相控陣?yán)走_(dá)性能的基石：寬禁帶半導(dǎo)體

　　現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體器件，因此半導(dǎo)體器件的性能就決定了整個(gè)電子產(chǎn)品的性能，所謂半導(dǎo)體就是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物理器件。最開始時(shí)，人們對(duì)這些物質(zhì)并不感興趣，后來才發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的獨(dú)特性能，有導(dǎo)體和絕緣體不可替代的優(yōu)勢。最常見的半導(dǎo)體器件是二極管，其他所有的半導(dǎo)體器件都是建立在此基礎(chǔ)之上的。

　　原子結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體器件

　　導(dǎo)體之所以導(dǎo)電是因?yàn)槠鋬?nèi)部有容易活動(dòng)的自由電子，自由電子在電場的作用下開始運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)就是電流。物質(zhì)都是由原子組成，每個(gè)原子都由原子核和繞在其外面的軌道的自由電子組成，一般從外向內(nèi)分為最多7個(gè)軌道，分為從K到Q，其中存在兩個(gè)規(guī)律：第一是越往外層軌道，電子能量越小，越容易脫離軌道成為自由電子。第二是當(dāng)最外層軌道的電子是1或者起最大電子數(shù)減1時(shí)就特別容易丟失電子或者獲得電子。

　　圖1：原子的電子殼層

　　電子一般帶負(fù)電，把丟失電子的軌道位置叫做空穴，可以視為帶正電的粒子。把攜帶電流的物質(zhì)叫做載流子，一般就是空穴或者自由電子。電流流動(dòng)時(shí)，如果空穴比自由電子多，則視其為載流子，如果自由電子多，則視自由電子為載流子。

　　對(duì)于半導(dǎo)體而言，它們的外層電子不那么容易失去，比如元素硅，其外層是四個(gè)電子，既不容易失去也不容易得到，但是卻可以對(duì)其進(jìn)行摻雜一些其他元素，使其出現(xiàn)自由電子或者空穴，一般如果摻雜元素后空穴為多數(shù)載流子則為P型半導(dǎo)體，摻雜后出現(xiàn)自由電子為多數(shù)載流子就是N型半導(dǎo)體。兩種半導(dǎo)體連在一起時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)非常有趣的一個(gè)特性——電流單向流通性，即電流只能從P流向N，而不能反轉(zhuǎn)流動(dòng)。而如果將兩個(gè)P型半導(dǎo)體和一個(gè)N型半導(dǎo)體(或者兩個(gè)N型半導(dǎo)體和一個(gè)P型半導(dǎo)體)結(jié)合起來還可以形成三極管，在二極管的性質(zhì)基礎(chǔ)上，三極管擁有以下特性：

　　1、電流流向的可控性。平時(shí)三極管無法導(dǎo)電，但當(dāng)加入一個(gè)額外的電壓開關(guān)時(shí)則可以成為導(dǎo)體，且流動(dòng)方向可控。

　　2、可以起到電流的放大作用。在電壓開關(guān)的作用下，半導(dǎo)體內(nèi)載流子數(shù)量增多，電流隨之增大。

　　在這兩個(gè)特性之下，如果給電壓開關(guān)施加一個(gè)周期電信號(hào)，其自然而然就會(huì)放大產(chǎn)生另外一個(gè)周期電信號(hào)，最終通過射頻組件釋放出去之后就成了電磁波，這就是雷達(dá)電磁波的基本原理。

　　寬禁帶半導(dǎo)體

　　現(xiàn)代電子器件的大規(guī)模集成電路被植入在半導(dǎo)體之上，這些半導(dǎo)體被稱為襯底，通過不同的摻雜，可以有效的形成微型二極管、三極管、電容、電感等電路組件。一般的半導(dǎo)體襯底都有擊穿電壓，一旦電壓超過這個(gè)限度，二極管就要損壞。同時(shí)也對(duì)應(yīng)了一個(gè)電子漂移速率，這是其材料的自由電子脫離原電子軌道和結(jié)合新電子軌道的速率決定的，脫離的難易程度叫做禁帶寬度，禁帶越寬，相應(yīng)的擊穿電壓就越大，于是半導(dǎo)體器件的最大輸出功率就大一些，同時(shí)電路的開關(guān)相應(yīng)速率就越快，于是就可以做更高頻率的微波器件。

　　圖2：F-22戰(zhàn)機(jī)使用的AN/APG-73雷達(dá)采用了GaAs襯底的微波功率器件，使其功率和頻率可以達(dá)到很高。

　　電子產(chǎn)品最開始使用的半導(dǎo)體襯底大多是硅元素和硼元素、磷元素?fù)诫s，因技術(shù)難度低且便宜，商用和民用的很多電子產(chǎn)品仍然在采用。但在制作軍用高功率微波器件時(shí)，這些顯然無法使用。后來采取了GaAs(砷化鎵)襯底，其電子漂移速率和擊穿電壓比硅元素器件高10倍以上，F(xiàn)-22上的相控陣?yán)走_(dá)便使用這種襯底的元器件。最新的襯底材料超越了GaAs一個(gè)數(shù)量級(jí)，這就是GaN(氮化鎵)和SiC，這方面美國和日本目前走在了前面，這兩種襯底已經(jīng)到了工程運(yùn)用階段，而我國目前只有中科院制造出來了單晶SiC，還無法進(jìn)行實(shí)際上的工程大規(guī)模生產(chǎn)運(yùn)用。

　　可以說今后的電子系統(tǒng)，誰在寬禁帶半導(dǎo)體器件上占據(jù)上風(fēng)，誰就能在電子戰(zhàn)中獲得勝利，因此我國必須對(duì)這一行業(yè)給予高度重視。