其中µn和µp分别为电子和空穴的迁移率。对于本征半导体,由于有n=p=ni,则:环境温度对半导体的电性能有很大影响。由功率损耗使器件内部加热,可造成超过100—1500c的温升。注:在例题中忽略了带隙能随温度的变化,这将在第7章中讨论。6.1半导体基础二、掺杂半导体:通过引入杂质原子可以引发半导体的电特性作较大的改变。这种过程称为掺杂。1、N型半导体:为获得N型掺杂(提供附加电子到导带),所引入的原子较之原来在本征半导体晶格上的原子有更多的价电子。如:将磷(P)原子移植到si内,就在中性晶格内提供了弱束缚电子,如右图(b)由直觉看出:“额外”电子的能级比其余4个价电子的能级更接近导带。当温度上升到高于绝对零度时.这个弱自由电子从原子中分离出,形成自由负电荷,留下固定的磷正离子。这样,当仍保持电中性时,该原子施舍一个电子到导带,而价带中没有产生空穴。由于在导带中有了更多的电子,结果就导致Fermi的增高。成为N型半导体,其中电子浓度nn和少数空穴浓度Pn有如下关系:其中nD为施主浓度代入方程     得:当nD>>ni则:6.1半导体基础2、P型半导体:现在考虑添加的杂质原子比构成本征半导体品格的原子有更少价电子的情况。这种类型的元素称为受主.例如对于si晶格,硼(B)就属于这种元素。由图(c)(上页)可看出:共价键之一出现空六。这一空穴在能带隙中引入附加能态,其位置靠近价带。当温度从绝对零度向上升时,一些电子得到额外能量去占据空键,但其能量不足以越过禁带。这样,杂质原子将接受附加电子,形成净负电荷。在电子被移去的位置上将产生空穴,这些空穴可自由迁移,并对半导体中的传导电流作出贡献。用受主原子对半导体掺杂,就产生P型半导体,它有:其中:NA和np是受主和少数电子浓度。代入方程求解得:P型半导体中空穴浓度Pp和电子浓度np为:由于高掺杂NA>>ni则6.1半导体基础6.1.2PN结P型和N型半导体的物理接触引出厂与有源半导体器件相关联的最重要的概念之一:PN结。由于这两类半导体之间在载流子浓度上的差别,引起穿过界面的电流。这种电流被称为扩散电流,它由电子和空穴组成。如图所示的一维模型:扩散电流为:称Einstein关系:其中的Indiff和IPdiff分别为扩散电流的电子分量和空穴分量,A是与x轴正交的半导体截面积,Dn和Dp分别是电子和空穴的扩散常数。原来是中性的P型半导体,出现空穴扩散电流后,留下负空间电荷,N型半导体,出现电子扩散电流后,留下正空间电荷,扩散电流发生时,正电荷和负电荷之间产生电场E,从而产生感应电流,它与扩散电流方向相反,使IF+Idiff=0,则得:6.1半导体基础如果再考虑空穴电流从P型半导体到N型半导体的流动以及与之相抵消的场感应电流中的相应部分IPF,可以得到扩散阻挡层电压:以电势的导数代替电场,积分得扩散阻挡层电压(称内建电势):其中nn和np仍分别是N型半导体和P型半导体中的电子浓度。若:P型半导体中受主浓度NA>>niN型半导体中施主浓度ND>>ni则nn=NDnp=ni2/NA6.1半导体基础例题6.2确定PN结的扩散阻挡层电压或内建电压对一特定的(硅)PN结,掺杂浓度给定为NA=5xl018cm-3和N0=5xl015scm-3,以及其本征浓度ni=1.5xl010cm-3,求在T=300K下的阻挡层电压。解:阻挡层电压直接由(6.20)式确定:内建电势依赖于掺杂浓度和温度。对不同半导体材料(本征载流子浓度不同),即使掺杂密度是相同,其内建电压将是不同的。要确定沿X轴上的电势分布,可应用泊松(Poisson)方程,在一维分析下写成设定均匀掺杂和跳变结点近似,如图6.5b所示,而有每一材料中的电荷密度:其中dp和dn分别是在P型半导体和N型半导体中空间电荷的延伸长度,见图6.5(a)。对上式积分可求出半导体在空间范围—dp≤x≤dn内的电场:其中:ρ(x)是电荷密度,εr是半导体的相对介电常数。电场分布见图d6.1半导体基础所得到的电场分布的结果描绘在图6.5(d)小。在推导(6.23)式时,利用了电荷抵消规律,即要求半导体内总空间电荷为零这一事实,对于高掺杂半导体这等效于以下条件:为获得电压沿x铀的分布,对(6.23)式积分如下:总电压降为扩散电压:6.1半导体基础正空间电荷区在N型半导体内的延伸长度:正空间电荷区在N型半导体内的延伸长度:总长度:三、结点电容:是射频器件的一个重要参量,因为在高频运行下低电容意味着有快捷的开关速度和适应能力。通过熟知的平扳电容器公式可找出结电容:C=εA/ds把距离代人上式.得到电容的表达式如下如果外电压VA加到结点上:出现如图6.6所示的正反两种情况,说明了二极管的整流器作用。6.1半导体基础反向馈电见图6.6(a)增加空间电荷区并阻断电流流动,只是由少数载流子(N型半导体中的空穴和P半导体中的电子)造成的漏电流。与此相反,正向馈电由于在N型半导体中注入额外的电子和在P型半导体中注入额外的空穴,而使空间电荷区缩小。为表述这些情况,必须对上面给出的方程(6.27)和方程(6.28)加以修改,用Vdiff-VA代替原式中的阻挡层电压Vdiff:可看出:空间电荷区或是增大或是缩小取决于VA的极性。导致空间电荷区或耗尽层的总长度:6.1半导体基础例题6.3计算PN结的结电容和空间电荷区的长度对于硅半导体的一个跳变PN结,在室温下(εr=11.9,ni=xl010cm-3其施主和受主浓度分别等于NA=l015cm-3和N0=5xl015cm-3。意欲找出空间电荷区dp和dn以及在零偏置电压下的结电容。证明PN结的耗尽层电容表示成下列形式:其中cJ0是零偏置电压下的结电容。确定cJ0,并描述出耗尽层电容与外电压的函数关系(设PN结的横截面积A=10-4CM2)。解:把外电压VA引入到电容表达式(6.30)中.得到:令:计算得:CJ0=10.68PF当外加电压接近内建(阻挡层)电势时.结电容趋于无限大。然而在实际上此时开始达到饱和,这将在后面介绍6.1半导体基础四、肖特基二极管方程:对流过二极管的电流.列出肖特基二极管方程(在附录F中有推导):I=I0(ev/VT-1)其中Io是反向饱和电流或漏电流。通常称这电流一电压特性曲线为I-V曲线,如图6.8所示。该曲线表明:在负压下有一小的、与电压无关的电流(-Io),而在正压下则为指数增长电流。(图示中的函数关系是理想化的,末考虑到击穿现象。但上式显示出了在外加交流电压下PN结的整流性质。)耗尽层或结电容的存在要求PN二极管上加有负电压。(如上例题),这意味着VAVdiff,则它占支配地位。该电量可定量给出,即电量Qd等于二极管电流I与载流子穿过二极管的渡越时间τT的乘积:显然扩散电容与外电压和结温度非线性关系:可见它与工作电压有强烈地依赖关系。通常.PN二极管的总电容c可粗略地划分成三个区域:1.VA<0,只有耗尽层电容是重要的;C=CJ2.0
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