碳化硅二極管的高功率微波應(yīng)用

  碳化硅由于其卓越的電學(xué)和熱學(xué)性能，使其成為在高功率、高壓和高溫應(yīng)用中極具吸引力的材料之一。碳化硅具有170多種不同的晶體結(jié)構(gòu)(晶型)，每種晶體結(jié)構(gòu)各自又具有獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。表1列出了商用的4H-和6H-碳化硅與Si、GaAs的電學(xué)性能的比較結(jié)果。從這些數(shù)據(jù)中可以看出，碳化硅唯一的缺點(diǎn)就是電子遷移率低。但是，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，碳化硅非常高的擊穿電場(chǎng)、禁帶寬度，高的電子飽和速度和熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，使其在許多應(yīng)用中可以大幅度提高器件性能。通常，各種不同的優(yōu)值系數(shù)作為不同半導(dǎo)體器件性能的比較依據(jù)。

  特別是E.O.Johnson認(rèn)識(shí)到碳化硅材料具有高頻、高功率能力，引入了約翰遜優(yōu)值系數(shù)(F_MU_S/4π)²作為雙極晶體管在電學(xué)極限情況下的最大允許功率。1973年，R.W.Keyes引入了優(yōu)值系數(shù)λ(U_S/4πε)²估算由輸運(yùn)時(shí)間決定的器件熱耗散時(shí)的最大功率限制，首次總結(jié)了碳化硅的物理性能在制造高功率和高頻器件方面的優(yōu)勢(shì)。1979年，A.S、Tager對(duì)這個(gè)方法進(jìn)行了詳細(xì)解釋，估算了各種微波器件的限制參數(shù)，以及它們與半導(dǎo)體材料特性的關(guān)系。通過(guò)解析方法，A.S.Tager推導(dǎo)出了高頻、高功率雙極和場(chǎng)效應(yīng)晶體管、變?nèi)萜?、IMPATT和PIN二極管在電學(xué)和熱學(xué)功率極限的優(yōu)值系數(shù)。研究指出，在制造微波器件方面，碳化硅比Si和GaAs更適合，因?yàn)橹圃爝@類器件需要相對(duì)較高的擊穿電場(chǎng)和高功率。   本文回顧了當(dāng)前碳化硅二極管在微波頻段應(yīng)用中的發(fā)展，從100MHz到1000GHz，包括毫米波(30～300GHz)和亞毫米波(大于300GHz)頻段。Tager提出的這種方法將用于推導(dǎo)各種微波二極管的優(yōu)值系數(shù)，估計(jì)碳化硅制造這些器件的可行性，并與傳統(tǒng)器件進(jìn)行比較。



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