基于IMPATT管固態(tài)器件的太赫茲源

潘結(jié)斌，謝 斌，程懷宇

（華東光電集成器件研究所，安徽蚌埠 233030）

1 前言

太赫茲（THz）波常稱為“太赫茲間隙”，頻率介于0.1～10 THz之間，波長(zhǎng)范圍是 3 mm～30 μm，介于毫米波與紅外光之間相當(dāng)寬的電磁波譜區(qū)域，具有低能、安全、穿透、相干及光譜分辨等特性。太赫茲技術(shù)綜合了電子學(xué)和光子學(xué)的特色，是一個(gè)典型的交叉前沿學(xué)科，在太赫茲成像、光譜分析、生物感知、工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品質(zhì)量檢查、醫(yī)學(xué)和藥品檢測(cè)、太赫茲天文學(xué)、反恐與環(huán)境監(jiān)測(cè)、保密通信、空間探測(cè)、國(guó)防軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1～2]，將對(duì)多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響，世界發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)相將THz波技術(shù)列為戰(zhàn)略性科技研究方向[3]。

太赫茲源是太赫茲技術(shù)研究中極為關(guān)鍵的技術(shù)之一，太赫茲源的產(chǎn)生主要基于電子學(xué)、光子學(xué)和光電子學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1給出了三類技術(shù)產(chǎn)生太赫茲源的功率分布[4]。圖1左側(cè)是一些采用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生的太赫茲源，通過(guò)負(fù)阻器件振蕩效應(yīng)或利用非線性電子元件把低頻段微波源向太赫茲頻段拓展，工作頻率常低于1 THz，功率不到毫瓦量級(jí)，具有體積小巧、便攜的優(yōu)勢(shì)。圖1中間部分是一些采用光電子學(xué)技術(shù)形成的太赫茲源，可覆蓋大部分太赫茲頻段，這種太赫茲源要么在室溫下工作受限，要么輸出功率很低[5]。圖1右側(cè)是一些利用光子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生的太赫茲源，這種源頻率調(diào)諧范圍寬，覆蓋大部分太赫茲頻段，但轉(zhuǎn)換效率低、平均功率較小。

圖1 各種產(chǎn)生太赫茲源的方法和功率分布圖

從滿足太赫茲技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的需求出發(fā)，基于電子學(xué)方法形成太赫茲源是當(dāng)前太赫茲源研究領(lǐng)域的重要分支之一。本文介紹一種以雪崩渡越時(shí)間二極管（IMPact Avalanche Transit Time，IMPATT）為核心器件形成的太赫茲電子學(xué)固態(tài)源，工作頻率達(dá)到500GHz，可在常溫下工作，具有輸出功率高、體積小、成本低及易于集成等優(yōu)點(diǎn)。

2 電子學(xué)太赫茲源

隨著太赫茲理論研究的深入、器件研制水平的提高、系統(tǒng)應(yīng)用的多元化，太赫茲技術(shù)正處于飛速發(fā)展期，促進(jìn)太赫茲技術(shù)進(jìn)步的電子學(xué)太赫茲源，主要由真空電子學(xué)和半導(dǎo)體固態(tài)電子學(xué)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 真空電子學(xué)太赫茲源

真空電子學(xué)太赫茲源與傳統(tǒng)的微波電真空器件的機(jī)理一樣，將電子束的能量轉(zhuǎn)移給電磁場(chǎng)，從而使電磁場(chǎng)得到放大，可以用在太赫茲頻域。利用微納加工技術(shù)，采用陰極發(fā)射高能電子束，經(jīng)過(guò)慢波結(jié)構(gòu)、高頻場(chǎng)的相互作用，產(chǎn)生速度調(diào)制和密度調(diào)制，使電子產(chǎn)生群聚，從而使整個(gè)電子束與場(chǎng)有凈的能量交換，輻射出太赫茲波[5]。

真空電子學(xué)太赫茲源可產(chǎn)生寬頻帶、大輸出功率的太赫茲真空輻射，輸出功率（包括連續(xù)波、脈沖功率和平均功率）可達(dá)到mW～kW量級(jí)[6]。但基于電真空器件實(shí)現(xiàn)的太赫茲源條件復(fù)雜、體積龐大、功耗大，還需要高壓電源和水冷系統(tǒng)，使用壽命低，制約著太赫茲波真空輻射源在低電壓、小型化、便攜式等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2.2 固態(tài)電子學(xué)太赫茲源

隨著第一代半導(dǎo)體Si納米加工技術(shù)、第二代半導(dǎo)體GaAs、InP的異質(zhì)結(jié)、超晶格技術(shù)、第三代半導(dǎo)體SiC、GaN寬禁帶電子技術(shù)的發(fā)展，使電子學(xué)固態(tài)源工作頻率可延伸至太赫茲頻段[7]。三端固態(tài)電子器件InP基異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）和高電子遷移率晶體管（HEMT）器件、太赫茲單片集成電路（TM IC）等工作截止頻率不斷提高，工作頻率可以達(dá)到500 GHz左右，但這些器件的輸出功率小（340 GHz頻點(diǎn)處的輸出功率只有幾十μW），僅限近距離場(chǎng)合應(yīng)用[8]。半導(dǎo)體二端口固態(tài)器件諧振隧道二極管(RTD)、隧道注入式渡越時(shí)間二極管 (TUNNETT)、雪崩渡越時(shí)間二極管(IMPATT)、倍頻器(Multiplexer)，在振蕩頻率、單位面積輸出功率、轉(zhuǎn)換效率等高頻特性方面比晶體管具有更大的優(yōu)勢(shì)，目前兩端口器件是實(shí)現(xiàn)固態(tài)太赫茲源的主流方案，是電子裝備固態(tài)化、小型化、相控陣化和智能化的核心器件，也是無(wú)線電通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵器件，屬于國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略資源。

3 IMPATT管器件

IMPATT管是一種反向偏壓達(dá)到雪崩區(qū)產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)開(kāi)始工作的新型半導(dǎo)體固態(tài)功率器件，是利用半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中載流子（電子與空穴）碰撞電離和渡越時(shí)間兩種物理作用導(dǎo)致相位延遲，從而產(chǎn)生與頻率有關(guān)的動(dòng)態(tài)負(fù)阻效應(yīng)。將IMPATT管和外電路連接，當(dāng)滿足諧振條件時(shí)產(chǎn)生振蕩，把直流功率轉(zhuǎn)換成射頻功率輸出，從而構(gòu)成IMPATT管源。器件工作期間，表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性，與目前已知可工作在太赫茲頻段的其他固態(tài)器件相比，IMPATT管輸出功率高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)?；诿}沖和連續(xù)波工作模式的IMPATT管振蕩源，在100 GHz時(shí)輸出功率分別達(dá)到15 W和500 mW；300 GHz的IMPATT管脈沖振蕩源輸出功率約50 mW，是目前固態(tài)電子學(xué)太赫茲源產(chǎn)生輻射功率最大的器件[9]。

IMPATT管常用結(jié)構(gòu)有雙漂移區(qū)和單漂移區(qū)形式，具體應(yīng)用中需根據(jù)器件靜態(tài)小信號(hào)和動(dòng)態(tài)大信號(hào)工作特性，結(jié)合電路邊界條件，求解器件泊松方程、電子-空穴電流連續(xù)方程、電流密度方程、電子-空穴產(chǎn)生率及矩量方程等，獲取器件小信號(hào)和大信號(hào)工作狀態(tài)下的參數(shù)，為器件構(gòu)成太赫茲固態(tài)源提供精確的數(shù)學(xué)模型[10]。

3.1 雙漂移區(qū)結(jié)構(gòu)IMPATT管等效模型

雙漂移區(qū)IMPATT管由兩個(gè)漂移區(qū)和一個(gè)雪崩區(qū)組成，類似于兩個(gè)單漂移區(qū)IMPATT管串聯(lián)，雪崩時(shí)產(chǎn)生的電子和空穴各自向相反方向渡越，電子和空穴都產(chǎn)生振蕩。根據(jù)Joel.W.Gannett和Koenraad Mouthaand等對(duì)IMPATT管非線性模型的描述，器件工作時(shí)產(chǎn)生雪崩擊穿表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性等效電路模型，如圖 2 所示[11～12]。

圖2 雙漂移區(qū)IMPATT管非線性電路模型

從圖2中可以看出，器件模型復(fù)雜，每一等效元件與在器件內(nèi)部的物理工作機(jī)制都有一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。模型中既包含有集總非線性元件，又包含有集總和分布參數(shù)的線性元件。模型在小信號(hào)和大信號(hào)狀態(tài)下器件參數(shù)變化較大。其中，Vd表示漂移區(qū)電壓、Ie(t)表示受控電流，Ve表示雪崩區(qū)電壓，Cd為漂移區(qū)電容，Ce為雪崩區(qū)電容。雙漂移區(qū)IMPATT管的這種結(jié)構(gòu)可以增大負(fù)阻、減小單位面積等效電容、增加等阻抗條件下的管芯面積、增大器件工作電壓，使器件轉(zhuǎn)換效率和輸出功率提高。雙漂移區(qū)結(jié)構(gòu)IMPATT管常作為核心器件用于脈沖、連續(xù)波太赫茲固態(tài)源及注鎖放大器等部件中。

3.2 單漂移區(qū)結(jié)構(gòu)IMPATT管等效模型

單漂移區(qū)IMPATT管由一個(gè)漂移區(qū)和一個(gè)雪崩區(qū)組成，器件結(jié)構(gòu)滿足非線性器件基波和諧波相互作用條件，在一定相位下，器件在所需提取的諧波頻率上呈現(xiàn)等效負(fù)阻，可把基波能量和其他諧波能量轉(zhuǎn)化到所要輸出的諧波頻率上，器件工作時(shí)的非線性等效電路模型如圖 3 所示[11～12]。

圖3 單漂移區(qū)IMPATT管非線性電路模型

圖3中Va表示雪崩區(qū)電壓，Ca表示雪崩區(qū)電容，Cd表示漂移區(qū)電容，Ie(t)表示受控電流。當(dāng)器件被反向雪崩擊穿，在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生的雪崩電流波形尖銳，且集中在狹窄的雪崩區(qū)，雪崩電流含有豐富的高次諧波分量，提取相應(yīng)次數(shù)的諧波便能實(shí)現(xiàn)所需高次諧波的輸出；同時(shí)雪崩管在輸出諧波頻率處也具有負(fù)阻特性，有利于增大輸出諧波的能量，可提高輸出諧波功率、降低倍頻損耗。單漂移結(jié)構(gòu)IMPATT管較適宜于高次倍頻工作模式，具有倍頻效率高、可調(diào)帶寬大、高次模振蕩輸出功率高等特點(diǎn)，常作為核心器件用于高頻率、高穩(wěn)定度的倍頻源部件中。

3.3 IMPATT 管源振蕩機(jī)理[13～14]

IMPATT管是一種負(fù)阻器件，必須同外電路（諧振腔和外部激勵(lì)信號(hào)）一起使用，當(dāng)IMPATT管器件和腔體等外電路滿足-Z(a，θ)+Z(ω)=0的諧振條件時(shí)，IMPATT管將產(chǎn)生雪崩振蕩，器件在諧振腔中就有穩(wěn)定的功率輸出。圖4為器件與外電路振蕩諧振等效原理圖，其中 Z(a，θ)為 IMPATT 管器件阻抗，Z(ω)為外電路的負(fù)載阻抗。在振蕩穩(wěn)定時(shí)，不僅器件的負(fù)阻和外電路的阻抗相等，而且器件和外電路的相位相反，即器件電抗和外電路電抗相等且符號(hào)相反，當(dāng)器件表現(xiàn)為感抗時(shí)，外電路必須為容抗。具體應(yīng)用中，IMPATT管安裝于特定尺寸的腔體中，腔體一端接有可調(diào)節(jié)短路活塞，另一端連有可移動(dòng)負(fù)載。通過(guò)調(diào)節(jié)IMPATT管、短路活塞及移動(dòng)負(fù)載在腔體中的位置，外部激勵(lì)信號(hào)饋給IMPATT管的恒定電流，使注入牽引信號(hào)在腔體中產(chǎn)生耦合，器件有源阻抗和高頻負(fù)載達(dá)到最佳匹配，滿足雪崩器件相位、幅度平衡的工作機(jī)理，從而使IMPATT管在諧振腔中產(chǎn)生穩(wěn)定的太赫茲輻射信號(hào)輸出。

圖4 滿足IMPATT管諧振條件的等效原理圖

4 基于IMPATT管的固態(tài)太赫茲源

基于IMPATT管的固態(tài)太赫茲源是通過(guò)引入外部穩(wěn)頻振蕩、注入?yún)⒖紶恳盘?hào)或微波信號(hào)倍頻等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬帶隙化合物半導(dǎo)體(WBG)材料技術(shù)的成熟，在化合物襯底上制備IMPATT管器件，可提高器件工作電壓和工作頻率，增大器件的直流轉(zhuǎn)換效率，為IMPATT管在太赫茲頻段的高輸出功率、小體積、高可靠性、低工作電壓及易于集成等應(yīng)用提供了契機(jī)[7]。目前，基于IMPATT管構(gòu)成的高功率太赫茲固態(tài)源在應(yīng)用領(lǐng)域廣受技術(shù)人員的青睞。

4.1 IMPATT管穩(wěn)頻振蕩方式獲得的太赫茲源[10，14]

圖5是基于IMPATT管的器件通過(guò)腔體內(nèi)部穩(wěn)頻振蕩或外部注入牽引信號(hào)的方式獲得太赫茲固態(tài)源的原理框圖。這種方式獲取的太赫茲源是在IMPATT管外部恒流源的作用下，通過(guò)高品質(zhì)因數(shù)穩(wěn)頻腔諧振頻率或外部注入的高穩(wěn)定信號(hào)頻率，來(lái)獲取穩(wěn)定的太赫茲信號(hào)，然后通過(guò)隔離器輸出。該種方式獲取的太赫茲源體積小、可靠性高、可在室溫環(huán)境下工作，輸出的太赫茲波信號(hào)頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低，在100GHz頻率下脈沖輸出功率達(dá)到15W，225GHz頻率下脈沖輸出功率達(dá)到200 mW。

圖5 基于IMPATT管的太赫茲振蕩源

4.2 基于IMPATT管的固態(tài)倍頻源[12]

IMPATT管倍頻源是利用單漂移區(qū)IMPATT管的高次倍頻機(jī)理，把微波頻段的信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后，利用單漂移區(qū)IMPATT管雪崩擊穿過(guò)程中的非線性特性，產(chǎn)生達(dá)到太赫茲頻段豐富的高次諧波，然后通過(guò)帶通濾波器提取相應(yīng)的太赫茲波信號(hào)，經(jīng)隔離器輸出。基于IMPATT管的倍頻源構(gòu)成原理框圖見(jiàn)圖6。這種獲得太赫茲信號(hào)的方式同肖特基二極管相似，但肖特基二極管僅能獲得基波信號(hào)的2次或4次倍頻信號(hào)，而獲得其他諧波信號(hào)的衰減較大；但I(xiàn)MPATT管可以產(chǎn)生基波信號(hào)的4～26倍的豐富諧波信號(hào)，諧波信號(hào)的衰減基本相同，可通過(guò)帶通濾波器提取基波信號(hào)的某次倍頻諧波信號(hào)，具有頻率可調(diào)、工作帶寬寬、室溫工作、信號(hào)輸出功率大等特點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。

圖6 基于IMPATT管的太赫茲倍頻源

4.3 基于IMPATT管的噪聲源

IMPATT管噪聲源是通過(guò)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的編碼來(lái)控制、觸發(fā)IMPATT管的外部脈沖激勵(lì)信號(hào)，使IMPATT管產(chǎn)生與觸發(fā)器時(shí)序相同的脈沖太赫茲信號(hào)，通過(guò)帶通濾波和隔離器將太赫茲噪聲信號(hào)輸出。其構(gòu)成太赫茲源的原理框圖見(jiàn)圖7。這種太赫茲噪聲源由于使用編碼控制噪聲源的輸出信號(hào)，且能在室溫下工作，具有體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲成像、探測(cè)等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

5 結(jié)束語(yǔ)

太赫茲技術(shù)是一門(mén)極具活力的前沿領(lǐng)域，應(yīng)用非常廣泛。太赫茲源是太赫茲技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一，是制約太赫茲技術(shù)發(fā)展的主要因素。隨著太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展需求，太赫茲技術(shù)將朝遠(yuǎn)距離、高速率、高穩(wěn)定性、小體積、低功耗等方向發(fā)展。這就要求太赫茲源具有小型化、高輸出功率、低工作電壓、高可靠性等特點(diǎn)，基于IMPATT管固態(tài)器件研制的太赫茲源工作電壓低、效率高、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高，輸出功率高出同類固態(tài)器件1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，可滿足未來(lái)太赫茲技術(shù)發(fā)展的需求，在小型化軍事應(yīng)用、高可靠性裝備、空間探測(cè)、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 基于IMPATT管的太赫茲噪聲源

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