微波工程 - 组件

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本章将讨论微波组件，例如微波晶体管和不同类型的二极管。

微波晶体管

需要开发特殊的晶体管来承受微波频率。因此，对于微波应用，已经开发出能够在微波频率下提供足够功率的**硅n-p-n晶体管**。它们在3GHz频率下的典型功率为5瓦，增益为5dB。这种晶体管的横截面视图如下所示。

微波晶体管的构造

在构成集电极的**n+**衬底上生长**n**型外延层。在这个**n**区上，热生长SiO2层。将**p基极**和重掺杂的**n发射极**扩散到基极中。在氧化物上开孔用于欧姆接触。连接并行。

这种晶体管具有表面几何形状，分为叉指式、叠层式或矩阵式。这些形式如下图所示。

功率晶体管采用所有三种表面几何形状。

小信号晶体管采用叉指式表面几何形状。叉指式结构适用于L、S和C波段的小信号应用。

矩阵几何形状有时称为网格或发射极栅格。叠层和矩阵结构可用作UHF和VHF区域的功率器件。

微波晶体管的工作原理

在微波晶体管中，最初发射极-基极结和集电极-基极结反向偏置。施加微波信号后，发射极-基极结正向偏置。如果考虑**p-n-p**晶体管，则信号的正峰值施加会使发射极-基极结正向偏置，使空穴漂移到薄负基极。空穴进一步加速到集电极和基极端子之间偏置电压的负极。连接在集电极上的负载接收电流脉冲。

固态器件

固态微波器件的分类可以按以下方式进行：

• 根据其电气特性

  • 非线性电阻型。

    例如 - 变阻器（可变电阻）

  • 非线性电抗型。

    例如 - 变容二极管（可变电抗器）

  • 负电阻型。

    例如 - 隧道二极管、IMPATT二极管、冈恩二极管

  • 可控阻抗型。

    例如 - PIN二极管

• 根据其结构
  • 点接触二极管
  • 肖特基势垒二极管
  • 金属氧化物半导体器件 (MOS)
  • 金属绝缘体器件

这里提到的各种类型的二极管有很多用途，例如放大、检波、发电、移相、下变频、上变频、限幅调制、开关等等。

变容二极管

反向偏置结的电压可变电容可以称为变容二极管。变容二极管是一种半导体器件，其中结电容可以作为二极管反向偏置的函数而变化。典型变容二极管的CV特性及其符号如下图所示。

结电容取决于施加的电压和结设计。我们知道，

$$C_j \: \alpha \: V_{r}^{-n}$$

其中

• $C_j$ = 结电容

• $V_r$ = 反向偏置电压

• **$n$** = 决定结类型的参数

如果结反向偏置，则移动载流子会耗尽结，从而产生一些电容，其中二极管表现为电容器，结充当电介质。电容随着反向偏置的增加而减小。

二极管的封装包含连接到半导体晶片和连接到陶瓷外壳的引线。下图显示了微波变容二极管的外观。

它们能够处理大功率和大反向击穿电压。它们具有低噪声。虽然结电容的变化是该二极管中的一个重要因素，但寄生电阻、电容和电导与每个实际二极管相关，应保持较低。

变容二极管的应用

变容二极管用于以下应用：

• 上变频
• 参量放大器
• 脉冲产生
• 脉冲整形
• 开关电路
• 微波信号调制

肖特基势垒二极管

这是一种简单的二极管，表现出非线性阻抗。这些二极管主要用于微波检波和混频。

肖特基势垒二极管的构造

半导体晶片安装在金属基座上。一根弹簧加载的导线用尖端连接到该硅晶片。这可以很容易地安装到同轴线或波导线中。下图清楚地显示了其构造。

肖特基势垒二极管的工作原理

通过半导体和金属之间的接触，形成耗尽区。相比之下，金属区域的耗尽宽度较小。当接触时，电子从半导体流向金属。这种耗尽会在半导体中形成正空间电荷，并且电场会阻止进一步的流动，这导致在界面处形成势垒。

在正向偏置期间，势垒高度降低，电子被注入金属，而在反向偏置期间，势垒高度增加，电子注入几乎停止。

肖特基势垒二极管的优点

以下是优点：

• 低成本
• 简单
• 可靠
• 噪声系数4到5dB

肖特基势垒二极管的应用

以下是应用：

• 低噪声混频器
• 连续波雷达中的平衡混频器
• 微波检波器

冈恩效应器件

J B Gunn发现，当施加的电压超过某个临界值时，通过**n型GaAs**样品的电流会发生周期性波动。在这些二极管中，导带中有两个谷，**L谷和U谷**，电子的转移发生在它们之间，这取决于施加的电场。这种从较低的L谷到较高的U谷的粒子数反转效应称为**转移电子效应**，因此它们被称为**转移电子器件**(TED)。

冈恩二极管的应用

冈恩二极管广泛用于以下器件：

• 雷达发射机
• 空中交通管制中的应答器
• 工业遥测系统
• 功率振荡器
• 逻辑电路
• 宽带线性放大器