微波二極體

微波二極體是指工作在微波頻段的二極體，屬於固體微波器件。微波波段通常指頻率從300兆赫到3000吉赫。

基本介紹

• 中文名：微波二極體
• 外文名：microwave semiconductor diode
• 學科：電子
• 定義：工作在微波頻段的二極體
• 頻段：300兆赫到3000吉赫
• 分類：混頻、檢波、變容二極體等

簡介

微波二極體

微波領域內的各種二極體，包括變容二極體、階躍二極體、PIN二極體、限幅二極體、電調變容二極體、固體噪聲二極體和雪崩二極體等。各種微波二極體在微波電路中起低噪聲放大、功率產生、變頻、調製、解調、信號控制等作用。

微波二極體是主要工作於微波頻段的二極體。如勢壘注入渡越時間二極體（BARITT），碰撞雪崩渡越時間二極體（IMPATT），限制空間電荷積累二極體（LSA），耿氏二極體（Gunn），俘獲電漿雪崩二極體（TRAPATT）以及變容二極體等。所有這些二極體都是利用負阻效應將直流電能直接轉換為輻射微波能量。

微波二極體是微波領域內的各種二極體。其中，微波檢波二極體的工作頻率範圍為0～40GHz，檢波正切靈敏度為45～55dB·μW。階躍二極體，結合石英晶體振盪器可使微波源的頻率穩定到10^-6～10^-9量級。

二極體的檢波特性

利用一個簡單的檢波電路，肖特基檢波二極體可以把微波射頻能量轉換為直流電壓，其分析方法可分為
兩類：一種是小信號（低輸入功率）分析模型———平方律檢波的工作方式；另一種是大信號（高輸入功率）分析模型———線性檢波的工作方式。但在實際工作中，檢波二極體既可在小信號模式下工作又可能同時工作在大
信號工作模式下。而且隨著通信技術的發展和檢波二極體套用範圍的擴展，對它的要求也越來越高，要求其
動態範圍越來越大。

二極體簡介

二極體用於電子電路、積體電路、計算機中的電子器件，如二極體和電晶體是P型和N型半導體材料結合的產品，二極體是P-N型的一個例子，它在電子學中套用廣泛。

圖中表示P型和N型半導體材料結合時所發生的變化，N型材料中大量的電子穿過傳導帶，進入P型材料的原子價帶中的電子空穴。

每一個電子消除一個電子空穴，N型失去能量給P型並達到平衡，如圖（b）所示，電子流過系統時必須穿過結點，施加較低電壓的能量，就能控制電流的大小，這就是控制電流的設備的工作原理。

二極體

分類

19世紀末發現了點接觸二極體效應後，相繼出現了PIN二極體、變容二極體、肖特基二極體、隧道二極體、耿氏二極體等微波二極體。微波二極體的基片材料由鍺、矽發展到砷化鎵，使微波二極體工作頻率不斷提高，目前最高頻率已達300吉赫。微波二極體具有體積小和可靠性高等優點，用於微波振盪、放大、變頻、開關、移相和調製等方面。

微波二極體是工作在微波領域中的各種二極體的統稱。按其在工作中的功能可分為低噪聲接收器件、控制器件和微波功率源器件。常用的低噪聲接收器件有點接觸二極體、肖特基勢壘二極體、隧道二極體及參放變容二極體等；用於控制器件的有電調諧變容二極體、高頻開關二極體和pin二極體等；而功率變容二極體、體效應二極體、階躍恢復二極體和雪崩二極體等可作為微波功率源器件。

混頻二極體

基於金屬－半導體相接觸具有非線性電導原理製成的兩端器件。這種器件早在第二次世界大戰期間就用於雷達接收機中，是半導體領域中最早出現的實用性器件。1965年以前，這兩種二極體均為點接觸結構，即用微米級的金屬觸絲尖端與半導體鍺或矽接觸而產生高頻整流特性。

檢波二極體

1965年以後出現性能優越的肖特基勢壘型混頻和檢波二極體（又稱肖特基二極體），其工作頻率從幾百兆赫到300吉赫，具有噪聲低、頻頻寬、抗燒毀性能好等特點。在整個微波頻帶內直接用二極體混頻的微波接收機的噪聲係數為4.0～70分貝。梁式引線結構和四管堆具有多倍頻程的性能。檢波二極體的工作頻率範圍為0～40吉赫，檢波正切靈敏度為45～55分貝毫瓦。

微波二極體

變容二極體

基於PN結結電容隨反向偏壓變化而製成的微波半導體器件。大體可分兩大類：低噪聲參量放大器用變容管和電調諧用變容管。前者用於微波參量放大器，噪聲溫度低達30K，已廣泛用於衛星地球站。後者主要用於頻率調諧、壓控振盪器、電子對抗和捷變頻雷達快速調頻等。此外，變容管還可以用於移相、限幅等。在製作上，兩類器件有一定區別，參放變容管要有好的電容非線性和很高的優值；而電調諧變容管則要嚴格控制半導體外延層的摻雜濃度分布以便獲得大的電容變化區，並且應具有較高的優值。

階躍二極體

一種窄I層結構的PIN二極體，當工作狀態從正向轉到反向時，其反向恢復時間很短（可以達幾十皮秒量級），且具有極其豐富的諧波，再加上反向非線性電容效應，可以用於倍頻、諧波發生、取樣、脈衝發生等。其主要用途是高頻穩定倍頻器，結合石英晶體振盪器可使微波源的頻率穩定度達到10-6～10-9量級，廣泛用於數字通信、雷達和衛星通信等設備中。

微波二極體

PIN二極體

一種變阻器件，又稱電漿二極體。一般是由P+P-I-NN+多層半導體構成。可以根據用途不同來控制I層的物理量和幾何參數進行設計。PIN二極體處於正向時，由於P層和N層分別向I層注入空穴和電子，電子和空穴在I層中形成電漿而處於低的微波阻抗狀態，當二極體處於反向時是一等效小電容，為高的微波阻抗狀態。PIN二極體可以用於微波開關、電調衰減、移相、微波調製以及其他特殊用途。

限幅二極體

利用二極體正嚮導通電阻很低來限制微波信號的幅度。在小功率限幅要求下，一般可選用高優質變容管；射頻功率較大時採用PIN二極體結構。這類器件用於保護微波接收機的低噪聲放大器等方面。

微波二極體

固體噪聲二極體

固體噪聲二極體和固體噪聲源　基於PN結反向雪崩擊穿產生無規則噪聲而製成的一類微波器件。它與雪崩渡越器件最主要的區別是沒有渡越區。雪崩固體噪聲二極體具有噪聲頻譜寬、穩定性好、壽命長、工作電壓低（20～30伏）等優點。工作頻率0～40吉赫的已有產品。用這種噪聲二極體製成的固體噪聲源用於微波測量、遙感輻射計、自動雷達噪聲測試等。

雪崩渡越二極體

基於PN結反向雪崩倍增和渡越產生射頻負阻原理製成的一種微波功率器件。1958年由美國W.T.里德提出，所以又稱里德二極體。這類二極體有各種結構：里德結構（即P+NIN+）、肖特基結構（M-N-N+）高-低-高結構（H-L-H）、雙漂移結構（DDR或P+PNN+）等。所用材料主要有矽和砷化鎵。除了PN結雪崩渡越二極體外，由於其工作機理的差別，還有俘獲電漿雪崩觸發渡越時間二極體，金屬-半導體-金屬勢壘渡越二極體，隧道雪崩渡越二極體等。雪崩渡越二極體及其功率源可達到極高的工作頻率，從幾百兆赫至300吉赫都可以獲得一定的微波功率。特別在毫米波波段，它是現代功率最大的固體器件，可連續波工作或脈衝工作。其缺點是噪聲比電子轉移器件稍高。用雪崩渡越二極體製成的雪崩振盪器和鎖定放大器用於微波通信、雷達、戰術飛彈。

渡越時間微波二極體

渡越時間微波二極體是一種固態微波二極體，其中載荷子的渡越時間很短，足以在微波波段工作。兩種主要類型中，一種是體效應二極體，如耿氏二極體和限制空間電荷積累二極體；另一種是面結型二極體，如勢壘注入渡越時間二極體、碰撞雪崩渡越時間二極體和俘獲等離子雪崩渡越時間二極體。

體效應二極體

最常見的體效應二極體是在一塊n型砷化鎵的兩端製作良好的歐姆電極而構成的。體效應二極體的工作機制是其體記憶體在著周期性的電荷積累和釋放過程。如果晶片的厚度和摻雜濃度滿足一定條件，晶體內的電荷和電場就形成不均勻的分布，靠近陰極的地方電場最強，電子運動速度最慢，從而形成了電子積累，當其達到最大值時稱為疇，該疇形成後就開始以一定的速度渡過整個晶體達到陽極，使外電路出現一個電流脈衝。這個過程周期性地進行，形成了微波電源的振盪輸出。