相控陣雷達性能的基石：寬禁帶半導體

　　現代電子產品的基礎是半導體器件，因此半導體器件的性能就決定了整個電子產品的性能，所謂半導體就是導電性能介于導體和絕緣體之間的物理器件。最開始時，人們對這些物質并不感興趣，后來才發現半導體的獨特性能，有導體和絕緣體不可替代的優勢。最常見的半導體器件是二極管，其他所有的半導體器件都是建立在此基礎之上的。

　　原子結構和半導體器件

　　導體之所以導電是因為其內部有容易活動的自由電子，自由電子在電場的作用下開始運動，這個運動就是電流。物質都是由原子組成，每個原子都由原子核和繞在其外面的軌道的自由電子組成，一般從外向內分為最多7個軌道，分為從K到Q，其中存在兩個規律：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。第二是當最外層軌道的電子是1或者起最大電子數減1時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。把攜帶電流的物質叫做載流子，一般就是空穴或者自由電子。電流流動時，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。

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

　　1、電流流向的可控性。平時三極管無法導電，但當加入一個額外的電壓開關時則可以成為導體，且流動方向可控。

　　2、可以起到電流的放大作用。在電壓開關的作用下，半導體內載流子數量增多，電流隨之增大。

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

　　寬禁帶半導體

　　現代電子器件的大規模集成電路被植入在半導體之上，這些半導體被稱為襯底，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。一般的半導體襯底都有擊穿電壓，一旦電壓超過這個限度，二極管就要損壞。同時也對應了一個電子漂移速率，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，相應的擊穿電壓就越大，于是半導體器件的最大輸出功率就大一些，同時電路的開關相應速率就越快，于是就可以做更高頻率的微波器件。

　　圖2：F-22戰機使用的AN/APG-73雷達采用了GaAs襯底的微波功率器件，使其功率和頻率可以達到很高。

　　電子產品最開始使用的半導體襯底大多是硅元素和硼元素、磷元素摻雜，因技術難度低且便宜，商用和民用的很多電子產品仍然在采用。但在制作軍用高功率微波器件時，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-22上的相控陣雷達便使用這種襯底的元器件。最新的襯底材料超越了GaAs一個數量級，這就是GaN(氮化鎵)和SiC，這方面美國和日本目前走在了前面，這兩種襯底已經到了工程運用階段，而我國目前只有中科院制造出來了單晶SiC，還無法進行實際上的工程大規模生產運用。

　　可以說今后的電子系統，誰在寬禁帶半導體器件上占據上風，誰就能在電子戰中獲得勝利，因此我國必須對這一行業給予高度重視。