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2、,微波二極管、量子效應(yīng)和熱電子器件,*,微波二極管、量子效應(yīng)和熱電子器件,現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝,Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices,2004,7,30,本章內(nèi)容,基本微波技術(shù),隧道二極管,碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管,轉(zhuǎn)移電子器件,量子效應(yīng)器件,熱電子器件,微波頻率涵蓋約從0.1GHz到3000GHz，相當(dāng)于波長(zhǎng)從300cm到0.01cm。,一般電子部件在微波頻率與其在較低頻率的工作行為是不同的。在微波頻率時(shí)，需將分布效應(yīng)列入考慮，因?yàn)樵谶@些頻率，波長(zhǎng)約與部件的實(shí)際大小相當(dāng)。例如，在微波頻率下，一個(gè)薄膜電阻器看起來(lái)像一

3、個(gè)具有連續(xù)L、C和不同R值的復(fù)雜RLC電路。這些分布式部件，雖然在較低頻率下可以忽視，但在微波頻率下卻有極大的重要性。在微波頻率，電容與電感常被看作為輸運(yùn)線的一部分。輸運(yùn)線也常被用作微波電路的互連線。輸運(yùn)線實(shí)際上是一個(gè)由電阻、電容、電感三種等效基本電路部件所組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。平面輸運(yùn)線是現(xiàn)代微波電路技術(shù)的主流。此輸運(yùn)線由位于表面接地的薄膜介電層襯底上的一個(gè)或多個(gè)平面導(dǎo)體所組成。,基本微波技術(shù),下圖顯示好幾個(gè)平面輸運(yùn)線基本的形式：微細(xì)長(zhǎng)片、同平面波導(dǎo)(CPW)細(xì)長(zhǎng)線和懸吊襯底細(xì)長(zhǎng)線(SSSL)。,其中R是單位長(zhǎng)度電阻，G是單位長(zhǎng)度電導(dǎo)，L 是單位長(zhǎng)度電感，C是單位長(zhǎng)度電容，w是角頻率。,微細(xì)長(zhǎng)片是

4、輸運(yùn)線最常用的形式，同平面波導(dǎo)的損耗性較大，亦即傳遞信號(hào)的損失是較大的，但是它可以使接地的寄生電感減為最小。這些輸運(yùn)線的特征阻抗Z,0,為,基本微波技術(shù),在微波電路中；相對(duì)于電抗，電阻是非常小的，因此前式可簡(jiǎn)化成,在較低的微波頻率下，可以利用電感和電容部件來(lái)制作共振電路。然而，在毫米波和較高頻率時(shí)，共振時(shí)的LC值在實(shí)際應(yīng)用上是很小的，因此必須使用可以產(chǎn)生共振的其他方法。一個(gè)普通的解決方法是共振腔，也稱作是調(diào)諧腔。,對(duì)于特定形式的輸運(yùn)線，其特征阻抗是導(dǎo)體幾何尺寸(大小、間距)及兩導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù)。,共振腔是一個(gè)金屬壁腔，是由低電阻值金屬包住良好介電物質(zhì)所制成。它類似于兩端被短路的波導(dǎo)

5、部分，且可以入射能量進(jìn)腔體或是從腔體汲取能量。如圖所示，腔體可以擁有橫向電場(chǎng)(TE)和橫向磁場(chǎng)(TM)兩種傳輸模式。,基本微波技術(shù),共振腔體內(nèi)的共振模式發(fā)生在沿著z軸方向長(zhǎng)度d為半波長(zhǎng)時(shí)的頻率。對(duì)于腔體內(nèi)的模式，是以字母數(shù)字組合Tx,m,n,p,來(lái)代表，其中x對(duì)主模式是電場(chǎng)時(shí)為E，是磁場(chǎng)時(shí)為M；m是a在尺寸方向半波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)；n是在b尺寸方向半波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)；p是在d尺寸方向半波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)。對(duì)于腔體的共振頻率，與模式有關(guān)的方程式為,其中,和,是腔體內(nèi)材料的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。且真空下,c是真空中的光速,基本微波技術(shù),隧道二極管與量子隧穿現(xiàn)象息息相關(guān)，因?yàn)榇┰狡骷乃泶r(shí)間非常短，故可應(yīng)用于毫米波區(qū)域，且

6、因?yàn)樗淼蓝O管為相當(dāng)成熟的技術(shù)，因此常被應(yīng)用于特定的低功率微波器件，如局部震蕩器和鎖頻電路,隧道二極管是由一簡(jiǎn)單的p-n結(jié)所組成，而且p型和n型都是重?fù)诫s半導(dǎo)體。下圖顯示在四個(gè)不同電壓條件下，隧道二極管的典型靜態(tài)電流-電壓特性。此電流-電壓特性是由隧穿電流與熱電流兩個(gè)成分所合成的結(jié)果。,隧道二極管,隧道二極管,在沒(méi)有外加電壓的熱平衡狀態(tài)下，由于高摻雜濃度，因此耗盡區(qū)非常窄且隧穿距離d也非常小(5nm-10nm)。同時(shí)，高摻雜濃度也造成費(fèi)米能級(jí)落在允帶范圍內(nèi)。圖中最左邊的圖所顯示的簡(jiǎn)并量qV,p,和qV,n,大約在50meV-200meV。,隧道二極管,當(dāng)外加正向偏壓時(shí)，在n型邊存在一被占據(jù)的能

7、態(tài)帶，且在p型邊存在一對(duì)應(yīng)的、但未被占據(jù)的可用能態(tài)帶。因此電子可從n型邊被占據(jù)的能態(tài)帶隧穿到p型邊未被占據(jù)的可用能態(tài)帶。,當(dāng)供給電壓大約是(V,p,+V,n,)/3時(shí)，隧穿電流達(dá)到其峰值I,p,此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓稱作峰值電壓V,p,。當(dāng)正向偏壓持續(xù)增加(V,p,VV,v,)。,隧道二極管,因此，在正向偏壓時(shí)，當(dāng)電壓增加，隧穿電流會(huì)從零增加到一峰值電流I,p,，隨著更進(jìn)一步地增加電壓，電流開始減少；當(dāng)V=V,p,+V,n,時(shí)，電流減至一最小值。如圖，在達(dá)到峰值電流后減少的部分是負(fù)微分電阻區(qū)。峰值電流I,p,與谷底電流I,v,之值決定負(fù)電阻的大小。因此，I,p,/I,v,之比被當(dāng)作是衡量隧道二極管好壞

8、的一個(gè)指標(biāo)。,電流-電壓特性的實(shí)驗(yàn)式為,式中第一項(xiàng)為隧穿電流，I,p,和V,p,各自是峰值電流和峰值電壓，第二項(xiàng)為一般熱電流。,隧道二極管,碰撞電離雪崩渡越時(shí)間(IMPATT)是利用雪崩倍增和半導(dǎo)體器件的渡越時(shí)間特性來(lái)產(chǎn)生在微波頻率時(shí)的負(fù)電阻。IMPATT是最具威力的微波功率固態(tài)源之一。目前，在毫米波頻率超過(guò)30GHz時(shí)，IMPATT可以產(chǎn)生所有固態(tài)器件中最高的連續(xù)波(CW)功率輸出。IMPATT被廣泛使用在雷達(dá)系統(tǒng)與警報(bào)系統(tǒng)上。弱點(diǎn)：因雪崩倍增過(guò)程的不規(guī)律變動(dòng)所引起的噪聲甚高。,幾種常見器件結(jié)構(gòu)：,碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管家族包括很多不同的p-n結(jié)和金屬-半導(dǎo)體器件。第一個(gè)IMPATT震蕩

9、是從固定微波腔里的簡(jiǎn)單p-n結(jié)二極管加以反向偏壓使其雪崩擊穿而得到的。,碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管,右圖顯示摻雜分布和一個(gè)單邊突變p-n結(jié)在雪崩擊穿時(shí)的電場(chǎng)分布。由于電場(chǎng)對(duì)電離率有很強(qiáng)的影響，因此大部分的擊穿倍增過(guò)程發(fā)生在0和x,A,之間的最大電場(chǎng)附近的狹窄區(qū)域(斜陰影面積)。x,A,是雪崩區(qū)域的寬度，在這寬度內(nèi)有超過(guò)95的電離發(fā)生。,碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管,圖(b)顯示一高摻雜N,1,區(qū)域，緊接一個(gè)較低摻雜N,2,區(qū)域的高-低(hi-lo)結(jié)構(gòu)。隨著適當(dāng)?shù)剡x擇摻雜濃度和它的寬度b，雪崩區(qū)域可以被限制在N,1,區(qū)域內(nèi)。圖(c)是一個(gè)低-高-低(lo-hi-lo)結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中，有一“團(tuán)”

10、施主被放置在x=b處。因?yàn)樵趚=0到x=b之間，存在一個(gè)近似均勻的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，擊穿區(qū)域相當(dāng)于b，且其最大電場(chǎng)遠(yuǎn)小于單純的高-低結(jié)構(gòu)。,碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管,以低-高-低結(jié)構(gòu)為例討論IMPATT二極管的注入延遲和渡越時(shí)間效應(yīng)。當(dāng)器件加上一個(gè)反向直流電壓V,B,，使其剛好達(dá)到雪崩時(shí)的臨界電場(chǎng)E,c,圖(a)，此時(shí)雪崩倍增將會(huì)開始。在t=0時(shí)，一個(gè)交流電壓疊加在此直流電壓上面，如圖(e)中所示。產(chǎn)生在雪崩區(qū)域的空穴移到p,+,區(qū)域而電子則進(jìn)入漂移區(qū)域。,動(dòng)態(tài)特性,碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管,當(dāng)供給的交流電壓變正(即與反向直流偏壓一致)時(shí)，有更多的電子在雪崩區(qū)域中產(chǎn)生，如圖(b)所示的虛線。只要

11、電場(chǎng)超過(guò)E,c,，電子脈沖便持續(xù)增加。因此，電子脈沖在,時(shí)達(dá)到它的峰值，而不是當(dāng)電壓為最大值時(shí)的,/2圖(c)。因此，在雪崩過(guò)程中，本身就具有,/2相位的延遲，換言之，注入的載流子濃度(電子脈沖)落后于交流電壓的相位,/2。,碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管,另外的一個(gè)延遲是由漂移區(qū)域所形成的。一旦供給電壓低于 V,B,(,t,2,)時(shí)，只要漂移區(qū)域的電場(chǎng)足夠高，則注入的電子將會(huì)以飽和速度漂向n,+,接觸窗圖(d)。上述兩方面的原因?qū)⒃斐啥稍綍r(shí)間延遲。,碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管,人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)超過(guò)每厘米幾千伏臨界值的直流電場(chǎng)外加在一個(gè)短的n型砷化鎵或磷化砷的樣品上，就會(huì)有微波的輸出產(chǎn)生，這就是轉(zhuǎn)

12、移電子器件(TED)。,轉(zhuǎn)移電子器件是一個(gè)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。雖然轉(zhuǎn)移電子器件的功率輸出和效率一般都比IMPATT器件還低。然而，TED卻有較低的噪聲、較低的工作電壓和相對(duì)較容易的電路設(shè)計(jì)。TED技術(shù)已趨成熟，且已成為探測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制和微波測(cè)試儀器上所使用的重要固態(tài)微波源。,轉(zhuǎn)移電子器件(TED),負(fù)微分電阻(NDR)：,轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)，即傳導(dǎo)電子從高遷移串的能量谷轉(zhuǎn)移到低遷移率、較高能量的衛(wèi)星谷的效應(yīng)，如圖。若,1,E,a,大于,2,E,b,，在E,a,和E,b,之間會(huì)有一負(fù)微分電阻區(qū)域(E,T,到E,V,)，E,T

13、,和J,T,分別表示NDR開始的臨界電場(chǎng)和臨界電流密度，E,V,和J,V,則表示谷電場(chǎng)和谷電流密度。,轉(zhuǎn)移電子器件(TED),對(duì)于引起NDR的轉(zhuǎn)移電子機(jī)制必須滿足特定的要求：晶格溫度需足夠低，以至于在沒(méi)有電場(chǎng)存在時(shí)，大部分電子是在較低的谷(導(dǎo)帶的最小值)，亦即兩個(gè)谷的能量差,EkT。在較低的谷，電子必須有高的遷移率和小的有效質(zhì)量；而在較高的衛(wèi)星谷，電子有低的遷移率和大的有效質(zhì)量。兩谷間的能量差必須小于半導(dǎo)體禁帶寬度(即,EE,g,)，以致在電子進(jìn)入到較高谷底的轉(zhuǎn)移之前，雪崩擊穿不會(huì)開始。,在滿足這些需求的半導(dǎo)體中，最被廣為研究與使用的是砷化鎵和n型磷化銦。對(duì)砷化鎵而言，其臨界電場(chǎng)E,T,為3.

14、2kV/cm，而磷化銦則為10.5kV/cm。對(duì)砷化鎵的峰值速度v,p,約為2.210,7,cm/s，而磷化銦為2.510,7,cm/s而最大負(fù)微分遷移率(即dv/dE)對(duì)砷化鎵而言，大約為-2400cm,2,/(Vs)，而磷化銦約為-2000cm,2,/(Vs)。,轉(zhuǎn)移電子器件(TED),TED需要非常純且均勻的材料，還要有最少的深能級(jí)雜質(zhì)與缺陷?，F(xiàn)在的TED幾乎都用各種外延技術(shù)，在襯底上淀積外延層。典型的施主濃度范圍是從10,14,cm,-3,到10,16,cm,-3,，且典型的器件長(zhǎng)度范圍是從幾毫米到幾百毫米。,右圖顯示，一個(gè)在n,+,襯底上有一n型外延層和一個(gè)連接到陰極電極的n,+,歐

15、姆接觸的TED以及平衡時(shí)的能帶圖和外加V=3V,T,的電壓于此器件時(shí)的電場(chǎng)分布圖，此V,T,是臨界電場(chǎng)E,T,和器件長(zhǎng)度L的乘積。對(duì)于這樣的一個(gè)歐姆接觸，在靠近陰極附近總是有一低場(chǎng)區(qū)域，且作用在器件長(zhǎng)度上的場(chǎng)并不均勻。,器件工作原理,轉(zhuǎn)移電子器件(TED),為了改善器件的性能，可以使用雙區(qū)陰極接觸來(lái)替代n,+,歐姆接觸。此雙區(qū)陰極接觸是由一強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)和一個(gè)n,+,區(qū)所組成的，如圖。這樣的結(jié)構(gòu)類似于低-高-低IMPATT二極管。電子在強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)被“加熱”，且緊接著被注入到具有均勻電場(chǎng)的有源區(qū)。此種結(jié)構(gòu)已成功地被用在大溫度范圍內(nèi)具有高效率與高功率輸出的器件中。,一個(gè)TED的工作特征取決于下面五個(gè)因素：

16、器件內(nèi)的摻雜濃度與摻雜均勻性、有源區(qū)的長(zhǎng)度、陰極接觸特性、電路的形式和工作的偏壓值。,轉(zhuǎn)移電子器件(TED),TED的一個(gè)重要工作是模式是疇度越時(shí)間模式。當(dāng)正負(fù)電荷被拉開一小段距離，將會(huì)有一個(gè)電偶極產(chǎn)生(亦稱作疇)，如圖(a)(b)所示。從泊松方程式，在電偶極內(nèi)的電場(chǎng)會(huì)大于在其任何一邊的電場(chǎng)，如圖(c)所示。降落在器件上的對(duì)應(yīng)電壓改變可由積分泊松方程式得到，如圖(d)所示。,轉(zhuǎn)移電子器件(TED),由于負(fù)微分電阻的關(guān)系，低電場(chǎng)區(qū)的電流將會(huì)大于高電場(chǎng)區(qū)的電流。在負(fù)微分電阻區(qū)域外，兩電場(chǎng)值會(huì)趨向達(dá)到平衡值，此時(shí)高電流與低電流是相同的，如圖(e)所示。,此刻電偶極已達(dá)到一穩(wěn)定組態(tài)，此偶極層會(huì)移動(dòng)穿越過(guò)有源區(qū)且消失在陽(yáng)極。此時(shí)作用在器件上的場(chǎng)會(huì)開始均勻上升，然后超過(guò)臨界值(即EE,T,)，因此形成一個(gè)新的電偶極。此過(guò)程一直重復(fù)。疇從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極所需時(shí)間為L(zhǎng)/v，此L是有源區(qū)長(zhǎng)度，v是平均速度。疇渡越時(shí)間模式對(duì)應(yīng)頻率為f=v/L。,轉(zhuǎn)移電子器件(TED),量子效應(yīng)器件是利用量子力學(xué)隧道效應(yīng)提供可控制的載流子輸運(yùn)的一類器件。對(duì)此類器件，有源層寬度是非常窄的，約在10nm的量級(jí)。這個(gè)尺度會(huì)引起量子