微波工程 - 组件

在本章中，我们将讨论微波组件，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。它们通常在 3GHz 频率下具有 5 瓦功率，增益为 5dB。下图显示了这种晶体管的横截面图。

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区域上，一层 SiO2 层以热方式生长。p 基极和重掺杂的n 发射极扩散到基极中。在氧化物中开孔以形成欧姆接触。并联连接。

此类晶体管的表面几何形状可分为交错、覆盖或矩阵。这些形式如下图所示。

功率晶体管采用所有这三种表面几何形状。

小信号晶体管采用交错表面几何形状。交错结构适用于 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网格。覆盖和矩阵结构可用作 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-基极和集电极-基极结是反向偏置的。施加微波信号时，发射极-基极结变为正向偏置。如果考虑 p-n-p 晶体管，施加信号的正峰值，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。连接在集电极的负载接收电流脉冲。

固态器件

固态微波器件的分类可以用 − 来完成

• 取决于它们的电气行为

  • 非线性电阻类型。

    示例 − 压敏电阻(可变电阻)

  • 非线性电抗类型。

    示例 − 变容二极管(可变电抗器)

  • 负电阻类型。

    示例 −隧道二极管、Impatt 二极管、Gunn 二极管

  • 可控阻抗类型。

    示例 − PIN 二极管

• 取决于其构造
  • 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)
  • 金属绝缘器件

我们在此提到的二极管类型有许多用途，例如放大、检测、发电、移相、下变频、上变频、限幅调制、开关等。

变容二极管

反向偏置结的电压可变电容可称为变容二极管。变容二极管是一种半导体器件，其中结电容可以根据二极管的反向偏置而变化。下图显示了典型变容二极管的 CV 特性及其符号。

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，移动载流子会耗尽结，从而产生一些电容，二极管充当电容器，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的电引线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。它们的噪音很低。虽然结电容的变化是这种二极管的一个重要因素，但每个实际二极管都存在寄生电阻、电容和电导，应将其保持在较低水平。

变容二极管的应用

变容二极管用于以下应用 −

• 上变频
• 参数放大器
• 脉冲生成
• 脉冲整形
• 开关电路
• 微波信号调制

肖特基势垒二极管

这是一种表现出非线性阻抗的简单二极管。这些二极管主要用于微波检测和混频。

肖特基势垒二极管的构造

半导体颗粒安装在金属基座上。一根弹簧加载的导线通过一个尖头连接到这个硅片上。这可以很容易地安装到同轴或波导线路中。下图清晰地展示了该结构。

肖特基势垒二极管的工作原理

半导体与金属接触后，形成了一个耗尽区。金属区域的耗尽宽度相对较小。接触后，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，电场会阻碍进一步流动，从而导致界面处形成屏障。

在正向偏置期间，屏障高度会降低，电子会注入金属中，而在反向偏置期间，屏障高度会增加，电子注入几乎停止。

肖特基势垒二极管的优点

这些是以下优点。

• 低成本
• 简单
• 可靠
• 噪声系数 4 至 5dB

肖特基势垒二极管的应用

这些是以下应用。

• 低噪声混频器
• 连续波中的平衡混频器雷达
• 微波探测器

耿氏效应器件

J B 耿氏发现，当施加的电压超过某个临界值时，流经n 型 GaAs样品的电流会出现周期性波动。在这些二极管中，导带中有两个谷值，L 谷值和 U 谷值，电子转移发生在它们之间，具体取决于施加的电场。这种从 L 谷下部到 U 谷上部的粒子数反转效应称为转移电子效应，因此这些被称为转移电子设备 (TED)。

耿氏二极管的应用

耿氏二极管广泛应用于以下设备 −

• 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