4.1 固态微波器件简介

微波工程的发展历程中，固态技术取得了显著进步。与之前的真空管技术相比，半导体器件在尺寸更小、电压和功耗更低，以及易于大规模、低成本制造和集成到单片电路中等方面具有显著优势。这一转变促成了我们今天所依赖的紧凑型便携式微波系统的发展。本模块将介绍专为在微波频率下高效运行而设计的关键晶体管和专用二极管。

微波晶体管

为了在微波频率下工作，晶体管必须经过特殊设计，以最大限度地减少寄生电容和渡越时间，否则会降低其性能。硅NPN微波晶体管是用于此目的的典型器件。

• 施工： 这些晶体管通常构建在 n+ 型衬底上，该衬底可提供低电阻的集电极接触。在该衬底上生长一层轻掺杂的 n 型外延层，形成有源集电极区。然后通过扩散到外延层中形成 p 型基区和重掺杂的 n 型发射区。为了承受较大的电流，发射区和基区接触通常被设计成特定的表面几何形状，例如：
  • 交错的： 一种梳状结构，由相互交错的指状物组成，适用于小信号应用。
  • 叠加和矩阵： 为最大限度扩大发射极周边面积以应对更高功率水平而设计的几何形状。
• 操作： 在有源区进行放大时，发射极-基极结正向偏置，集电极-基极结反向偏置。当施加微波信号时，其正峰值会增加发射极-基极结的正向偏置电压。对于NPN晶体管，这会将电子从发射极注入到极薄的p型基极中。这些电子随后在高电场的作用下快速扫过反向偏置的集电极-基极结，从而在集电极回路中产生放大的电流脉冲。

固态器件可以根据其电特性进行分类，这决定了它们在微波电路中的主要功能。

• 非线性电阻： 例如压敏电阻，其电阻值随电压变化。
• 非线性电抗： 例如变容二极管，其电容随电压变化。
• 负电阻： 包括耿氏二极管和IMPATT二极管在内的一类关键器件，可用于制造振荡器和放大器。
• 可控阻抗： 例如用于开关和衰减的 PIN 二极管等器件。

在介绍了微波晶体管之后，我们现在将详细介绍各种执行各种关键功能的专用微波二极管。

4.2 专用微波二极管

二极管是微波系统的基本组成单元，其功能多种多样，涵盖信号产生、放大、混频、开关和检测等。它们特殊的半导体结构经过精心设计，能够利用微波频率下显著的特定物理现象。本节将介绍几种重要的二极管类型。

变容二极管

• 工作原理： 变容二极管本质上是一个电压可变电容器。当半导体pn结反向偏置时，会形成一个没有移动载流子的“耗尽区”。该区域起到电容器介质的作用。耗尽区的宽度，也就是结电容(C_j)，可以通过施加的反向偏置电压(V_r)来控制。其关系式为：C_j ∝ V_r^{-n}，其中n取决于结的掺杂分布。增加反向电压会拓宽耗尽区并降低电容。
• 施工： 典型的微波变容二极管由封装在陶瓷外壳中的半导体晶片组成，其引线设计用于降低寄生电感和电容。
• 应用环境： 它们的电压可调电容使其成为参数放大器、倍频器、振荡器中的调谐元件、脉冲产生和频率调制的理想选择。

肖特基势垒二极管

• 工作原理： 这种器件是通过在金属和半导体（通常为n型半导体）之间形成结而制成的。与标准的pn二极管不同，肖特基二极管的工作原理基于多数载流子。正向偏置时，电子从半导体注入到金属中，储存的电荷量极少，使得二极管能够快速地导通和关断。反向偏置时，势垒高度增加，电子流动停止。
• 施工： 这种结构是将半导体颗粒安装在金属底座上，并用一根尖锐的弹簧导线与其形成点接触。这种结构很容易集成到波导或同轴安装座中。
• 应用环境： 它们的高开关速度和低噪声特性使它们在微波接收机和连续波雷达系统中用作检测器和混频器时非常有用。

冈恩效应装置（TEDs）

• 工作原理： 耿氏“二极管”并非具有pn结的传统二极管，而是体半导体器件（通常为n型砷化镓，GaAs），它表现出负阻效应。这种效应被称为…… 转移电子效应这种现象源于GaAs独特的电子能带结构，其特点是存在一个低能高迁移率的能谷（L谷）和一个高能低迁移率的能谷（U谷）。当外加电场超过临界阈值时，电子获得足够的能量跃迁到U谷，其迁移率急剧下降。这导致器件电流随电压升高而减小，从而形成负微分电阻区域。
• 施工： 这些是无PN结的体器件，通常被称为转移电子器件（TED）。
• 应用环境： 这种负阻特性使得耿氏器件能够用作振荡器。它们被广泛应用于雷达发射机、功率振荡器以及接收机中的本振。

现在我们将转向另一类重要的二极管，它们也表现出负电阻，但其实现负电阻是通过涉及载流子渡越时间的不同物理机制实现的。

4.3 雪崩传输时间装置

雪崩渡越时间器件是一类功能强大的微波元件，能够在高频下产生显著功率。其工作原理基于两种现象的巧妙结合：碰撞电离（雪崩击穿）和载流子穿过半导体材料所需的有限渡越时间。通过精心设计的射频峰值电压与由此产生的电流脉冲之间的延迟，结合渡越时间延迟，可以产生动态负阻效应。这使得该器件能够作为高效的振荡器和放大器使用。

IMPATT二极管

• 全名： 冲击电离雪崩渡越时间二极管。
• 操作： IMPATT二极管在高反向直流偏置下工作，使其接近雪崩击穿的临界点。在此直流偏置上叠加一个较小的射频交流电压。在射频电压的正半周期间，总场强足以引起…… 碰撞电离这个过程并非瞬时完成；雪崩电流在射频电压达到峰值后才会逐渐增强并达到峰值，从而导致近似的…… 90°相移 在电压和电流脉冲之间。然后，该电荷脉冲会漂移穿过 n+ 层的剩余部分。该漂移区域的厚度经过设计，使得渡越时间对应于另一个 90°相移总共 180° 的相移产生了负阻效应。
• 缺点及应用： 雪崩过程本身就存在噪声。然而，IMPATT二极管能够产生高功率，因此被广泛应用于微波振荡器、低功率发射机（例如，警用雷达）和负阻放大器中。

TRAPATT二极管

• 全名： TRApped 等离子雪崩触发传输二极管。
• 操作： TRAPATT二极管以复杂的循环模式工作。二极管两端建立高电压（AB）。这会触发快速雪崩击穿，产生高密度电子和空穴俘获等离子体，导致电压骤降（BC）。俘获的等离子体在低电压下缓慢释放（CDE）。等离子体释放完毕后，电压开始恢复（EFG），循环再次开始。这种快速电压骤降和缓慢恢复的循环使得该器件能够作为高效振荡器运行。

巴里特二极管

• 全名： 势垒注入渡越时间二极管。
• 操作： BARITT二极管也利用渡越时间实现负阻，但其载流子注入机制与IMPATT二极管不同。它不依赖于噪声较大的碰撞电离，而是通过正向偏置结（通常是肖特基势垒）注入载流子。注入的载流子随后漂移穿过一个区域，从而提供产生负阻所需的渡越时间延迟。其典型结构为金属-半导体-金属（mnm）结构。BARITT二极管的主要优势在于其显著更低的噪声性能，尽管其功率通常低于IMPATT二极管。

虽然固态器件凭借其紧凑的尺寸彻底改变了现代微波系统，但雷达和卫星上行链路等应用中对高功率产生的需求仍然依赖于真空管技术的稳健原理，我们将在下一个模块中探讨这些原理。