射频半导体 （MMIC） 入门
介绍
半导体在现代社会中无处不在。除了用于计算技术的微处理器外，它们还用于几乎所有有源无线通信系统，包括手机信号塔、手机、雷达和卫星等。Mini-Circuits设计和生产用于许多此类应用的基于半导体（MMIC）的组件。本文探讨了RF半导体的基础知识，从原子开始，为它们的工作原理提供了基本理解。
原子
保留物质性质的最小物质粒子被称为原子，源自希腊语atomos，其翻译为“不可切割”或“不能分割”。原子由带正电的质子、中性中子和带负电的电子组成的原子核组成。质子的质量大约是电子质量的2000倍，并且相对不动。
著名物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885-1962）提出了一个直觉上的建议，即电子必须占据某些轨道，它们的能量取决于与原子核的距离。这意味着电子只能具有某些固定或“量子化”的能量。从原子中除去电子所需的能量称为电离势。电子离原子核越远，就越容易被移除，其电离电位就越低。与电子相关的能量非常小，因此业界（以及本文）通常使用电子伏特（eV）作为标准单位，其中：
1 eV = 1.6 x 10^(-19) 焦耳。
如果电子通过1V的电位下降，其动能增加，势能降低1eV。电子的电荷为e=1.6 x 10^(-19)库仑（C）。换句话说，每个库仑的电子数量约为6 x 10^(18)。通过电路的一安培电流为1库仑/秒，每秒约为6 x10^(18)个电子。在较小的尺度上，1nA（10^(-9)A）是每秒约6 x 10^(9)个电子的流动，对于如此小的电流来说，这似乎是一个矛盾的大数字！
硅是最受欢迎的半导体之一，有14个电子。除了4个电子外，其外壳中的所有电子都与原子核紧密结合，硅原子可以被描绘成一个电荷+4e的离子，周围环绕着4个电子，称为价电子，可用于键合。在硅晶体中，这4个电子与共价键中的相邻原子共享。
图1：硅的原子结构
硅晶体的简化二维图像如图2所示。在极低的温度（0K）下，所有的价电子都结合到一个原子，并且没有一个可用于传导，因此硅的行为类似于绝缘体（下面将详细介绍）。随着温度的升高，热能被提供给晶体，一些键被破坏，留下一些电子可用于传导。换句话说，硅在某些条件下表现得像导体，在另一些条件下表现得像绝缘体。此属性将其归类为半导体。让我们更深入地研究这个话题。
图2：硅在0K时的价带（无自由电子）
带隙理论
图3：带隙
根据泡利的不相容原理（1925年），没有两个电子可以具有相同的量子态。简单地说，硅晶体中价电子的能级是离散的，不同的并且靠近在一起，直观地将每个能级视为一个能带是很方便的（图3），我们将称之为价带。参与传导的自由电子的能级落在导带内。价电子不参与传导，除非提供等于价带和导带之间带隙的能量，例如通过热或光。在硅中，带隙为1.12eV。相比之下，金属没有带隙，在绝缘体中，它被任意定义为大于3至4eV。
本征和非本征半导体
如前所述，在硅晶体中，在极低的温度下，所有的价电子都结合到一个原子，并且没有一个可用于传导，因此它的行为类似于绝缘体。随着温度的升高（即使在室温下），一些键被破坏，产生电子空穴对，这些键可用于传导。因此得名半导体。纯硅被称为本征半导体。
室温时，T=~300K，能量为kBT，其中kB为玻尔兹曼常数
kB= 8.617 x 10^(-5)eV/K
因此，kBT= 8.617 x 10^(-5)x 300 = 0.025V eV
问题是，如此小的热能如何使一些价电子跳跃1.12eV的带隙？并非所有电子都处于相同的温度，300K是平均温度。麦克斯韦-玻尔兹曼分布（图4）表明，一小部分电子的能量超过带隙能量，并且可以在室温下传导，如图中的阴影区域表示。
图4：麦克斯韦-玻尔兹曼分布
图5：室温下的硅晶体
在室温下可用于在纯硅中传导的电子数量非常少，因此没有多大用处。例如，横截面为50μm x 100 μm的3mm长晶体上的1μA电流所需的电压为1.38kV，这太高了。 与金属相比，硅在室温下的自由电子为1.5 x 10^(5)/ cm3，而金属为10^(28)/ cm3，低许多数量级。
图6：N型非本征半导体
图7：N型硅的带状图（外在）
N型非本征硅：通过“掺杂”具有五个价电子（五价电子）的原子的硅晶体，多余的电子可用于传导（图6）。五价原子包括锑，磷和砷，被称为供体杂质原子，因为它们提供松散结合的多余电子，并且可以很容易地被提升到导带中。参见图7中的波段图。
通过每10^(8)个硅原子掺杂1个供体原子，在上述横截面上吸收1μA电流所需的电压降至0.05V。
图8：P型非本征半导体
图9：P型硅的带状图（外在）
P型非本征硅：另一方面，通过将硅晶体与具有三个价电子（三价/受体）的原子掺杂，可以获得多余的空穴进行传导。常用的三价原子是元素周期表中的第3族原子，如硼。就能带图而言，这创建了一个刚好高于价带的能级，允许价电子跳到该能带，在价带中产生空穴。大多数电荷携带是P型硅上的孔。
出于可制造性目的，所有元件（晶体管，二极管，电阻器等）都应在平面晶圆上形成。例如，为了创建P-N结，通过在具有过量供体原子（超过和超过受体原子）的特定位置掺杂P型半导体衬底，可以创建N型区域。这是单芯片电路中使用的关键特性，如图10所示。
图 10：选择性掺杂创建的 n+ 区域
类似地，通过在具有过量受体原子的特定位置掺杂N型半导体，可以创建P型区域。
化合物半导体
硅（和锗）属于元素周期表中的第4族，有四个价电子。化合物半导体可以通过组合第3族（三价电子）和第5族（五价电子）形成，从而平均每个原子产生4个价电子。例如，Ga（镓）和As（砷）的化合物形成GaAs，Mini-Circuits在我们的许多MMIC产品中使用了GaAs。砷产生n型掺杂的比例略有增加，而Ga产生p型掺杂的比例略有增加。砷化镓中电子的更高迁移率（与硅相比）使其可用于高频电路。GaN的较高带隙使其可用于功率放大器，提供比Si或GaAs更高的功率。表1总结了常用RF半导体的一些特性。请注意，所有半导体材料的成本都不相同。按照成本的增加顺序，材料排名是硅，砷化镓和氮化镓。
表1：流行的半导体元素和化合物的性质参考：材料科学|新闻|材料工程|新闻（azom.com）
迁移率定义为漂移速度与电场强度的比值。在直接带隙材料中，价带最大值和导带最小值以相同的动量发生。在间接带隙材料中，它以不同的动量发生。这一概念将在后续文章中进一步讨论。
金属-半导体结
要与半导体建立电气连接，需要连接键合线（金属）。有趣的是，一些金属会产生欧姆触点，而另一些金属会产生整流结。这两种类型的联系人都很有用。后者也被称为肖特基屏障交界处。为了理解金属 - 半导体结，需要定义一个功函数（阿尔伯特·爱因斯坦在1921年获得了诺贝尔奖）。材料的功函数是从化学势水平上除去电子并赋予其足够的能量以逃逸到无穷大并以零能量3到达那里所需的能量，分别由金属和半导体的符号Фm和Фs定义。
对于N型半导体，Фm>Фs，并且产生的结是整流的，这意味着允许电流沿一个方向流动。这种触点也称为肖特基势垒触点，广泛用于混频器，因为它们具有快速开关功能。肖特基势垒二极管的V-I特性如图11所示。
图11：肖特基势垒二极管的特性
P-N 结
也可以使用P-N结形成整流结，其中N型和P型材料组合在一起，晶体结构是连续的，如图12所示。电子从N型流向P型，空穴从P型流向N型。这形成了电位的障碍，并且在平衡状态下，没有电流流动。通过将N型材料连接到电池的负极，将P型材料连接到正极，降低流动障碍并开始流动。如果将N型材料连接到电池的正端，而P型材料连接到负极，则势垒电位增加，结反向偏置，电流非常小。得到的V-I曲线与图11所示非常相似。P-N结的开关速度非常慢，在RF/微波频率下没有多大用处。
图 12：P-N 结带图
总结
我们已经介绍了半导体的基础知识以及欧姆和整流触点以及P-N结。这些主题主题的广泛教程处理可以在下面引用的参考文献中找到。HBT、PHEMT、GaN 等高级主题将在本系列的后续文章中讨论。
引用：
1. Maitland Jones Jr.， “Organic Chemistry”， 2005， W.W. Norton & Company
2. William Shockley，“半导体中的电子和空穴”，D.VanNostrand Company Inc.，1959年
3. 剑桥大学TLP图书馆，半导体导论
4. 麻省理工学院，OpenCourseWare Search （mit.edu）
5. Paul A. Tipler， Gene Mosca， “Physics for Scientist andEngineers- Vol 1”， W.H.Freedman and company， 2004
6. Jacob Millman &Arvin Grabel， “Microelectronics” McGraw-HillInternational， 1988
7. 可汗学院，半导体|12级物理（印度）|科学|可汗学院
致谢：
全文翻译自minicircuits的博客文章。感谢原作者。