相控阵雷达性能的基石：宽禁带半导体

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现代电子产品的基础是半导体器件，因此半导体器件的性能就决定了整个电子产品的性能，所谓半导体就是导电性能介于导体和绝缘体之间的物理器件。最开始时，人们对这些物质并不感兴趣，后来才发现半导体的独特性能，有导体和绝缘体不可替代的优势。最常见的半导体器件是二极管，其他所有的半导体器件都是建立在此基础之上的。

导体之所以导电是因为其内部有容易活动的自由电子，自由电子在电场的作用下开始运动，这个运动就是电流。物质都是由原子组成，每个原子都由原子核和绕在其外面的轨道的自由电子组成，一般从外向内分为最多7个轨道，分为从K到Q，其中存在两个规律：第一是越往外层轨道，电子能量越小，越容易脱离轨道成为自由电子。第二是当最外层轨道的电子是1或者起最大电子数减1时就特别容易丢失电子或者获得电子。

图1：原子的电子壳层

电子一般带负电，把丢失电子的轨道位置叫做空穴，可以视为带正电的粒子。把携带电流的物质叫做载流子，一般就是空穴或者自由电子。电流流动时，如果空穴比自由电子多，则视其为载流子，如果自由电子多，则视自由电子为载流子。

对于半导体而言，它们的外层电子不那么容易失去，比如元素硅，其外层是四个电子，既不容易失去也不容易得到，但是却可以对其进行掺杂一些其他元素，使其出现自由电子或者空穴，一般如果掺杂元素后空穴为多数载流子则为P型半导体，掺杂后出现自由电子为多数载流子就是N型半导体。两种半导体连在一起时，就会呈现非常有趣的一个特性——电流单向流通性，即电流只能从P流向N，而不能反转流动。而如果将两个P型半导体和一个N型半导体（或者两个N型半导体和一个P型半导体）结合起来还可以形成三极管，在二极管的性质基础上，三极管拥有以下特性：

1、电流流向的可控性。平时三极管无法导电，但当加入一个额外的电压开关时则可以成为导体，且流动方向可控。

2、可以起到电流的放大作用。在电压开关的作用下，半导体内载流子数量增多，电流随之增大。

在这两个特性之下，如果给电压开关施加一个周期电信号，其自然而然就会放大产生另外一个周期电信号，最终通过射频组件释放出去之后就成了电磁波，这就是雷达电磁波的基本原理。

现代电子器件的大规模集成电路被植入在半导体之上，这些半导体被称为衬底，通过不同的掺杂，可以有效的形成微型二极管、三极管、电容、电感等电路组件。一般的半导体衬底都有击穿电压，一旦电压超过这个限度，二极管就要损坏。同时也对应了一个电子漂移速率，这是其材料的自由电子脱离原电子轨道和结合新电子轨道的速率决定的，脱离的难易程度叫做禁带宽度，禁带越宽，相应的击穿电压就越大，于是半导体器件的最大输出功率就大一些，同时电路的开关相应速率就越快，于是就可以做更高频率的微波器件。

图2：F-22战机使用的AN/APG-73雷达采用了GaAs衬底的微波功率器件，使其功率和频率可以达到很高。

电子产品最开始使用的半导体衬底大多是硅元素和硼元素、磷元素掺杂，因技术难度低且便宜，商用和民用的很多电子产品仍然在采用。但在制作军用高功率微波器件时，这些显然无法使用。后来采取了GaAs（砷化镓）衬底，其电子漂移速率和击穿电压比硅元素器件高10倍以上，F-22上的相控阵雷达便使用这种衬底的元器件。最新的衬底材料超越了GaAs一个数量级，这就是GaN（氮化镓）和SiC，这方面美国和日本目前走在了前面，这两种衬底已经到了工程运用阶段，而我国目前只有中科院制造出来了单晶SiC，还无法进行实际上的工程大规模生产运用。

可以说今后的电子系统，谁在宽禁带半导体器件上占据上风，谁就能在电子战中获得胜利，因此我国必须对这一行业给予高度重视。

来源：科普中国

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