基本微波技術

微波頻率：微波頻率涵蓋約從0.1GHz到3000GHz，相當于波長從300cm到0.01cm。

分布效應：電子部件在微波頻率，與其在較低頻率的工作行為不同。

輸運線：一個由電阻、電容、電感三種等效基本電路部件所組成的復雜網絡。

平面輸運線

平面輸運線是輸運線中的一種，它是現代微波電路技術的主流。

平面輸運線的基本形式，分類包括：微細長片、同平面波導(CPW)細長線和懸吊襯底細長線(SSSL)。

其中微細長片是輸運線最常用的形式。它同平面波導的損耗性較大，亦即傳遞信號的損失是較大的，但是它可以使接地的寄生電感減為最小。
輸運線的特征阻抗為：$Z_0=\sqrt{\frac{R+j\omega L}{G+j\omega C}}\Omega$
單位長度電阻R；單位長度電感L；單位長度電導G；單位長度電容C；角頻率$\omega$。

共振腔的應用條件：在較低的微波頻率下，可以利用電感和電容部件來制作共振電路。然而，在毫米波和較高頻率時，共振時的LC值在實際上是很小的，因此需要采用共振腔。
共振腔（亦稱為調諧腔）的定義：共振腔是一個金屬壁腔，是由低電阻值金屬包住良好介電物質所制成。

共振腔的作用：能量可以入射進腔體或是從腔體汲取能量。

隧道二極管

隧道二極管與量子隧穿現象息息相關。它可應用于毫米波區域，常被應用于特定的低功率微波器件，如局部震蕩器和鎖頻電路。

隧道二極管由一簡單的pn結組成，且p型和n型都是重摻雜半導體。
隧道二極管的典型靜態電流-電壓特性如圖:

在沒有外加電壓的熱平衡狀態下，由于高摻雜濃度，因此耗盡區非常窄且隧穿距離d也非常小(5nm-10nm)。同時，高摻雜濃度也造成費米能級落在允帶范圍內。

結兩端的摻雜能級很高，以致于p型區的費米能級$E_{Fp}$比（硅或砷化鎵等半導體材料）價帶的邊緣還低，而在n型區的費米能級$E_{Fn}$則高于導帶的邊緣。如此便在n型邊產生一被占據的能態帶，且在p型邊存在一對應的、但未被占據的可用能態帶。

由圖可得，外加正向偏壓后，當供給電壓大約是$(V_p+V_n)/3$時,隧穿電流達到其峰值$I_p$，此時對應的電壓稱作峰值電壓$V_p$。

當正向偏壓持續增加(V<Vp<Vv，此Vv為谷底電壓)，p型邊尚未被占據的可用能態減少，電流因此變小。最后，兩邊能帶彼此沒有交集，此時隧穿電流不再流動，若再持續增加電壓的話，一般的熱電流將會開始流動(對V>Vv)。

因此，在正向偏壓時，當電壓增加，隧穿電流會從零增加到一峰值電流$I_p$，隨著更進一步地增加電壓，電流開始減少；當$V=V_p+V_n$時，電流減至一最小值。

在達到峰值電流后減少的部分是負微分電阻區。

峰值電流$I_p$與谷底電流$I_v$決定負電阻的大小。因此，$\frac{I_p}{I_v}$被當作是衡量隧道二極管好壞的一個最重要的指標。

外加偏壓與隧道二極管電流的關系如圖：

碰撞電離雪崩渡越時間二極管

碰撞電離雪崩渡越時間二極管IMPATT：IMPATT是利用雪崩倍增和半導體器件的渡越時間特性來產生在微波頻率時的負電阻。

IMPATT是最具威力的微波功率固態源之一。
目前，在毫米波頻率超過30GHz時，IMPATT可以產生所有固態器件中最高的連續波(CW)功率輸出。IMPATT被廣泛使用在雷達系統與警報系統上。

IMPATT的缺點：因雪崩倍增過程的不規律變動所引起的噪聲甚高。

IMAPTT的靜態特性

一個單邊突變$p^{+}?n$結在雪崩擊穿時的電場分布由于電場對電離率的強烈影響，大部分的擊穿倍增過程發生在圖中的0和$x_A$之間這樣一個最大電場附近的狹窄區域(陰影部分)。$x_A$是雪崩區域的寬度，在這寬度內有超過95%的電離發生。

其他類型的IMAPTT電場分布如圖：

IMPATT的動態特性

以低-高-低結構的IMAPTT為例，在雪崩過程中，注入的載流子濃度(電子脈沖)落后于交流電壓的相位$\frac{\pi }{2}$。

轉移電子器件TED

當一個超過每厘米幾千伏臨界值的直流電場加在一個短的n型砷化鎵或磷化砷的樣品上，就會有微波的輸出產生，這就是轉移電子器件(TED)。

轉移電子器件TED是一個重要的微波器件。它已被廣泛用作局部震蕩器和功率放大器，且所涵蓋微波頻率從1GHz到150GHz，在探測系統、遠程控制和微波測試儀器等位置均可被用作重要的固態微波源。

雖然轉移電子器件的功率輸出和效率一般都比IMPATT器件還低，但是TED卻有較低的噪聲、較低的工作電壓和相對較容易的電路設計。

負微分電阻NDR

負微分電阻NDR的要求：
1.晶格溫度需足夠低，以至于在沒有電場存在時，大部分電子是在較低的谷(導帶的最小值)，亦即兩個谷的能量差ΔE>kT；
2.在較低的谷，電子必須有高的遷移率和小的有效質量,而在較高的衛星谷，電子有低的遷移和大的有效質量；
3.兩谷間的能量差必須小于半導體禁帶寬度(即ΔE<Eg)，以致在電子進入到較高谷底的轉移之前，雪崩擊穿不會開始。

轉移電子效應：傳導電子從高遷移率的能量谷轉移到低遷移率較高能量的衛星谷的效應。

一個TED的工作特征取決于下面五個因素：
器件內的摻雜濃度與摻雜均勻性；
2.有源區的長度；
3.陰極接觸特性；
4.電路的形式；
5.工作的偏壓。

TED需要非常純且均勻的材料，還要有最少的深能級雜質與缺陷。現在的TED幾乎都用各種外延技術，在襯底上淀積外延層。典型的施主濃度范圍是從$10^{14}c{m}^{?3}$到$10^{16}c{m}^{?3}$，且典型的器件長度范圍是從幾毫米到幾百毫米。

一個TED的工作特征取決于下面五個因素器件內的摻雜濃度與摻雜均勻性、有源區的長度、陰極接觸特性、電路的形式和工作的偏壓值。

量子效應器件

量子效應器件的定義：量子效應器件(QED)是利用量子力學隧穿效應提供可控制的載流子輸運的器件。

量子效應器件的優點：由于有源層寬度是非常窄的，約在10nm的量級，故容易引起量
子尺寸效應，從而改變能帶結構和增強器件的傳輸特性。

共振隧穿二極管RTD的能帶圖結構：

共振隧穿二極管的三個重要參數：勢壘高度E_0(即為導帶的不連續)、勢壘寬度L_B及量子阱寬度L_w。

熱電子器件

熱電子的定義：熱電子是指動能遠大于kT的電子。

半導體器件尺寸縮小導致內部電場變大，因此在器件工作時，器件有源區內有相當比例的載流子會處于高動能狀態。

熱電子器件的載流子速度分布：在某一特定的時間與空間點上，載流子的速度分布可能是極窄的尖峰，此情形稱為“彈道”電子束。

熱電子異質結雙極型晶體管HBT

熱電子異質結雙極型晶體管HBT的優點：熱電子異質結雙極型晶體管(HBT)優點在于以較快的彈道輸運取代相對較慢的擴散過程，來縮短電子在基區內的移動時間。

在異質結雙極型晶體管中，設計使其具有較寬禁帶的發射區就能產生熱載流子注入，使得只要超過導帶底部能量$\Delta E_C=0.5eV$時，電子就會由熱發射越過射基區勢壘而注入發射區。
這樣做的目的是以較快的彈道輸運取代相對較慢的擴散過程，從而縮短電子在基區內的移動時間。

實空間轉移晶體管RSTT

最原始的實空間轉移晶體管結構如圖所示，它是由摻雜的寬禁帶AlGaAs和未摻雜的窄禁帶GaAs層相互交替而成的異質結結構。在熱平衡時可移動電子存在于未摻雜GaAs量子阱中，且與位于AlGaAs層里的母體施主隔開。

若圖中層2的遷移率低很多，則在兩端點間電路將會有負微分電阻產生，這很類似于建立在動量空間谷間轉移基礎上的轉移電子效應，因此稱作實空間轉移。此時對應的電壓電流關系如圖：

在實空間轉移器件里，窄禁帶半導體內的電子可從輸入功率獲得能量而轉移進入寬禁帶半導體，導致負微分電阻的特性。
實空間轉移器件具有高跨導和高截止頻率。
RSTT也可應用在邏輯電路上，它比其他器件有較少的部件數量卻依然能執行特定的功能。