1、第三章 毫米波固態(tài)器件及電路3.1 毫米波固態(tài)振蕩器3.2 放大器3.3 混頻器3.4 倍頻器3.5 其它器件和電路3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介3.1 毫米波固態(tài)振蕩器毫米波源主要實現(xiàn)方式：真空電子管器件源快波型：回旋管（Gyrotron）、萊達(dá)管（Ledatron）、潘努管（Peniotron）慢波型：正交場放大器（CFA）、磁控管（Magnetron）、速調(diào)管（Klystron）、行波管（TWT）、返波管（BWO）固態(tài)功率器件源二端器件：碰撞電離雪崩渡越時間二極管(IMPATT)、耿氏管或體效驗管(Gunn)三端器件：金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）、高電子遷移率晶體管（HEMT

2、）、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）其它 光導(dǎo)毫米波源等優(yōu)缺點：真空電子管器件源優(yōu)點：輸出功率高（KW）缺點：需要很高的陽極電壓、強磁場和特殊電子槍導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、重量重、成本高固態(tài)功率器件源優(yōu)點：工作電壓低、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長、價格低缺點：輸出功率相對較低（W），作用距離10km量級。戰(zhàn)場偵察雷達(dá)、導(dǎo)彈末制導(dǎo)、引信、傳感器和靈敏炸炮彈3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介行波管3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介IMPATTHEMT3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介IMPATT器件可用于30GHz300GHz的整個毫米波頻率范圍，有很好的連續(xù)波和脈沖功率效率與可靠性Gunn

3、器件也可以用到140GHzFET器件目前可以用到90GHz以上3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介毫米波固態(tài)振蕩器的一般理論振蕩:電壓、電流或其他電量的幅度隨時間而反復(fù)變化的物理現(xiàn)象這種變化通常是周期性的。 經(jīng)典力學(xué)電學(xué)機械（壓電）量子力學(xué)（諧振子）3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介Piezoelectric MEMS (pMEMS) Resonator IDT電學(xué)振蕩器分類：3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介毫米波固態(tài)振蕩器的一般理論分為正弦振蕩器 和非正弦振蕩器或諧波振蕩器和弛張振蕩器（非正弦）一、按振蕩波形分：分為高頻振蕩器 和低頻振蕩器二、按頻率分：三、按振蕩原理分：分為反饋型振蕩器和負(fù)阻型振

4、器分為LC振蕩器和RC振蕩器四、按選頻回路分：3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介反饋型振蕩器負(fù)阻型振器毫米波固態(tài)振蕩器的一般理論巴克豪森條件（振蕩的平衡條件A1 ）振蕩器換能器：DCAC器件固有的非線性特性和器件電流作用非線性電路毫米波負(fù)阻振蕩器的構(gòu)成固態(tài)器件：晶體管、體效應(yīng)管和雪崩管等諧振電路：波導(dǎo)腔、微帶線、鰭線等負(fù)阻振蕩器原理 起振條件、平衡條件和穩(wěn)定性 毫米波固態(tài)振蕩器的一般理論3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介起振條件只考慮穩(wěn)態(tài)振蕩時器件中的電流基波分量i(t)=Icos(t+)設(shè)器件的微分阻抗和電路阻抗分別為Zd(I)=-RD(I)+jXD(I)Z()=

5、R()+jX()3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介平衡條件振蕩平衡的幅度條件：R()-RD(I)=0振蕩平衡的相位條件：X()-XD(I)=0負(fù)阻振蕩器起振后，振蕩幅度不可能一直增長，由于負(fù)阻器件的非線性特性，隨著振蕩幅度I的增長，負(fù)阻|RD|下降。直到|RD|=r（外接回路損耗電阻）時，達(dá)到平衡，實現(xiàn)穩(wěn)幅振蕩。3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介振蕩平衡復(fù)數(shù)表達(dá)式：Z()-ZD(I)=0器件阻抗和外電路阻抗軌跡圖（ZD(0)為起振時器件阻抗）3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介穩(wěn)定性 由振蕩平衡決定的某個工作點（0,I0），可能是穩(wěn)定的，也可能是不穩(wěn)定。由于外界原因、環(huán)境溫度或電源波動等， 導(dǎo)致振蕩偏

6、離原來的平衡點，例如I0變?yōu)镮0+I，當(dāng)引起偏離的因素一旦消失，振蕩能回到原來的狀態(tài)，這樣的工作點為穩(wěn)定工作點；若不能恢復(fù)，而振蕩到另外一種狀態(tài)，或者停止振蕩，這種工作點就為不穩(wěn)定工作點。振蕩穩(wěn)定條件(Kurokawa)任何原因引起的噪聲源在振蕩器噪聲分析中都可以看成是一個與器件阻抗串聯(lián)的電壓源，它將引起器件電流的振幅和相位起伏。振蕩器噪聲分析注入鎖定注入鎖定技術(shù)經(jīng)常用來改善振蕩器輸出相位和頻率穩(wěn)定度。將一個接近自激振蕩頻率的小信號注入到振蕩器中，振蕩頻率將與注入信號同步。3.1.1 毫米波固態(tài)振蕩器簡介W. T. Read在1958年提出一種二極管結(jié)構(gòu)設(shè)想：利用PN結(jié)構(gòu)在高電場作用下，隨著反

7、向電壓的增加，那些動能大于原子對價電子束縛能的載流子和原子碰撞時，使得價電子獲得能量，脫離束縛變?yōu)樽杂呻娮?，這種現(xiàn)象叫“碰撞電離”，同時產(chǎn)生一個“空穴”，所產(chǎn)生的電子空穴對在強場作用下，分別向正負(fù)極運動，運動過程中又碰撞別的原子而產(chǎn)生電子、空穴對，于是電離子像混雪球一樣逐漸增多，故稱為“雪崩倍增”或“雪崩擊穿”。3.1.2碰撞電離雪崩渡越時間（IMPATT）振蕩器3.1 毫米波固態(tài)振蕩器3.1.2 IMPATT振蕩器電子殼層不同支殼層電子1s；2s，2p；3s，2p，3d；共有化運動原子的能級原子能級分裂為能帶 3.1.2 IMPATT振蕩器價帶：0K條件下被電子填充的能量的能帶導(dǎo)帶：0K條件

8、下未被電子填充的能量的能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價帶頂之間的能量差導(dǎo) 帶價 帶Eg3.1.2 IMPATT振蕩器半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)只有非滿帶電子才可導(dǎo)電導(dǎo)帶電子和價帶空穴具有導(dǎo)電特性；電子帶負(fù)電-q（導(dǎo)帶底），空穴帶正電+q（價帶頂）3.1.2 IMPATT振蕩器3.1.2 IMPATT振蕩器半導(dǎo)體的摻雜3.1.2 IMPATT振蕩器半導(dǎo)體的摻雜PN結(jié)是同一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界;PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，了解它的工作原理有助于更好地理解器件;3.1.2 IMPATT振蕩器PN結(jié)雜質(zhì)分布下面兩種分布在實際器件中最常見也最容易進(jìn)行物理分析3.1.2 IMPATT振蕩器PN結(jié)雜質(zhì)分布3.

9、1.2 IMPATT振蕩器PN結(jié)的形成3.1.2 IMPATT振蕩器1965年首次報道在簡單的Si PN結(jié)二極管上獲得了微波振蕩;在整個毫米波頻段甚至亞毫米波頻段低端，IMPATT器件都可以用作產(chǎn)生毫米波功率;目前，Si材料的IMPATT二極管在毫米波器件中幾乎處于壟斷地位，這是因為它具有有效散熱所需的良好熱傳導(dǎo)特性;3.1.2 IMPATT振蕩器IMPATT 二極管 碰撞電離雪崩渡越時間(IMPATT) 是利用雪崩倍增和半導(dǎo)體器件的渡越時間特性來產(chǎn)生在微波頻率時的負(fù)電阻。與具有負(fù)阻的其它二極管（如TED或隧道二極管）相比，它在較高頻下能夠產(chǎn)生更高的功率，而且十分可靠。 弱點：因雪崩倍增過程的

10、不規(guī)律變動所引起的噪聲甚高。3.1.2 IMPATT振蕩器IMPATT 二極管典型結(jié)構(gòu)右圖顯示摻雜分布和一個單邊突變p-n結(jié)在雪崩擊穿時的電場分布(單漂結(jié)構(gòu))。由于電場對電離率有很強的影響，因此大部分的擊穿倍增過程發(fā)生在0和xA之間的最大電場附近的狹窄區(qū)域(斜陰影面積)。xA是雪崩區(qū)域的寬度，在這寬度內(nèi)有超過95的電離發(fā)生。 3.1.2 IMPATT振蕩器圖(b)顯示一高摻雜N1區(qū)域，緊接一個較低摻雜N2區(qū)域的高-低(hi-lo)結(jié)構(gòu)。隨著適當(dāng)?shù)剡x擇摻雜濃度和它的寬度b，雪崩區(qū)域可以被限制在N1區(qū)域內(nèi)。圖(c)是一個低-高-低(lo-hi-lo)結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中，有一“團(tuán)”施主被放置在x=b處

11、。因為在x=0到x=b之間，存在一個近似均勻的強電場區(qū)域，擊穿區(qū)域相當(dāng)于b，且其最大電場遠(yuǎn)小于單純的高-低結(jié)構(gòu)。 IMPATT 二極管典型結(jié)構(gòu)3.1.2 IMPATT振蕩器當(dāng)器件加上一個反向直流電壓VB，使其剛好達(dá)到雪崩時的臨界電場Ec圖(a)，此時雪崩倍增將會開始。在t=0時，一個交流電壓疊加在此直流電壓上面，如圖(e)中所示。產(chǎn)生在雪崩區(qū)域的空穴移到p+區(qū)域而電子則進(jìn)入漂移區(qū)域。 IMPATT 二極管動態(tài)特性3.1.2 IMPATT振蕩器低-高-低結(jié)構(gòu) 當(dāng)供給的交流電壓變正(即與反向直流偏壓一致)時，有更多的電子在雪崩區(qū)域中產(chǎn)生，如圖(b)所示的虛線。只要電場超過Ec，電子脈沖便持續(xù)增加。

12、電子脈沖在時達(dá)到它的峰值，而不是當(dāng)電壓為最大值時的/2圖(c)。因此，在雪崩過程中，注入的載流子濃度(電子脈沖)落后于交流電壓的相位/2。 3.1.2 IMPATT振蕩器IMPATT 二極管動態(tài)特性低-高-低結(jié)構(gòu)另外的一個延遲是由漂移區(qū)域所形成的。一旦供給電壓低于 VB(t2)時，只要漂移區(qū)域的電場足夠高，則注入的電子將會以飽和速度漂向n+接觸窗圖(d)。3.1.2 IMPATT振蕩器IMPATT 二極管動態(tài)特性上述兩方面的原因可使外電路感應(yīng)電流相位對于vac延遲大于/2，從而獲得負(fù)阻效應(yīng) 。 低-高-低結(jié)構(gòu)渡越時間：載流子在漂移區(qū)的漂移時間=W/vs, 稱為渡越角。渡越時間頻率：令=,則 f

13、d=vs/2W 由 /2可得器件工作頻率 f1/=2fd因此雪崩管要呈現(xiàn)負(fù)阻特性，工作頻率有上限?！纠抗璨牧希瑅s=10e7cm/s,I層寬度為2.5m時，其fd=20GHz為最佳工作頻率，極限值40GHz。3.1.2 IMPATT振蕩器單雙漂結(jié)構(gòu)對比單漂區(qū)（SDR）雙漂區(qū)（DDR）結(jié)構(gòu)p+-n-n+p+-p-n-n+漂移區(qū)數(shù)量12結(jié)面積較小較大輸出功率較小較大工藝復(fù)雜性和成本較低較高3.1.2 IMPATT振蕩器毫米波IMPATT二極管的封裝結(jié)構(gòu)和熱模型3.1.2 IMPATT振蕩器IMPATT二極管CW功率隨頻率變化3.1.2 IMPATT振蕩器IMPATT二極管脈沖功率隨頻率變化3.1

14、.2 IMPATT振蕩器IMPATT二極管封裝結(jié)構(gòu)（100GHz以下）陶瓷環(huán)封裝f50GHz石英環(huán)封裝50GHzf100GHz3.1.2 IMPATT振蕩器IMPATT二極管開放結(jié)構(gòu)（100GHz以上）單石英支撐雙石英支撐直接接觸3.1.2 IMPATT振蕩器1963年J.B.Gunn(IBM) 發(fā)現(xiàn)在外加電場作用下半導(dǎo)體能級間電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)；RWH（ Radley, Watkins, Hilsum ）雙谷理論模型（場強增加，遷移率下降）；1964年Kromer證明了二者是同一種效應(yīng)。3.1.3 Gunn振蕩器3.1 毫米波固態(tài)振蕩器Gunn效應(yīng)是基于砷化鎵和磷化銦等材料“體”內(nèi)載流子運

15、動產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)（以發(fā)明者Gunn命名)。由于耿氏器件中采用的是一塊N型砷化鎵等晶體的半導(dǎo)體材料，與IMAPTT二極管的PN結(jié)不同，它沒有結(jié)，故又將耿氏器件稱為體效應(yīng)器件。由于這種器件的工作機理基于轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)，故也將這種器件稱為轉(zhuǎn)移電子器件（TED）。3.1.3 Gunn振蕩器耿氏二極管工作原理：當(dāng)電壓逐漸增加時，電流也跟著大，這是正阻區(qū)。當(dāng)電壓升到某一臨界值Vth時，電流達(dá)到它的最大值Ith。隨著電壓的進(jìn)一步增大，電流反而減小，這就是我們常講的負(fù)阻現(xiàn)象，或叫負(fù)微分電阻。當(dāng)電壓增大到Vb以后，如果繼續(xù)增大電壓，電流又開始上升，進(jìn)入另一正阻區(qū)。3.1.3 Gunn振蕩器耿氏二極管工作原理：

16、如果適當(dāng)選擇管的直流工作點，就可能利用它的負(fù)阻特性來產(chǎn)生高頻振蕩。耿氏二極管工作機理 負(fù)微分電阻：運動載流子（例N型GaAs中的電子）從外加場獲得能量，從低質(zhì)量高遷移率的主能帶過渡到高有效質(zhì)量和低遷移率的伴隨能帶。3.1.3 Gunn振蕩器3.1.3 Gunn振蕩器1.高能谷底部和低能谷底部能量差大于熱能（室溫為0.026eV, KT/q）,使低能帶不被熱激發(fā)；2.兩能谷能量差要小于禁帶能量（GaAs1.43eV,InP1.34eV）,否則半導(dǎo)體被擊穿；3.高能谷電子遷移率遠(yuǎn)小于低能谷。GaAs和InP特性比較3.1.3 Gunn振蕩器性質(zhì)GaAsInP禁帶寬度1.43eV1.34eV熱導(dǎo)率0

17、.54W/cmC0.68W/cmC碰撞產(chǎn)生的能量弛豫時間610-12s310-12s高低能谷能量差0.35eV0.65eVE=2Eth時的電子擴散系數(shù)142cm2/s72cm2/s峰谷電壓比（Vp/Vv）2.22.434工作頻率噪聲效率3.1.3 Gunn振蕩器GaN-based Gunn Diodes: Their Frequency and Power Performance and Experimental Considerations（The University of Michigan，USA）3.1.3 Gunn振蕩器能量弛豫時間1.2psThree-Terminal Graphe

18、ne Negative Differential Resistance Devices(ACS Nano,2012,6(3), pp 26102616)3.1.3 Gunn振蕩器These three terminal graphene NDR devices offer more operation flexibility than conventional two-terminal devices based on tunnel diodes, Gunn diodes, or molecular devices, and open up new opportunities for grap

19、hene in microwave to terahertz applications.Gunn二極管如何產(chǎn)生振蕩？3.1.3 Gunn振蕩器1.當(dāng)外加電壓VVth時，在隨機噪聲噪聲起伏形成的小偶極子中的場強達(dá)到閾值電場，電子平均漂移速度減慢，但左右兩側(cè)電子仍是快電子，使得電子在左側(cè)積累，右側(cè)形成正離子區(qū)，形成偶極疇。3.當(dāng)外加電壓到偶極疇電子遷移率和疇外電子遷移率相同時，疇趨于穩(wěn)定。4.疇穩(wěn)定后向陽極漂移，直至被陽極吸收而消失。3.1.3 Gunn振蕩器可見如果要形成疇，則L/Vsd，即Ln01012（cm-2）,所以振蕩頻率與電子濃度和樣品長度有關(guān)。3.1.3 Gunn振蕩器Gunn二極管

20、振蕩電路工作模式 當(dāng)體效應(yīng)管端加電壓Vd=V0+V1cos(t)時，二極管內(nèi)疇的產(chǎn)生、渡越和消散時間(D、 P、 d)均與振蕩周期T0(0)有關(guān)，于是有下列幾種模式：渡越時間模式（ 0 = P ,10%效率）延遲時間模式（ 0 P ,20%效率）塌陷模（ D 0 P ,13%效率）限制空間電荷積累模式(LSA)(0 D ，20%效率,頻率最高) 3.1.3 Gunn振蕩器耿氏二極管結(jié)構(gòu)：3.1.3 Gunn振蕩器體效應(yīng)二極管結(jié)構(gòu)及其等效電路R不是結(jié)電阻，而是負(fù)阻，C不是結(jié)電容、而是等效電容；Lp和Cp分別是封裝電感和封裝電容，Rs是半導(dǎo)體材料電阻和接觸電阻。耿氏二極管結(jié)構(gòu)及其等效電路：3.1.

21、3 Gunn振蕩器諧振腔與耿氏二極管組合等效電路二極管具有負(fù)阻-Rd，而負(fù)載則是正電阻R0，由于-Rd與R0并聯(lián)，它的電阻為R 。3.1.3 Gunn振蕩器耿氏二極管振蕩電路等效分析如工作點選擇恰當(dāng)且能滿足Rd1天）、短期穩(wěn)定度(1天)、瞬時穩(wěn)定度（秒）。頻率調(diào)諧范圍（變?nèi)莨堋㈣F氧體YIG）3.1.4 振蕩器電路結(jié)構(gòu)振蕩器輸出的頻譜3.1.4 振蕩器電路結(jié)構(gòu) 振蕩頻率的隨機起伏稱為瞬時頻率穩(wěn)定度，頻率的瞬變將產(chǎn)生調(diào)頻噪聲、調(diào)幅噪聲（相位噪聲（ dBc/Hz ）。3.1.4 振蕩器電路結(jié)構(gòu)負(fù)阻振蕩器的電路類型波導(dǎo)腔振蕩器同軸腔振蕩器微帶線振蕩器鰭線振蕩器 波導(dǎo)腔振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖(1) 波導(dǎo)腔振蕩

22、器由于波導(dǎo)諧振腔比同軸諧振腔品質(zhì)因數(shù)高、耗損也小。則波導(dǎo)腔振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定度；且波導(dǎo)腔振蕩器具有好的噪聲性能?；谶@兩點，波導(dǎo)腔諧振器獲得了廣泛應(yīng)用，它主要用于X波段以上的頻段，特別適用是毫米波頻段。調(diào)諧范圍一般在5%一20%。3.1.4 振蕩器電路結(jié)構(gòu)3.1.4 振蕩器電路結(jié)構(gòu)吸收負(fù)載的位置，腔體尺寸，輸出負(fù)載以及短路活塞的位置都是獲得較高功率的關(guān)鍵性參數(shù)3.1.4 振蕩器電路結(jié)構(gòu)SIW機械可調(diào)振蕩器同軸腔振蕩器及其等效電路同軸腔振蕩器結(jié)構(gòu)同軸腔振蕩器等效電路負(fù)阻器件散熱塊耦合環(huán)輸出同軸腔振蕩器的優(yōu)點是調(diào)諧范圍寬，可達(dá)一個倍頻程；缺點是電路損耗較大，頻率高時結(jié)構(gòu)設(shè)計較困難，一般只適用于厘米波波段。 (2) 同軸腔振蕩器 3.1.4 振蕩器電路結(jié)構(gòu)微帶振蕩器電路這種微帶振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，制作方便。缺點是微帶線損耗較大，只能工作在較低的微波頻段；另一個缺點是不便于調(diào)諧。因此這種微帶振蕩器只宜用作頻率不高的小功率振蕩器。（3） 微帶振蕩器3.1.4 振蕩器電路結(jié)構(gòu)3.1.4 振蕩器電路結(jié)構(gòu)W-band 平面集成壓控振蕩器3