微波工程 - 组件

在本章中，我们将讨论微波元件，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npn晶体管。它们的典型功率为 5 瓦，频率为 3GHz，增益为 5dB。下图显示了这种晶体管的截面图。

微波晶体管的构造

在构成集电极的n+基板上生长n型外延层。在该n区域上，热生长SiO2层。p基极和重掺杂n发射极扩散到基极中。在氧化物中制作用于欧姆接触的开口。连接是并行进行的。

此类晶体管具有分类为叉指型、覆盖型或矩阵型的表面几何形状。这些形式如下图所示。

功率晶体管采用所有三种表面几何形状。

小信号晶体管采用叉指表面几何形状。叉指结构适用于 L、S 和 C 频段的小信号应用。

矩阵几何形状有时称为网格或发射器网格。覆盖层和矩阵结构可用作 UHF 和 VHF 区域的功率器件。

微波晶体管的操作

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。在施加微波信号时，发射极-基极结变得正向偏置。如果考虑pnp晶体管，则应用信号的正峰值，使发射极-基极结正向偏置，使空穴漂移到薄的负基极。空穴进一步加速到集电极和基极端子之间的偏置电压的负端子。连接在集电极上的负载接收电流脉冲。

固态器件

固态微波器件的分类可以完成 -

取决于它们的电气Behave
- 非线性电阻型。
  
  示例 - 压敏电阻（可变电阻）
- 非线性电抗型。
  
  示例 - 变容二极管（可变电抗器）
- 负阻型。
  
  示例 - 隧道二极管、Impatt 二极管、耿氏二极管
- 可控阻抗型。
  
  示例 - PIN 二极管

取决于它们的构造
- 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)
- 金属绝缘装置

我们这里提到的二极管类型有很多用途，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压而变化。典型变容二极管的CV特性及其符号如下图所示。

结电容取决于所施加的电压和结设计。我们知道，

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

在哪里

$C_j$ = 结电容
$V_r$ = 反向偏置电压
$n$ = 决定连接类型的参数

如果结是反向偏置的，则移动载流子会耗尽结，从而产生一些电容，其中二极管充当电容器，而结充当电介质。电容随着反向偏压的增加而减小。

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。这些噪音低。尽管结电容的变化是该二极管的一个重要因素，但寄生电阻、电容和电导与每个实际二极管相关，应保持较低。

变容二极管的应用

变容二极管用于以下应用 -

上变频
参量放大器
脉冲产生
脉冲整形
开关电路
微波信号的调制

肖特基势垒二极管

这是一个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合。

肖特基势垒二极管的构造

半导体颗粒安装在金属底座上。弹簧加载线通过尖点连接到该硅颗粒。它可以轻松安装到同轴或波导线路中。下图给出了一个清晰的构造图。

肖特基势垒二极管的操作

随着半导体和金属之间的接触，形成耗尽区。相对而言，金属区具有较小的耗尽宽度。当接触时，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，并且电场会阻碍进一步的流动，从而导致在界面处形成势垒。

在正向偏压期间，势垒高度降低，电子注入到金属中，而在反向偏压期间，势垒高度增加，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
可靠的
噪声系数 4 至 5dB

肖特基势垒二极管的应用

这些是以下应用程序。

低噪音搅拌机
连续波雷达中的平衡混频器
微波探测器

耿氏效应装置

JB Gunn 发现当施加的电压超过某个临界值时，流过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，即L 谷和 U 谷，电子转移发生在它们之间，具体取决于所施加的电场。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器件(TED)。

耿氏二极管的应用

耿氏二极管广泛用于以下设备 -

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