C j max - C j min 2(C j max + C j min )
串联电阻 Rs 品质因素 Q
Rs = R p + Rn + Rb + Rc
在工作频率f下，变容二极 管的容抗与串联电阻之比
主要由低掺杂一侧的 电阻决定 1 2p fC j Q= Rs
质量的标志、反映了变容二极管储存能量与耗散能 力，越高越好，减小串联电阻可提高Q 截止频率 fc 一定偏压下，Q＝1时的频率
主要功能 微波振荡
结构特点 单边突变 结 肖特基势 垒结
肖特基势 垒二极管 体效应二 极管
MS接触 多子器件 无结器件
Si GaAs GaAs InP
混频、检 波 微波振荡 放大
肖特基势 垒 结构简单、 掺杂浓度 及厚度一 定的n层
名称 微波双极 晶体管
类型 pn结 三端器件
常用材料 Si
工作原理 由电流控 制的对输 入信号的 放大作用
MS接触 三端器件
高电子迁 移率晶体 管HEMT
异质结场 效应晶体 管
AlGaAs/GaAs 电压控制 高迁移率 2DEG实现 信号控制 和放大
多层外延 异质结 台面型 平面型
微波二极管
种 类 ¾变容二极管 ¾隧道二极管 ¾阶跃恢复二极管 ¾pin二极管 ¾雪崩二极管 原理 ¾pn结的电容效应 ¾隧道效应 ¾电荷储存效应 ¾雪崩击穿特性 应 用 调谐、倍频、毫 微秒脉冲发生器 、限幅器、控制 器、混频器、微 波开关、移相器 、衰减器 ……
h= Pa Va I a = Pd Vd I d
雪崩渡越时间二 极管的效率
输出功率和电源供给的功率之比。
1 理论值 h = p
实际一般在20％以下
空间电荷、串联电阻、趋肤效应、散热等都有影响 雪崩渡越时间二 极管的噪声 输出信号的幅度和频率所产生的不规则变化 由于产生机制是雪崩效应，噪声高，对工作状态灵敏。
阻止载流子的扩散
电场下的漂 移运动
平衡时扩散＝漂移 存在自建电场
平衡时 对于电子
自建电场 Bulit-in electric field
对于空穴
阶跃二极管的原理
正向偏置 少子减速场 少子寿命长 非平衡载流子的注入及其在扩散区边扩散边复合
阻碍
注入少子的扩散 注入少子来不 及复合
少子储存 在扩散区
阶跃二极管的原理
势垒注入渡越时间二极管 BARITT
通过势垒注入产生载流子，以势垒注入的时间延迟替代雪崩倍增 的时间延迟。仍然利用渡越时间延迟。 常见的势垒有：金属－半导体接触和pn结
小功率、低噪声 MSM结构 MSp＋结构 p＋np＋结构
BARITT
势垒注入渡越时间二极管的工作原理
Es速度饱和临界电场
I－V特性
电磁波波段的划分
波段名称及相应频带
微波器件的分类 按结构组成分： pn结器件 变容二极管、隧道二 极管、阶跃恢复二极 管、pin二极管、雪崩 二极管、双极型微波 晶体管、HBT pn结的电容效应、隧道 效应、电荷储存效应、 雪崩击穿特性
金属半导体接触器件
体效应器件 转移电子 器件、耿 氏二极管 耿氏效应 （体效 应），能谷 间的电子转 移
雪崩渡越时间二极管 IMPATT
利用pn结耗尽区在强电场下的碰撞电离的效应和渡越时间效应使电 流滞后于电压，从而获得微波振荡 输出功率大 连续输出功率可达110mW 振荡频率较高 振荡频率可从1GHz到300GHz 噪声较大 由于载流子是由碰撞电离产生 IMPATT是微波功 率最强的固态源
里德二极管
1、变容二极管
器件结构
C－V特性
单个pn结构成
参量放大、倍频、电调谐
基本工作原理－pn结电容随外加偏压变化
耗尽层电容
∂Q ∂Q ∂xd (V) C= = ∂V ∂xd (V) ∂V
扩散电容 少子扩散区内过剩少子的存储引
Q = qAN D xd
C＝ A xd
ε
起（正偏压时显著，低频时显著〕
QD = 1
加直流偏置时，一个pn结正偏另一个反 偏，电压较小时，反偏结的空间电荷区 较薄，器件中只能留过小的反向饱和电 流。 偏压增大后，反偏结空间电荷区展宽， 并最终穿通，正偏结注入的大量空穴基 本上以饱和漂移速度渡越n区，于是电流 随偏压以指数关系增大。 大注入时，注入载流子密度和n区掺杂浓 度可比拟时将影响漂移区内的电场分 布，I－V的指数关系发生变化。
τn
∫ qΔndx +
P
1
τp
N
∫ qΔpdx
突变结 n＋p结 p＋n结 NA>>ND
线性缓变结 C－V关系可以写成
n与变容二极管的杂质分布形式相关 为避免工作时出现电流，通常变容二极管的工作电压限制在正向导通 电压VD和反向击穿电压VB之间。
主要参数
电容变化系数 二极管电容随电压相对变化的大小。 g=
主要功能 低噪声放 大 功率放大 低噪声放 大 功率放大 低噪声放 大 功率放大 低噪声放 大 功率放大
结构特点 窄线条、 浅扩散、 npn 宽禁带发 射区，异 质结 NB>NE 台面型 平面型
微波异质 结双极晶 体管 HBT 微波GaAs MESFET
pn结 三端器件
SiGe 由电流控 AlGaAs/GaAs 制的对输 InP/InGaAsP 入信号的 放大作用 GaAs 由电压控 制的对输 入信号的 放大作用
雪崩效应
t＝T/2－T时
反向偏压 低于雪崩 击穿电压 雪崩过 程停止 Ia 下 降 T时降 至最小
漂移区
空穴以饱 和速度进 入p＋区 雪崩产 生的电 子空穴 电子以饱和速度 渡越宽为W的空 间电荷n＋区， 渡越时间τt 漂移效应
W tt = us
电子漂移引起 的电流为Ie 当总延时为π时，实现电流和电 压间的反向，即出现负阻特性
肖特基势 垒二极管、 MESFET 金属半 导体接 触的特 性
主要微波半导体器件
名称 变容二极 管 阶跃恢复 二极管 pin二极管 类型 pn结器件 常用材料 Si GaAs 工作原理 pn结的非 线性电容 pn结电容 存储效应 主要功能 结构特点
参量放大、 突变结 倍频、电 超突变结 调谐 高效率、 高次倍频 缓变结
pn结器件 pn结器件
Si Si
利用高阻i 微波开关、 单边突变 层在正、 移相器、 结 反偏压下 衰减器 台面型 对p＋i结和 平面型 n＋i结注入 载流子的 存储和扫 出时的可 变电阻
名称 雪崩二极 管
类型 pn结器件
常用材料 Si GaAs
工作原理 反向击穿 电压所产 生的雪崩 倍增效应 等以产生 负阻特性 MS接触的 整流 不同能谷 间电子转 移效应所 导致的负 阻效应
微波半导体器件
¾概述 ¾微波二极管 ¾转移电子器件（体效应器件） ¾微波晶体管
¾概述
微波半导体器件 微 波 工作在微波波段的二极管、晶体管 波长介于1m和1mm之间的电磁波。 相应频率在几百MHz－几百GHz
分 米 波 厘 米 波 毫 米 波 亚 毫 米 波 微波半导体器件广泛应用于微波通信系统、 遥测系统、雷达、导航、人造卫星、宇宙 飞船、导弹及电子对抗等领域。
负阻效应
dV R负 = di
器件的电流与外加电压反相，相位 相差180o，于是随着电压的减小， 电流增加。
利用负阻效应，可以 得到交流功率，将直 流电源的能量转换为 振荡信号的交流能量。
渡越时间二极管的工作原理
产生区 产生载流 子波包 产生过程 需要建立 时间，产 生延迟1 渡越过程 需要时 间，产生 延迟2
IMPATT
双边二极管 改进型里德二极管 p－i－n二极管
雪崩渡越时间二极管的工作原理
里德（Read）二极管 n+pip+ 或 p+nin+ 正常工作时 直流反向偏置在雪崩状态，空间 电荷区贯穿整个n区、i区 EB雪崩击穿临界电场 Es速度饱和临界电场 雪崩区 xA p＋n结势垒薄层E>EB 发生雪崩击穿 漂移区 xA 以外的n和i区，电场 分布较均匀，并有Es<E<EB 雪崩停止，载流子以饱和速度漂 移。
BARITT的有效工作电流密度须低于
J = qu s N D
直流偏置在器件的穿通状态，并在其上加 一定频率的交流正弦电压。 注入的空穴以饱和速度渡越耗尽区，在 交流电压达到峰值时，空穴以δ函数形式 注入，注入角为π/2. 随后以一定的延迟时间渡越耗尽区。 通常渡越角在π－2 π之间，则可出现负 阻特性。 如：渡越角为3π/2，即空穴经过3/4周 期到达负端。
渡越时间二极管
利用二极管中因渡越时间而产生负阻的一类两端器件 作用－微波振荡，微波功率源。 种类： •雪崩渡越时间二极管 IMPATT •势垒注入渡越时间二极管 BARITT •俘获渡越时间二极管 TRAPATT •双速度渡越时间二极管 DOVETT 共同的机制： 动态地产生负阻
一般正阻， 电流和电压 是同位相的 R＝V/I
原因
电子的谷间转移 高能谷： 有效质量大、 迁移率小
主能谷： 有效质量小、 E<E th 迁移率大
转移电子效应
现象
•将n型GaAs棒状单晶样品的两端制成，逐渐提高加于样品 两端的直流电压，当其上的平均电场达到某一阈值后，便 会产生电流振荡现象。 •振荡频率约等于电子渡越样品全长所需时间的倒数，通常 为微波波段。 •该效应产生于GaAS、InP、CdTe、ZnSe等材料的体内， 为体效应。
转移电子效应
阶跃二极管的结构特点
N区的杂质浓 度具有大的 正浓度梯度 p区深结扩 散，分布基 本与n区对称 少子的 减速场
－＋ － ＋
少子的 减速场
少子具有足够长的寿命
半导体中的非均匀掺杂
没有外场时 掺杂不均匀