[科普中国]-微波二极管

微波二极管是指工作在微波频段的二极管，属于固体微波器件。微波波段通常指频率从300兆赫到3000吉赫。

简介

微波领域内的各种二极管，包括变容二极管、阶跃二极管、PIN二极管、限幅二极管、电调变容二极管、固体噪声二极管和雪崩二极管等。各种微波二极管在微波电路中起低噪声放大、功率产生、变频、调制、解调、信号控制等作用。

微波二极管是主要工作于微波频段的二极管。如势垒注入渡越时间二极管（BARITT），碰撞雪崩渡越时间二极管（IMPATT），限制空间电荷积累二极管（LSA），耿氏二极管（Gunn），俘获等离子体雪崩二极管（TRAPATT）以及变容二极管等。所有这些二极管都是利用负阻效应将直流电能直接转换为辐射微波能量1。

微波二极管是微波领域内的各种二极管。其中，微波检波二极管的工作频率范围为0～40GHz，检波正切灵敏度为45～55dB·μW。阶跃二极管，结合石英晶体振荡器可使微波源的频率稳定到10-6～10-9量级2。

二极管的检波特性利用一个简单的检波电路，肖特基检波二极管可以把微波射频能量转换为直流电压，其分析方法可分为
两类：一种是小信号（低输入功率）分析模型———平方律检波的工作方式；另一种是大信号（高输入功率）分析模型———线性检波的工作方式。但在实际工作中，检波二极管既可在小信号模式下工作又可能同时工作在大
信号工作模式下。而且随着通信技术的发展和检波二极管应用范围的扩展，对它的要求也越来越高，要求其
动态范围越来越大。

二极管简介二极管用于电子电路、集成电路、计算机中的电子器件，如二极管和晶体管是P型和N型半导体材料结合的产品，二极管是P-N型的一个例子，它在电子学中应用广泛。

图中表示P型和N型半导体材料结合时所发生的变化，N型材料中大量的电子穿过传导带，进入P型材料的原子价带中的电子空穴。

每一个电子消除一个电子空穴，N型失去能量给P型并达到平衡，如图（b）所示，电子流过系统时必须穿过结点，施加较低电压的能量，就能控制电流的大小，这就是控制电流的设备的工作原理3。

分类19世纪末发现了点接触二极管效应后，相继出现了PIN二极管、变容二极管、肖特基二极管、隧道二极管、耿氏二极管等微波二极管。微波二极管的基片材料由锗、硅发展到砷化镓，使微波二极管工作频率不断提高，目前最高频率已达300吉赫。微波二极管具有体积小和可靠性高等优点，用于微波振荡、放大、变频、开关、移相和调制等方面。

微波二极管是工作在微波领域中的各种二极管的统称。按其在工作中的功能可分为低噪声接收器件、控制器件和微波功率源器件。常用的低噪声接收器件有点接触二极管、肖特基势垒二极管、隧道二极管及参放变容二极管等；用于控制器件的有电调谐变容二极管、高频开关二极管和pin二极管等；而功率变容二极管、体效应二极管、阶跃恢复二极管和雪崩二极管等可作为微波功率源器件4。

混频二极管基于金属－半导体相接触具有非线性电导原理制成的两端器件。这种器件早在第二次世界大战期间就用于雷达接收机中，是半导体领域中最早出现的实用性器件。1965年以前，这两种二极管均为点接触结构，即用微米级的金属触丝尖端与半导体锗或硅接触而产生高频整流特性。

检波二极管1965年以后出现性能优越的肖特基势垒型混频和检波二极管（又称肖特基二极管），其工作频率从几百兆赫到300吉赫，具有噪声低、频带宽、抗烧毁性能好等特点。在整个微波频带内直接用二极管混频的微波接收机的噪声系数为4.0～70分贝。梁式引线结构和四管堆具有多倍频程的性能。检波二极管的工作频率范围为0～40吉赫，检波正切灵敏度为45～55分贝毫瓦。

变容二极管基于PN结结电容随反向偏压变化而制成的微波半导体器件。大体可分两大类：低噪声参量放大器用变容管和电调谐用变容管。前者用于微波参量放大器，噪声温度低达30K，已广泛用于卫星地球站。后者主要用于频率调谐、压控振荡器、电子对抗和捷变频雷达快速调频等。此外，变容管还可以用于移相、限幅等。在制作上，两类器件有一定区别，参放变容管要有好的电容非线性和很高的优值；而电调谐变容管则要严格控制半导体外延层的掺杂浓度分布以便获得大的电容变化区，并且应具有较高的优值。

阶跃二极管一种窄I层结构的PIN二极管，当工作状态从正向转到反向时，其反向恢复时间很短（可以达几十皮秒量级），且具有极其丰富的谐波，再加上反向非线性电容效应，可以用于倍频、谐波发生、取样、脉冲发生等。其主要用途是高频稳定倍频器，结合石英晶体振荡器可使微波源的频率稳定度达到10-6～10-9量级，广泛用于数字通信、雷达和卫星通信等设备中。

PIN二极管一种变阻器件，又称等离子体二极管。一般是由P+P-I-NN+多层半导体构成。可以根据用途不同来控制I层的物理量和几何参数进行设计。PIN二极管处于正向时，由于P层和N层分别向I层注入空穴和电子，电子和空穴在I层中形成等离子体而处于低的微波阻抗状态，当二极管处于反向时是一等效小电容，为高的微波阻抗状态。PIN二极管可以用于微波开关、电调衰减、移相、微波调制以及其他特殊用途。

限幅二极管利用二极管正向导通电阻很低来限制微波信号的幅度。在小功率限幅要求下，一般可选用高优质变容管；射频功率较大时采用PIN二极管结构。这类器件用于保护微波接收机的低噪声放大器等方面。

固体噪声二极管固体噪声二极管和固体噪声源 基于PN结反向雪崩击穿产生无规则噪声而制成的一类微波器件。它与雪崩渡越器件最主要的区别是没有渡越区。雪崩固体噪声二极管具有噪声频谱宽、稳定性好、寿命长、工作电压低（20～30伏）等优点。工作频率0～40吉赫的已有产品。用这种噪声二极管制成的固体噪声源用于微波测量、遥感辐射计、自动雷达噪声测试等。

雪崩渡越二极管基于PN结反向雪崩倍增和渡越产生射频负阻原理制成的一种微波功率器件。1958年由美国W.T.里德提出，所以又称里德二极管。这类二极管有各种结构：里德结构（即P+NIN+）、肖特基结构（M-N-N+）高-低-高结构（H-L-H）、双漂移结构（DDR或P+PNN+）等。所用材料主要有硅和砷化镓。除了PN结雪崩渡越二极管外，由于其工作机理的差别，还有俘获等离子体雪崩触发渡越时间二极管，金属-半导体-金属势垒渡越二极管，隧道雪崩渡越二极管等。雪崩渡越二极管及其功率源可达到极高的工作频率，从几百兆赫至300吉赫都可以获得一定的微波功率。特别在毫米波波段，它是现代功率最大的固体器件，可连续波工作或脉冲工作。其缺点是噪声比电子转移器件稍高。用雪崩渡越二极管制成的雪崩振荡器和锁定放大器用于微波通信、雷达、战术导弹。

渡越时间微波二极管渡越时间微波二极管是一种固态微波二极管，其中载荷子的渡越时间很短，足以在微波波段工作。两种主要类型中，一种是体效应二极管，如耿氏二极管和限制空间电荷积累二极管；另一种是面结型二极管，如势垒注入渡越时间二极管、碰撞雪崩渡越时间二极管和俘获等离子雪崩渡越时间二极管5。

体效应二极管最常见的体效应二极管是在一块n型砷化镓的两端制作良好的欧姆电极而构成的。体效应二极管的工作机制是其体内存在着周期性的电荷积累和释放过程。如果晶片的厚度和掺杂浓度满足一定条件，晶体内的电荷和电场就形成不均匀的分布，靠近阴极的地方电场最强，电子运动速度最慢，从而形成了电子积累，当其达到最大值时称为畴，该畴形成后就开始以一定的速度渡过整个晶体达到阳极，使外电路出现一个电流脉冲。这个过程周期性地进行，形成了微波电源的振荡输出4。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所