微波工程 - 元件

本章將討論微波元件，例如微波電晶體和不同型別的二極體。

微波電晶體

需要開發特殊的電晶體來承受微波頻率。因此，對於微波應用，已經開發出能夠在微波頻率下提供足夠功率的**矽n-p-n電晶體**。它們在3GHz頻率下的典型功率為5瓦，增益為5dB。這種電晶體的橫截面檢視如下所示。

微波電晶體的構造

在構成集電極的**n+**襯底上生長**n**型外延層。在這個**n**區上，熱生長SiO2層。將**p基極**和重摻雜的**n發射極**擴散到基極中。在氧化物上開孔用於歐姆接觸。連線並行。

這種電晶體具有表面幾何形狀，分為叉指式、疊層式或矩陣式。這些形式如下圖所示。

功率電晶體採用所有三種表面幾何形狀。

小訊號電晶體採用叉指式表面幾何形狀。叉指式結構適用於L、S和C波段的小訊號應用。

矩陣幾何形狀有時稱為網格或發射極柵格。疊層和矩陣結構可用作UHF和VHF區域的功率器件。

微波電晶體的工作原理

在微波電晶體中，最初發射極-基極結和集電極-基極結反向偏置。施加微波訊號後，發射極-基極結正向偏置。如果考慮**p-n-p**電晶體，則訊號的正峰值施加會使發射極-基極結正向偏置，使空穴漂移到薄負基極。空穴進一步加速到集電極和基極端子之間偏置電壓的負極。連線在集電極上的負載接收電流脈衝。

固態器件

固態微波器件的分類可以按以下方式進行：

根據其電氣特性
- 非線性電阻型。
  
  例如 - 變阻器（可變電阻）
- 非線性電抗型。
  
  例如 - 變容二極體（可變電抗器）
- 負電阻型。
  
  例如 - 隧道二極體、IMPATT二極體、岡恩二極體
- 可控阻抗型。
  
  例如 - PIN二極體

根據其結構
- 點接觸二極體
- 肖特基勢壘二極體
- 金氧半導體器件 (MOS)
- 金屬絕緣體器件

這裡提到的各種型別的二極體有很多用途，例如放大、檢波、發電、移相、下變頻、上變頻、限幅調製、開關等等。

變容二極體

反向偏置結的電壓可變電容可以稱為變容二極體。變容二極體是一種半導體器件，其中結電容可以作為二極體反向偏置的函式而變化。典型變容二極體的CV特性及其符號如下圖所示。

結電容取決於施加的電壓和結設計。我們知道，

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

其中

$C_j$ = 結電容
$V_r$ = 反向偏置電壓
**$n$** = 決定結型別的引數

如果結反向偏置，則移動載流子會耗盡結，從而產生一些電容，其中二極體表現為電容器，結充當電介質。電容隨著反向偏置的增加而減小。

二極體的封裝包含連線到半導體晶片和連線到陶瓷外殼的引線。下圖顯示了微波變容二極體的外觀。

它們能夠處理大功率和大反向擊穿電壓。它們具有低噪聲。雖然結電容的變化是該二極體中的一個重要因素，但寄生電阻、電容和電導與每個實際二極體相關，應保持較低。

變容二極體的應用

變容二極體用於以下應用：

上變頻
參量放大器
脈衝產生
脈衝整形
開關電路
微波訊號調製

肖特基勢壘二極體

這是一種簡單的二極體，表現出非線性阻抗。這些二極體主要用於微波檢波和混頻。

肖特基勢壘二極體的構造

半導體晶片安裝在金屬基座上。一根彈簧載入的導線用尖端連線到該矽晶片。這可以很容易地安裝到同軸線或波導線中。下圖清楚地顯示了其構造。

肖特基勢壘二極體的工作原理

透過半導體和金屬之間的接觸，形成耗盡區。相比之下，金屬區域的耗盡寬度較小。當接觸時，電子從半導體流向金屬。這種耗盡會在半導體中形成正空間電荷，並且電場會阻止進一步的流動，這導致在介面處形成勢壘。

在正向偏置期間，勢壘高度降低，電子被注入金屬，而在反向偏置期間，勢壘高度增加，電子注入幾乎停止。

肖特基勢壘二極體的優點

以下是優點：

低成本
簡單
可靠
噪聲係數4到5dB

肖特基勢壘二極體的應用

以下是應用：

低噪聲混頻器
連續波雷達中的平衡混頻器
微波檢波器

岡恩效應器件

J B Gunn發現，當施加的電壓超過某個臨界值時，透過**n型GaAs**樣品的電流會發生週期性波動。在這些二極體中，導帶中有兩個谷，**L谷和U谷**，電子的轉移發生在它們之間，這取決於施加的電場。這種從較低的L谷到較高的U谷的粒子數反轉效應稱為**轉移電子效應**，因此它們被稱為**轉移電子器件**(TED)。

岡恩二極體的應用

岡恩二極體廣泛用於以下器件：

雷達發射機
空中交通管制中的應答器
工業遙測系統
功率振盪器
邏輯電路
寬頻線性放大器

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