CN106653868B - 一种自平衡的太赫兹肖特基势垒二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太赫兹波器件技术领域，具体涉及一种具有自平衡功能的太赫兹肖特基势垒二极管；包括从下往上依次层叠的GaAs的半绝缘衬底层、重掺n++GaAs层、轻掺n‑GaAs层和SiO2层，SiO2层上金属阳极与阴极，金属阳极与n‑GaAs层形成肖特基接触，金属阴极与n++GaAs形成欧姆接触；所述二极管包含两个肖特基结，且输入端到两个肖特基结的相位相差180°。本发明的自平衡太赫兹肖特基势垒二极管能够在管子内部实现平衡式的结构，相比于传统的外部平衡式二极管，本发明的二极管特别适合应用于太赫兹频段的高端；且该二极管结构简单、使用方便、便于推广。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹波器件技术领域，具体涉及一种具有自平衡功能的太赫兹肖特基势垒二极管。
背景技术
太赫兹波一般频率覆盖0.1THz～10THz，是电磁波中唯一尚未完全开发利用的频谱资源，其长、短波段分别与微波毫米波、红外线重合，兼具微波毫米波和光波的部分优点，在宽带通信、精确制导、物体成像、环境监测及医疗诊断等领域应用前景广阔。掌握太赫兹尖端技术对我国国防建设和民用事业具有十分重要的意义。太赫兹混频器和倍频器作为太赫兹收发前端的核心器件，广泛应用于太赫兹通信、雷达等近乎所有的太赫兹应用系统，是太赫兹技术的关键研究方向之一。
肖特基二极管是太赫兹技术领域内十分常用的一种半导体器件，它具有截止频率高，可靠性好，适合于工作在室温等等优点，故广泛地应用于倍频、混频和检波等等电路系统中。如图1为一个典型的肖特基势垒二极管的单管照片，如图2为其横截面示意图，其结构为：最底层为GaAs的半绝缘衬底层，用以支撑整个管子的作用，衬底层上依次设置重掺n++GaAs层、轻掺n-GaAs层和SiO2层，SiO2层起保护隔绝保护的作用；阳极金属穿过SiO2层，与n-GaAs层接触，形成肖特基接触，阴极金属穿过SiO2和n-GaAs与n++GaAs接触，形成欧姆接触。
在实际应用当中，为了减少变频损耗、提升功率容量、抑制无用谐波分量等原因，往往都采用平衡式的结构，即通过几个二极管的同向或反向的并联或串联，实现该功能，如图3所示即为一个典型的平衡式结构，将4个二极管组合成反向串联的结构，在实际中通过特定的电路匹配结构，可以用来做平衡式二倍频器。但是，这样的平衡式结构，是在管子层面上的，即所谓的“外部式平衡结构”；随着频率的不断上升到太赫兹频段的高端，波长越来越小，二极管几何尺寸也越来越小，管子与管子之间实现平衡式结构会变得很困难。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述问题，提供一种自平衡的太赫兹肖特基势垒二极管，用以实现二倍频器，该二极管在管子内部实现平衡结构，故命名为“自平衡”二极管。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种自平衡的太赫兹肖特基势垒二极管，包括从下往上依次层叠的GaAs的半绝缘衬底层、重掺n++GaAs层、轻掺n-GaAs层和SiO2层，SiO2层上金属阳极与阴极，金属阳极与n-GaAs层形成肖特基接触，金属阴极与n++GaAs形成欧姆接触；其特征在于，所述二极管包含两个肖特基结，且输入端到两个肖特基结的相位相差180°。
进一步的，所述自平衡的太赫兹肖特基势垒二极管采用圆环电桥。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的自平衡太赫兹肖特基势垒二极管能够在管子内部实现平衡式的结构，相比于传统的外部平衡式二极管，本发明的二极管特别适合应用于太赫兹频段的高端。
(2)本发明的自平衡太赫兹肖特基势垒二极管只需要对左右两个pad来进行焊接，相比于现有的平衡式二极管，都是需要至少焊接3个pad。
(3)本发明的自平衡太赫兹肖特基势垒二极管结构简单、使用方便、便于推广。
附图说明
图1为现有肖特基势垒二极管的单管结构示意图。
图2为现有肖特基势垒二极管的单管结构剖视图。
图3为现有的外部平衡式二极管。
图4为本发明的自平衡太赫兹肖特基势垒二极管示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种自平衡的太赫兹肖特基势垒二极管，包括从下往上依次层叠的GaAs的半绝缘衬底层、重掺n++GaAs层、轻掺n-GaAs层和SiO2层，SiO2层上金属阳极、阴极与圆环电桥，金属阳极与n-GaAs层形成肖特基接触，金属阴极与n++GaAs形成欧姆接触；圆环电桥的周长为当前工作频率对应波长的两倍，包含两个肖特基结，且两个肖特基结相位相差180°。
下面从工作原理上进行说明：
本发明提供自平衡的太赫兹肖特基势垒二极管，其结构如图4所示，将左侧金属电极作为输入端(阳极)、右边金属电极作为输出端(阴极)，肖特基结的非线性特性用一个通用幂级数函数来表示，如公式(1)所示：
I＝f(V)＝a0+a1V+a2V2+a3V3+… (1)
其中，I代表肖特基结的电流，V代表肖特基结所受电压，an为幂级数系数。
通过调整圆环的半径，使其周长为当前工作频率对应波长的两倍，即2λ；圆环的一圈为360°，从A点到肖特基结1的角度为45°，到肖特基结2的角度为45°+180°，所以从A点到肖特基结1和肖特基结2的相位相差180°，即一个λ。
所以，当有输入信号激励时，假如忽略肖特基结1和2的初相，若肖特基结1的电压为Vin，则肖特基结2的电压为-Vin；所以，两个肖特基结的产生的电流分别为：
I1＝f(Vin)＝a0+a1Vin+a2Vin 2+a3Vin 3+… (2)
I2＝f(-Vin)＝a0-a1Vin+a2Vin 2-a3Vin 3+… (3)
两个肖特基结到B点，都经过的是45°，总的输出电路为二者电路的和，即：
Iout＝I1+I2＝2a0+2a2Vin 2+… (4)
根据非线性理论，n阶分量只产生n次谐波分量，所以，总的输出电路项只存在直流和偶次谐波分量。因为是倍频器，直流项我们不关心，由于肖特基结本身的特性，高次谐波(四次、六次等)远远小于二次谐波分量；所以，最终的输出，抑制了奇次分量，偶次分量以二次谐波为主，从而实现了管子通过自平衡的结构，内部自己实现了二倍频的功能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (1)
1.一种自平衡的太赫兹肖特基势垒二极管，包括从下往上依次层叠的GaAs的半绝缘衬底层、重掺n++GaAs层、轻掺n-GaAs层和SiO2层，SiO2层上金属阳极与阴极，金属阳极与n-GaAs层形成肖特基接触，金属阴极与n++GaAs形成欧姆接触；其特征在于，所述二极管包含两个肖特基结，且输入端到两个肖特基结的相位相差180°；所述自平衡的太赫兹肖特基势垒二极管采用圆环电桥；通过调整圆环的半径，使其周长为当前工作频率对应波长的两倍，圆环的一圈为360°，从输入端到肖特基结1的角度为45°，到肖特基结2的角度为45°+180°。
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