Chapter 1 Introduction
Chapter 1 Introduction
微波频率的材料特性
材料的许多特性在较高频率下会发生显著的变化。趋肤效应是决定微波频率下导线有效电阻的一个主要因素。介电常数和磁导率是电容和电感的主要决定因素，两者也与频率有关。
电阻
电阻率的倒数是电导率，
电阻率公式
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为电导率； 为电阻； 为材料横截面积； 为材料长度。 电导率公式
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是电子电荷； 是电子浓度； 是电子的迁移率。 电阻计算式
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为电阻率； 为线长度； 为横截面积 趋肤效应
趋肤效应
在直流时，电流在导体内均匀流动。在较高频率下，电流倾向于沿导体表面聚集。这种行为称为趋肤效应。
由于趋肤效应，电流流过的横截面积大大减小，从而导致了导体的交流电阻远高于直流电阻。对于交流信号，电压和电流正弦波也可能彼此异相，这表明电路中存在电容或电感。
趋肤深度计算式
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为导体的电阻率； 为角频率； 为频率； 为相对磁导率； 为真空磁导率； 为电导率； 电压和电流发生了异相为什么表明电路中存在电容或者电感？
因为电容或者电感都是储能器件，在电流发生变化的时候，电压会先（电容）后（电感）达到峰值。
趋肤效应电流密度计算公式
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为导体表面的电流密度； 为距离表面的深度； 为趋肤深度。 指向原始笔记的链接趋肤效应电阻计算式
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为导体长度； 为电阻率； 为导体直径； 为趋肤深度。 介电常数和磁导率
磁导率
磁导率是一个物理常数，定义了材料对磁场的响应程度。
指向原始笔记的链接磁导率定义式
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是磁通密度的大小； 是磁场强度的大小。 Transclude of 真空磁导率常数大多数材料的磁导率非常接近真空。不过，含铁、铬或镍的材料相对磁导率（
）更高。 有些材料会表现出与外加磁场方向相反的感应磁场。这些材料被称为二磁材料。二磁材料会被外加磁场排斥。其他一些材料会被外加磁场吸引，并在外加磁场的方向上形成内部感应磁场。这些材料被称为顺磁性材料。铁磁性材料是指在没有外加磁场的情况下仍能保持磁化的材料。永磁体就是由这些材料制成的。磁导率是决定表皮深度的重要因素，因为相对磁导率越高，电磁波穿透材料的程度就越低。
介电常数是指材料对外部施加的电场产生极化反应，从而降低材料内部总电场的能力。换句话说，介电常数是衡量材料内部传递（或 “允许”）电场的能力。与磁导率一样，介电常数通常取决于外加电场的频率。这种频率依赖性反映了这样一个事实，即材料的极化不会即时响应外加磁场。外加磁场与响应之间存在一定的延迟，可以用给定频率下的相位差来表示。
微波频率下电介质和磁性材料的损耗
当对材料施加时变电场时，材料内部的极化偶极子会随着电场来回翻转。电荷载流子的有限质量会产生两个重要后果。首先，移动电荷载流子需要做功，这意味着部分外加能量将 “损失 “在材料中。其次，这些偶极子的移动需要有限的时间，这意味着极化矢量将落后于外加电场。
类似的论点也适用于磁性材料，由于材料内部的磁偶极子对外加磁场的变化做出反应需要能量和时间，因此也会产生损耗和延迟。
当施加外部交变电场或磁场时，材料吸收的功率随频率、磁导率、损耗角正切和外加磁场（电场或磁场）大小的平方呈线性变化。
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Chapter 11 Microwave semiconductor materials and diodes
Chapter 11 Microwave semiconductor materials and diodes
微波半导体材料的选择
半导体的导电性处于绝缘体和导体之间，这种材料的导电特性能通过添加掺杂剂来改变。纯净的半导体被称为本征半导体，掺杂后的半导体被称为非本征半导体。
带隙决定了元素固体的导电性。半导体中的电子或空穴浓度根据费米能级
定义，费米能级通常位于价带和导带中间。 费米能级
费米能级定义为在任何给定时间有 50% 的概率被占据的能级。
在
的时候，费米能级就是材料中最高占据的能级。 费米能级的特性
费米能级具有以下这些特性。
概率对称特性
在
以上 距离处被占据的概率等于 以下 距离处空状态的概率。
全局性
费米能级越高，会使得所有能级被电子占据的概率越高。对于导带来说就是电子浓度会变高；对于价带来说则是空穴浓度降低。
指向原始笔记的链接指向原始笔记的链接本征费米能级
本征半导体的费米能级称为本征费米能级。其位置处于禁带中央附近。
费米能级计算式
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为导带底能量； 为价带底能量； 为波尔兹曼常数； 为开尔文温度； 为空穴有效质量； 为电子有效质量。 指向原始笔记的链接[! note] 在非本征半导体中，也会把本征费米能级画出来作为参考。
碳化硅（SiC）、砷化铟（InAs）、磷化镓（GaP）和硒化铟（InSe）是近年来比较受关注的材料，其性能受益于其宽能带和高迁移率，因此也被称作宽带隙半导体。使用这些半导体材料制造的有源器件具有广泛的性能优势，如低噪声、高功率处理和高达太赫兹频率的高频工作。硅锗（SiGe）作为化合物半导体的使用也在不断增加，因为它能以相对较低的成本提供高频器件性能，并允许在同一芯片上集成 CMOS 逻辑和射频异质结双极晶体管（HBT）。
理想的材料特性包括大带隙（
）、高热导率（ ）、高击穿临界电场（ ）和高功率密度（W mm-1）。宽带隙通常意味着能够在电子击穿发生之前支持高内部电场。与传统半导体材料相比，这些材料可在更高的电压、频率和温度下工作。材料的热导率非常重要，因为这表明耗散的功率是否容易从器件中提取出来。导热性差会导致器件在高温下运行时性能下降。电子击穿的临界电场参数 表示在击穿前设备内部可支持的电场强度。高电场可支持大的终端射频信号电压，这对于产生高射频功率是必不可少的。 硅和硅锗 SiGe
硅拥有非常成熟和庞大的产业，制造成本低，是低频电子产品的主要材料，也用于工作频率高达几千兆赫的有源器件。
与本章中提到的其他化合物半导体不同，SiGe 并不是作为块状半导体材料制造的，而是作为硅晶片中晶体管的基区。这意味着 SiGe 的制造与传统的硅集成电路制造非常相似。Ge 的加入使得晶体管基极区域的掺杂浓度更高，从而使得基极和发射极之间存在带隙。基极区的掺杂浓度越高，基极就越窄，从而加快了传输时间。
砷化镓 GaAs
与硅相比，砷化镓的主要优势在于：
- 与硅相比，砷化镓具有更高的饱和电子漂移速度和更低的场迁移率。这使得器件的速度更快；
- GaAs 是宽带隙材料，具有更高的击穿电压，由此能耐受更高的结温度和输出功率。并且其电阻率比硅高得多，因此常被称为 “半绝缘体”。这有利于器件实现低寄生和良好的器件间隔离，几乎不会产生损耗；
磷化铟 InP
与硅和砷化镓相比，InP 的电子速度更快。作为激光二极管等光电设备的常用材料，InP 的地位已经确立了一段时间。它还被用作铟镓砷基外延光电器件的衬底。在高频有源器件特性方面，InP 已超越硅和砷化镓，目前已常规使用 InP 制造亚毫米波 MMIC。
碳化硅 SiC
碳化硅是一种宽带隙半导体材料，因此适用于短波长光电、高温、抗辐射和大功率/高频应用。由于具有宽能带隙，用碳化硅制造的电子器件可以在极高的温度下工作，而不会受到本征传导效应的影响。碳化硅材料的宽能带隙还允许它发射和探测短波长光，这使它适合制造蓝光发光二极管和紫外线光电探测器。
碳化硅可承受的电压梯度（或电场）是硅或砷化镓的八倍以上，而不会发生雪崩击穿。这种高击穿电场可制造出非常高电压、高功率的器件。此外，它还允许将器件非常紧密地放置在一起，为集成电路提供了高器件封装密度。
在室温下，SiC 的热导率比任何金属都高。这一特性使碳化硅器件可以在极高的功率水平下工作。
由于饱和电子漂移速度高，SiC 器件可以在极高的频率下工作，据报道，SiC 功率金属半导体场效应晶体管（MESFET）具有多倍频程到十倍频程的带宽。
氮化镓 GaN
氮化镓已被用于制造微波有源器件和 MMIC，具有高功率密度、高电压工作、更高可靠性和极宽带性能。氮化镓晶体管的高温和高工作电压特性使其越来越多地用作微波频率的功率放大器。
总结
SiGe GaAs InP SiC GaN 掺杂于晶体管基极区域，提高基极掺杂浓度，减小基极宽度，减小传输时间 与 Si 相比，
1. 更高的饱和电子漂移速度
2. 更低的场迁移率
3. 更高的电阻率与 Si 和 GaAs 相比，具有更高的电子速度 1. 宽带隙
2. 高击穿电压
3. 高热导率
4. 饱和电子漂移速度高1. 高功率密度
2. 高电压工作
3. 更高可靠性
4. 超宽带性能微波半导体制造技术
有源电子器件通常是在基底上生长的外延层中制造的。低电阻率和高电阻率基底均可使用，具体取决于要制造的器件类型。
- 低电阻率基底通常用于垂直器件，如二极管和双极晶体管，在这些器件中，电流必须垂直通过基底材料。
- 高电阻率基底用于面向表面的器件，如场效应晶体管，在这种器件中，电流平行于基底。对于后一种器件，要实现良好的直流和射频性能，通常需要将电流限制在外延层内，并阻隔基底。
光刻
- 清洁和准备。用溶剂去除所有有机污染物，然后加热烘干。随后涂上「附着力促进剂」以增加光刻胶和晶圆之间的附着力，随后烘干；
- 涂上光刻胶。涂上光刻胶，随后加热去除溶剂；
- 光刻胶曝光。预烘烤后，光阻通过掩模暴露在强光下，掩模定义了表面所需的电路图案；
- 光刻显影。使用显影剂去除被曝光区域，随后再烘烤固化光刻胶；
- 蚀刻。在没有光刻胶保护的区域使用化学蚀刻剂去除基底的最上层，通常使用干法蚀刻以制成各向异性的图案；
- 光刻胶去除。使用光刻胶剥离剂剥离光刻胶。
分子束外延
分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，简称MBE）是一种精密的工艺过程，涉及将不同半导体元素的分子束发射到样品上，以堆积不同材料的薄层。通常情况下，每种元素都通过单独控制的束流进行输送，因此可以为任何给定层调整元素的选择及其相对浓度，从而定义该层的精确组成以及电学和光学特性。
pn 结
之后会对 pn 结的行为，特别是结电容的电压依赖性进行说明。
pn 结在没有偏置电压的情况下，由于两侧载流子的堆积会导致内建电势差存在，
pn 结内建电势差计算式
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为玻尔兹曼常数； 是 pn 结的绝对温度； 是电子电荷； 为受主掺杂浓度； 为施主掺杂浓度； 为本征载流子浓度 如果用
和 分别表示 pn 结耗尽区的宽度，那么电荷相等条件如下，
是 pn 结的横截面面积。上式可以重新排列为， 换句话说，p 边和 n 边的耗尽区宽度比是各自掺杂水平比的倒数。标准的半导体物理教科书将耗尽区的总宽度定义为，
耗尽层总宽度定义式
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为 n 区耗尽区宽度； 为 p 区耗尽区宽度； 为相对介电常数； 为绝对介电常数； 为内建电势差； 为电子电荷量； 为受主原子掺杂浓度； 为施主原子掺杂浓度 通过给 pn 结施加正向偏压，当外加电压到达势垒高度，电流开始流过 pn 结，此时电压和电流的关系如下，
肖特基二极管电流公式
指向原始笔记的链接 pn 结反向饱和电流计算式
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为电子电荷量； 为本征载流子浓度； 为空穴扩散系数； 为 p 区少子扩散长度； 为施主掺杂浓度； 为电子扩散系数； 为 n 区少子扩散长度； 为受主掺杂浓度； 当给 pn 结施加反向偏压的时候，耗尽区会扩大，从而阻止多数载流子流动。当V 为负值的时候，总电流减小到
。反向饱和电流由耗尽区产生的电子-空穴对组成。 虽然反向偏压 pn 结在任何外部电路中看起来都是一个非常高的电阻，但由于反向偏压结的结构，它将呈现出一个可观的电容，其中的非导通耗尽区类似于一个在两个平行板（各自的 n 区和 p 区）之间的介质绝缘体。耗尽区的宽度是外加电压的函数，这一点在变容二极管中得到了很好的应用。
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Chapter 12 Microwave transistors and MMICs
Chapter 12 Microwave transistors and MMICs
预期学习成果
知识
- 熟悉微波频率下使用的晶体管的具体类型及其各种限制。
- 了解微波双极和场效应晶体管等效电路模型的起源。
- 了解微波集成电路的多层结构以及如何以微波集成电路的形式制造无源元件。
技能
- 能够区分 BJT、HBT、MESFET 和 HEMT 晶体管类型，并能解释这些器件的基本工作原理及其相对性能特征。
- 能够绘制 BJT/HBT 和 MESFET/HEMT 的等效电路，并能解释等效电路元件的物理来源，包括寄生现象。
- 能够根据给定的等效电路元件值估算给定类型晶体管的
和 。 - 能够识别当代 MMIC 设计中使用的主要无源元件类型及其等效电路。
简介
微波晶体管与低频晶体管的最大区别可能在于材料领域。同样，为了在高频使用的异质结在低频可能也不会发挥作用。在本章中，我们将简要介绍目前使用的主要微波晶体管类型，以及如何在实际电路中对它们进行建模和应用。
与较低频率的情况一样，微波晶体管可大致分为两类：双极结晶体管 (BJT) 和场效应晶体管 (FET)。在较低频率下，后一类晶体管包括结型场效应晶体管 (JFET) 和金属氧化物场效应晶体管 (MOSFET)，这两种晶体管都具有通常限制其高频工作的结构特征。20 世纪 70 年代，一种新型场效应晶体管器件—砷化镓金属半导体场效应晶体管（MESFET）问世，它采用栅极金属与半导体材料直接连接的方式，将工作频率推高到数十吉赫。
高频下的 BJT 具有很多低频 BJT 不具有的结构改动，继续发展得到了 HBT 和 HEMT。
微波 BJT
Transclude of BJT#bjt-定义微波双极晶体管几乎总是 npn 型，因为与空穴相比，电子的迁移率更高。
BJT 结构
Transclude of BJT#bjt-结构指向原始笔记的链接