微波二极管、量子效应和热电子器

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2、,微波二极管、量子效应和热电子器件,*,微波二极管、量子效应和热电子器件,现代半导体器件物理与工艺,Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices,2004,7,30,本章内容,基本微波技术,隧道二极管,碰撞电离雪崩渡越时间二极管,转移电子器件,量子效应器件,热电子器件,微波频率涵盖约从0.1GHz到3000GHz，相当于波长从300cm到0.01cm。,一般电子部件在微波频率与其在较低频率的工作行为是不同的。在微波频率时，需将分布效应列入考虑，因为在这些频率，波长约与部件的实际大小相当。例如，在微波频率下，一个薄膜电阻器看起来像一

3、个具有连续L、C和不同R值的复杂RLC电路。这些分布式部件，虽然在较低频率下可以忽视，但在微波频率下却有极大的重要性。在微波频率，电容与电感常被看作为输运线的一部分。输运线也常被用作微波电路的互连线。输运线实际上是一个由电阻、电容、电感三种等效基本电路部件所组成的复杂网络。平面输运线是现代微波电路技术的主流。此输运线由位于表面接地的薄膜介电层衬底上的一个或多个平面导体所组成。,基本微波技术,下图显示好几个平面输运线基本的形式：微细长片、同平面波导(CPW)细长线和悬吊衬底细长线(SSSL)。,其中R是单位长度电阻，G是单位长度电导，L 是单位长度电感，C是单位长度电容，w是角频率。,微细长片是

4、输运线最常用的形式，同平面波导的损耗性较大，亦即传递信号的损失是较大的，但是它可以使接地的寄生电感减为最小。这些输运线的特征阻抗Z,0,为,基本微波技术,在微波电路中；相对于电抗，电阻是非常小的，因此前式可简化成,在较低的微波频率下，可以利用电感和电容部件来制作共振电路。然而，在毫米波和较高频率时，共振时的LC值在实际应用上是很小的，因此必须使用可以产生共振的其他方法。一个普通的解决方法是共振腔，也称作是调谐腔。,对于特定形式的输运线，其特征阻抗是导体几何尺寸(大小、间距)及两导体间绝缘介质介电常数的函数。,共振腔是一个金属壁腔，是由低电阻值金属包住良好介电物质所制成。它类似于两端被短路的波导

5、部分，且可以入射能量进腔体或是从腔体汲取能量。如图所示，腔体可以拥有横向电场(TE)和横向磁场(TM)两种传输模式。,基本微波技术,共振腔体内的共振模式发生在沿着z轴方向长度d为半波长时的频率。对于腔体内的模式，是以字母数字组合Tx,m,n,p,来代表，其中x对主模式是电场时为E，是磁场时为M；m是a在尺寸方向半波长的个数；n是在b尺寸方向半波长的个数；p是在d尺寸方向半波长的个数。对于腔体的共振频率，与模式有关的方程式为,其中,和,是腔体内材料的磁导率和介电常数。且真空下,c是真空中的光速,基本微波技术,隧道二极管与量子隧穿现象息息相关，因为穿越器件的隧穿时间非常短，故可应用于毫米波区域，且

6、因为隧道二极管为相当成熟的技术，因此常被应用于特定的低功率微波器件，如局部震荡器和锁频电路,隧道二极管是由一简单的p-n结所组成，而且p型和n型都是重掺杂半导体。下图显示在四个不同电压条件下，隧道二极管的典型静态电流-电压特性。此电流-电压特性是由隧穿电流与热电流两个成分所合成的结果。,隧道二极管,隧道二极管,在没有外加电压的热平衡状态下，由于高掺杂浓度，因此耗尽区非常窄且隧穿距离d也非常小(5nm-10nm)。同时，高掺杂浓度也造成费米能级落在允带范围内。图中最左边的图所显示的简并量qV,p,和qV,n,大约在50meV-200meV。,隧道二极管,当外加正向偏压时，在n型边存在一被占据的能

7、态带，且在p型边存在一对应的、但未被占据的可用能态带。因此电子可从n型边被占据的能态带隧穿到p型边未被占据的可用能态带。,当供给电压大约是(V,p,+V,n,)/3时，隧穿电流达到其峰值I,p,此时对应的电压称作峰值电压V,p,。当正向偏压持续增加(V,p,VV,v,)。,隧道二极管,因此，在正向偏压时，当电压增加，隧穿电流会从零增加到一峰值电流I,p,，随着更进一步地增加电压，电流开始减少；当V=V,p,+V,n,时，电流减至一最小值。如图，在达到峰值电流后减少的部分是负微分电阻区。峰值电流I,p,与谷底电流I,v,之值决定负电阻的大小。因此，I,p,/I,v,之比被当作是衡量隧道二极管好坏

8、的一个指标。,电流-电压特性的实验式为,式中第一项为隧穿电流，I,p,和V,p,各自是峰值电流和峰值电压，第二项为一般热电流。,隧道二极管,碰撞电离雪崩渡越时间(IMPATT)是利用雪崩倍增和半导体器件的渡越时间特性来产生在微波频率时的负电阻。IMPATT是最具威力的微波功率固态源之一。目前，在毫米波频率超过30GHz时，IMPATT可以产生所有固态器件中最高的连续波(CW)功率输出。IMPATT被广泛使用在雷达系统与警报系统上。弱点：因雪崩倍增过程的不规律变动所引起的噪声甚高。,几种常见器件结构：,碰撞电离雪崩渡越时间二极管家族包括很多不同的p-n结和金属-半导体器件。第一个IMPATT震荡

9、是从固定微波腔里的简单p-n结二极管加以反向偏压使其雪崩击穿而得到的。,碰撞电离雪崩渡越时间二极管,右图显示掺杂分布和一个单边突变p-n结在雪崩击穿时的电场分布。由于电场对电离率有很强的影响，因此大部分的击穿倍增过程发生在0和x,A,之间的最大电场附近的狭窄区域(斜阴影面积)。x,A,是雪崩区域的宽度，在这宽度内有超过95的电离发生。,碰撞电离雪崩渡越时间二极管,图(b)显示一高掺杂N,1,区域，紧接一个较低掺杂N,2,区域的高-低(hi-lo)结构。随着适当地选择掺杂浓度和它的宽度b，雪崩区域可以被限制在N,1,区域内。图(c)是一个低-高-低(lo-hi-lo)结构，在此结构中，有一“团”

10、施主被放置在x=b处。因为在x=0到x=b之间，存在一个近似均匀的强电场区域，击穿区域相当于b，且其最大电场远小于单纯的高-低结构。,碰撞电离雪崩渡越时间二极管,以低-高-低结构为例讨论IMPATT二极管的注入延迟和渡越时间效应。当器件加上一个反向直流电压V,B,，使其刚好达到雪崩时的临界电场E,c,图(a)，此时雪崩倍增将会开始。在t=0时，一个交流电压叠加在此直流电压上面，如图(e)中所示。产生在雪崩区域的空穴移到p,+,区域而电子则进入漂移区域。,动态特性,碰撞电离雪崩渡越时间二极管,当供给的交流电压变正(即与反向直流偏压一致)时，有更多的电子在雪崩区域中产生，如图(b)所示的虚线。只要

11、电场超过E,c,，电子脉冲便持续增加。因此，电子脉冲在,时达到它的峰值，而不是当电压为最大值时的,/2图(c)。因此，在雪崩过程中，本身就具有,/2相位的延迟，换言之，注入的载流子浓度(电子脉冲)落后于交流电压的相位,/2。,碰撞电离雪崩渡越时间二极管,另外的一个延迟是由漂移区域所形成的。一旦供给电压低于 V,B,(,t,2,)时，只要漂移区域的电场足够高，则注入的电子将会以饱和速度漂向n,+,接触窗图(d)。上述两方面的原因将造成渡越时间延迟。,碰撞电离雪崩渡越时间二极管,人们发现，当一个超过每厘米几千伏临界值的直流电场外加在一个短的n型砷化镓或磷化砷的样品上，就会有微波的输出产生，这就是转

12、移电子器件(TED)。,转移电子器件是一个重要的微波器件。它已被广泛用作局部震荡器和功率放大器，且所涵盖微波频率从1GHz到150GHz。虽然转移电子器件的功率输出和效率一般都比IMPATT器件还低。然而，TED却有较低的噪声、较低的工作电压和相对较容易的电路设计。TED技术已趋成熟，且已成为探测系统、远程控制和微波测试仪器上所使用的重要固态微波源。,转移电子器件(TED),负微分电阻(NDR)：,转移电子效应，即传导电子从高迁移串的能量谷转移到低迁移率、较高能量的卫星谷的效应，如图。若,1,E,a,大于,2,E,b,，在E,a,和E,b,之间会有一负微分电阻区域(E,T,到E,V,)，E,T

13、,和J,T,分别表示NDR开始的临界电场和临界电流密度，E,V,和J,V,则表示谷电场和谷电流密度。,转移电子器件(TED),对于引起NDR的转移电子机制必须满足特定的要求：晶格温度需足够低，以至于在没有电场存在时，大部分电子是在较低的谷(导带的最小值)，亦即两个谷的能量差,EkT。在较低的谷，电子必须有高的迁移率和小的有效质量；而在较高的卫星谷，电子有低的迁移率和大的有效质量。两谷间的能量差必须小于半导体禁带宽度(即,EE,g,)，以致在电子进入到较高谷底的转移之前，雪崩击穿不会开始。,在满足这些需求的半导体中，最被广为研究与使用的是砷化镓和n型磷化铟。对砷化镓而言，其临界电场E,T,为3.

14、2kV/cm，而磷化铟则为10.5kV/cm。对砷化镓的峰值速度v,p,约为2.210,7,cm/s，而磷化铟为2.510,7,cm/s而最大负微分迁移率(即dv/dE)对砷化镓而言，大约为-2400cm,2,/(Vs)，而磷化铟约为-2000cm,2,/(Vs)。,转移电子器件(TED),TED需要非常纯且均匀的材料，还要有最少的深能级杂质与缺陷。现在的TED几乎都用各种外延技术，在衬底上淀积外延层。典型的施主浓度范围是从10,14,cm,-3,到10,16,cm,-3,，且典型的器件长度范围是从几毫米到几百毫米。,右图显示，一个在n,+,衬底上有一n型外延层和一个连接到阴极电极的n,+,欧

15、姆接触的TED以及平衡时的能带图和外加V=3V,T,的电压于此器件时的电场分布图，此V,T,是临界电场E,T,和器件长度L的乘积。对于这样的一个欧姆接触，在靠近阴极附近总是有一低场区域，且作用在器件长度上的场并不均匀。,器件工作原理,转移电子器件(TED),为了改善器件的性能，可以使用双区阴极接触来替代n,+,欧姆接触。此双区阴极接触是由一强电场区和一个n,+,区所组成的，如图。这样的结构类似于低-高-低IMPATT二极管。电子在强电场区被“加热”，且紧接着被注入到具有均匀电场的有源区。此种结构已成功地被用在大温度范围内具有高效率与高功率输出的器件中。,一个TED的工作特征取决于下面五个因素：

16、器件内的掺杂浓度与掺杂均匀性、有源区的长度、阴极接触特性、电路的形式和工作的偏压值。,转移电子器件(TED),TED的一个重要工作是模式是畴度越时间模式。当正负电荷被拉开一小段距离，将会有一个电偶极产生(亦称作畴)，如图(a)(b)所示。从泊松方程式，在电偶极内的电场会大于在其任何一边的电场，如图(c)所示。降落在器件上的对应电压改变可由积分泊松方程式得到，如图(d)所示。,转移电子器件(TED),由于负微分电阻的关系，低电场区的电流将会大于高电场区的电流。在负微分电阻区域外，两电场值会趋向达到平衡值，此时高电流与低电流是相同的，如图(e)所示。,此刻电偶极已达到一稳定组态，此偶极层会移动穿越过有源区且消失在阳极。此时作用在器件上的场会开始均匀上升，然后超过临界值(即EE,T,)，因此形成一个新的电偶极。此过程一直重复。畴从阴极移动到阳极所需时间为L/v，此L是有源区长度，v是平均速度。畴渡越时间模式对应频率为f=v/L。,转移电子器件(TED),量子效应器件是利用量子力学隧道效应提供可控制的载流子输运的一类器件。对此类器件，有源层宽度是非常窄的，约在10nm的量级。这个尺度会引起量子