碳化硅二极管的高功率微波应用

  碳化硅由于其卓越的电学和热学性能，使其成为在高功率、高压和高温应用中极具吸引力的材料之一。碳化硅具有170多种不同的晶体结构(晶型)，每种晶体结构各自又具有独特的电学和光学性质。表1列出了商用的4H-和6H-碳化硅与Si、GaAs的电学性能的比较结果。从这些数据中可以看出，碳化硅唯一的缺点就是电子迁移率低。但是，与传统半导体材料相比，碳化硅非常高的击穿电场、禁带宽度，高的电子饱和速度和热导率等优点，使其在许多应用中可以大幅度提高器件性能。通常，各种不同的优值系数作为不同半导体器件性能的比较依据。

  特别是E.O.Johnson认识到碳化硅材料具有高频、高功率能力，引入了约翰逊优值系数(F_MU_S/4π)²作为双极晶体管在电学极限情况下的最大允许功率。1973年，R.W.Keyes引入了优值系数λ(U_S/4πε)²估算由输运时间决定的器件热耗散时的最大功率限制，首次总结了碳化硅的物理性能在制造高功率和高频器件方面的优势。1979年，A.S、Tager对这个方法进行了详细解释，估算了各种微波器件的限制参数，以及它们与半导体材料特性的关系。通过解析方法，A.S.Tager推导出了高频、高功率双极和场效应晶体管、变容器、IMPATT和PIN二极管在电学和热学功率极限的优值系数。研究指出，在制造微波器件方面，碳化硅比Si和GaAs更适合，因为制造这类器件需要相对较高的击穿电场和高功率。   本文回顾了当前碳化硅二极管在微波频段应用中的发展，从100MHz到1000GHz，包括毫米波(30～300GHz)和亚毫米波(大于300GHz)频段。Tager提出的这种方法将用于推导各种微波二极管的优值系数，估计碳化硅制造这些器件的可行性，并与传统器件进行比较。



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