（计算机应用技术专业论文）化合物半导体负阻器件模拟、设计及其应用的研究.pdf

摘要 异质结双极晶体管( h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r 简称h b t ) 是异 质结电子器件重要的一种。而微分负阻异质结晶体管( n d rh b t ) 为三端负阻器 件，具有负阻、双稳和自锁等特性，备受关注。早在1 9 5 1 年，肖克莱就提出了 异质结双极晶体管的概念。1 9 5 7 年，k r o e m e r 又比较系统地提出了异质结双极晶 体管的理论，从而引起了人们的极大兴趣。1 9 7 2 年，由于化合物半导体工艺的 发展，开始有异质结晶体管的报道，与此同时，硅材料的h b t 也在研制中。十几 年前第一只多晶硅发射极晶体管问世，由于硅上生长了g a a s 技术和s i g e 合金技 术的发展，又引起了新的h b t 的结构的出现，h b t 解决了发射效率和基区电阻 之间在基区掺杂问题上呈现出的矛盾，使双极器件的发展向前推进了一大步；另 一方面，很早就有人发现了i i i v 族化合物h b t 的输出特性曲线在大电流和高功 率输出时，呈现负阻现象。这种现象是高功率温升和电流增益负温度系数引起的。 共振隧穿器件( r e s o n a n tt u n n e l i n gd e v i c e ) 是基于量子隧穿现象的一种 负阻器件，它具有响应速度快、工作频率高、低电压、低功耗和多功能等特性， 令人瞩目。以两端负阻器件r t d 为例，其峰谷间转换频率理论预计可达 1 5 。2 5 t h z ，开关时间达1 7 p s ；完成一个异或( x o r ) 逻辑功能，t t l 电路需 3 3 个器件，c m o s 需1 6 个器件，而r t d 只需4 个器件。利用这些特点，r t d 可在 多态存贮、a d 转换、多值逻辑、分频、倍频等方面得到广泛的应用。由于n d r h b t 和r t d 器件快速发展和良好的应用前景，对两、三端负阻器件及应用显得越来越 迫切。本论文从n d r h b t 和r t d 的设计理论、材料设计和制备、器件结构和工艺 的设计、n d rh b t 和r t d 测试和分析方法、以及相关器件的模拟、n d rh b t 应用 电路等方面，对两、三端负阻器件进行了深入研究。 主要成果如下： 1 、设计、研制出具有一定水平的i n g a h s g a h s 微分负阻异质结双极晶体管。 并且，系统地总结出有关n d rf f b r 的设计理论和实践的经验。 2 、对两端r t d 的温度效应进行了测量和定性分析，认为其是一种本征效应。 3 、对r t d 直流、双稳特性和电路特性进行了测试和分析。对n d rh b t 的应 用电路一神经元和柔性电路的版图、工艺和材料结构进行了设计和研究。 对n d rh b t 器件模拟进行了研究。 关键词：微分负阻异质结双极晶体管( n d rh b t ) ；共振隧穿二极管( r t d ) ：器 件模拟；电路模拟；n d rh b t 神经元晶体管：n d rh b t 柔性逻辑电路。 i l l a b s t r a c t h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r ( h b t ) i s o n eo fi m p o r t a n th e t e r o j u n c t i o n e l e c t r o n i c sd e v i c e s a n dn r dh b ti st h et h r e et e r m i n a ln e g a t i v ed i f f e r e n t i a l r e s i s t a n c ed e v i c ea n dh a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa st h en e g a t i v er e s i s t a n c e ，b i - s t a b i l i t y a n ds e l fl a t c ha n ds oo n ，s op e o p l eg i v ei tm a n ya t t e n t i o n s a se a r l ya st h ey e a ro f 1 9 5 1 ，x i a ok e l a ih a db r o u g h tu pt h ec o n c e p t i o no fh b t i n1 9 5 7 ，k r o e m e rh a d s y s t e m a t i c a l l yb r o u g h tu pt h et h e o r i e sf o rh b ta g a i n ，s oa r o u s e dp e o p l e sb i g g e s t i n t e r e s t s i n19 7 2 ，f o rt h ed e v e l o p m e n to fp r o c e s so fc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o r , t h e r e w e r es o m er e p o r t sa b o u th b t b e g i n t oa p p e a r , a tt h es a m et i m e ，t h er e s e a r c ho fh b t o n s i l i c o nm a t e r i a lw a sc a r r y i n go n b e f o r e m o r et h a nt e ny e a r sa g o ，t h ef i r s tt r a n s i s t o r w i t hp o l y s i l i c o ne m i t t e rc a r r i eo u t b e c a u s et h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fg a a s g r o w t ho ns i l i c o na n ds i g ea l l o y , h b tw i t l lt h en e ws t r u c t u r ea p p e a r e d a l s oh b t r e s o l v e dt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ne m i t t e de f f i c i e n c ya n db a s er e s i s t a n c er e s u l t e d f r o mb a s ed o p i n g ，a n d p u s hb i p o l a rd e v i c ef o r w a r d e dab i gs t e p o nt h eo t h e rh a n d ， al o n gt i m ea g os o m e o n ef o u n dt h a th b to u t p u tc h a r a c t e r i s t i co f vf a m i l y c o m p o u n dp r e s e n t e dn e g a t i v er e s i s t a n c ep h e n o m e n o na tt h eb i gc u r r e n to u t p u tw i t h h i g hp o w e r t h i sk i n do f p h e n o m e n o ni sp r o m o t e dw a r m l yb yt h eh i 曲p o w e ra n di ti s c a u s e dt h a tt h ee l e c t r i cc u r r e n tg a i na n ds h o u l d e rt h ec o e f f i c i e n to f t e m p e r a t u r e r e s o n a n tt u n n e l i n gd e v i c ei sak i n do fn e g a t i v er e s i s t a n c ed e v i c eb a s e do nt h e q u a n t u mt u n n e l i n gp h e n o m e n a ，w h i c hh a st h es o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sq u i c k l y r e s p o n d i n gs p e e d ，h i g h l yw o r k i n gf r e q u e n c y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d m u l t i f u n c t i o n a le t c ，m a k i n gp e o p l ef o c u sa t t e n t i o no ni t t a k er t df o re x a m p l e ，t h e s w i t c hf r e q u e n c yb e t w e e np e a ka n dv a l l e yc a r lb eu pt o2 5 t h zi nt h e o r y ；t h es w i t c h t i m eh a sr e a c h e d1 6 p s t oa c h i e v ex o r l o g i cf u n c t i o n 丌lc i r c u i tn e e d s3 3d e v i c e ； c m o sn e e d s16 ，a n dt h a tr t do n l yn e e d s4 u s i n gt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，r t dc a r lb e w i d e l yu s e dt o m u l t i s t a t em e m o r y , a dc o n v e n e r , m u l t i v a l u e l o g i c ，f r e q u e n c y d i v i d e r , d o u b l ef r e q u e n c ya n ds oo n b e c a u s en d r h b ta n dr t dh a sr a p i d l y d e v e l o p m e n ta n de x c e l l e n tf o r e g r o u n do fa p p l i c a t i o n ，i tb e c a m eu r g e n t l yt os t u d yo n r t do rn d r h b ta n dt h e i r sa p p l i c a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，r t da n dn d r h b t d e s i g nt h e o r y , m a t e r i a ld e s i g na n dp r e p a r a t i o n ，t h es t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yo fd e v i c e a n dc i r c u i t ，r t d sa n dn d r h b t sm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s ，e s t a b l i s h m e n to fc i r c u i t m o d e l ，d e v i c es i m u l a t i o no fr t do rn d r h b ta n dt h e i r sr e l e v a n tr t d so r i v n d r h b t sc i r c u i t sf o ra p p l i c a t i o na l es t u d i e di n t e n s i v e l y f o l l o w sa r et h em a i np r o d u c t so f t h i st h e s i s ： 1 i n g a a s g a a sn e g a t i v ed i f f e r e n t i a lr e s i s t a n c ed e v i c ei sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d w i t hg o o de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m e t h en d r h b td e s i g nt h e o r y a n de x p e r i e n c ei ss y s t e m i cs u m m a r i z e d 2 t e m p e r a t u r ee f f e c t so ni - vc h a r a c t e r i s t i c so fr t dh a v eb e e nm e a s u r e da n d q u a l i t a t i v e l ya n a l y z e do w i n gt oi n t r i n s i c a l l ye r i e c t ， 3 t e s ta n d a n a l y z et h e i - vc h a r a c t e r i s t i c s ，b i s t a b l ec h a r a c t e r i s t i ca n dc i r c u l t c h a r a c t e r i s t i co fr t d t h em a t e r i a l ，s t r u c t u r ea n dp r o c e s so ft h en d r h b tw i t h g a t e ( n d r h b t ) a n dt h en e u r a lt r a n s i s t o rm a d eb yn d r h b ta r ed e s i g n e da n d r e s e a r c h e d t h en d rh b td e v i c es i m u l a t i o ni sp e r f o r m e da n ds t u d i e d k e yw o r d s ：n e g a t i v ed i f f e r e n t i a lr e s i s t a n c e ；h e t e r o j u n c t i o n b i p o l a rt r a n s i s t o r ( n d rh b t ) ；r e s o n a n tt u n n e l i n gd i o d e ( r r d ) ；d e v i c es i m u l a t i o n ；c i r c u i t s i m u l a t i o n ；n d rh b tn e u r a lt r a n s i s t o r ；n d rh b tf l e x i b l el o g i cc i r c u i t v 独创性声明 本人声明所攮交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了 文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同丁作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云姿王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云童王 些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅；同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印饼和磁 盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 f 奔今 黝虢王钾耖午袖 签字日期：扫疗年2 月坷日 签字日期；j ，j 啤、月话同 学位论文的主要创新点 一、设计、研制出具有一定水平的i n g a p g a a s 三种类型微分负阻异 质结双极晶体管n d rh b t ( 双基区、电阻栅、超薄基区( 8 n m 等) ) 。并且，系统地总结出有关n d r h b t 的设计理论和实践的 经验，目前国内尚未有关于制作出室温工作双基区、电阻栅、超 薄基区( 8 n m 等) n d r h b t 报导。 二、通过对r t d 的i p 、i v 和p v c r 的温度效应进行测量和定性分析， 提出温度主要通过i r t 影响总电流i t ，是一种本征效应。 三、对超薄基区( 8 n m ) n d r h b t 进行了器件模拟。模拟与实际测试 吻合的很好，验证了这种方法的正确性。设计了带栅极n d r h b t 构成的神经晶体管结构、版图及工艺。它的多输入端用多个栅电 极体现，权重值以栅宽或栅面积体现，阈值用驱动管的栅压来控 制。此外还有柔性电路结构、版图及工艺。 l i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 9 7 3 年t s u 和e s a k i 提出了超晶格概念，预言了半导体超晶格的负微分电阻现象。 次年c h a n g 2 】等证实了异质势垒结构的电子隧穿，1 0 年后，s o l l n e r 等又发现这种结构的 电荷输运很快，足以探测2 5 n z 的信号 3 】，人们的探索兴趣大大提高。随着以分子束 外延( m b e ) 【4 ，5 埽口金属有机化合物气相淀积( m o c v d ) 7 】为代表的薄膜生长技术的 飞速发展，半导体超晶格、量子阱等二维量子结构的制备已经相当成熟，其生长精度已 达到一个原子单层( 甚至亚单层) ，而且界面也比较平整：同时也由于电子束光刻等制 造技术的支持，近来以共振隧穿效应为基础的量子器件研究得到了迅速的发展。由于此 类量子器件在器件纵向结构尺寸上为纳米数量级，也属于纳米电子器件。 纳电子学( n a n o e l e c 仃o n i c s ) 的含意是指以纳米级电子器件为基础的电子学。它包 含以纳米材料为基础，采用纳米加工技术研制出的纳米电子器件，并以纳米电子器件为 主体而组成的电子线路和系统，以及其在电子技术、计算机技术等各个领域中的应用。 纳电子学的出现是微电子技术发展的必然结果。以硅c m o si c 为代表的微电子技 术按照摩尔定律不断减小器件的特征尺寸。今年i n t e l 公司在实验室中已经研制出3 0 n m 沟长的c m o s 晶体管，预计几年内便可大量生产。c m o s 器件的进一步发展将面临器 件的物理极限、工艺极限和器件结构极限【8 】。在这些极限条件下，量子隧穿效应占据了 主导地位。这时以量子隧穿效应为基础的纳电子学将成为微电子学强有力的竞争者，随 着这种转变，电子技术将开始步入一个新的阶段。 众所周知，三端半导体负阻器件可分为两大类。一类是电流控制型负阻器件，其i v 特性为“s ”形，故也称为“s ”型负阻器件，闸流晶体管和单结晶体管即属此类；、另一 类是电压控制型负阻器件，其i v 特性为“n ”形或“八”形，故也称为“n ”型或“八” 型负阻器件，隧道二极管和根氏器件即属此类。前者多用于大电流_ 丌关，后者用于微波 振荡。对于电压型控制负阻器件来说虽然两端的根氏器件等目前仍被当作主要的微波器 来使用，但他们存在以下的缺点：( 1 ) 输出电压摆幅小；( 2 ) 器件参数可调节的范围窄， 电路设计的灵活性小；( 3 ) 和其他器件联用较困难：( 4 ) 在电路上，为了使接收和发送 隔离需要加环行器。以上缺点可以通过三端电压控制型负阻器件来解决。因为在三端器 件中通过第三端可以比较方便的改变负阻的阻值、负阻区的范围和负阻区在电压轴上的 位置，而且便于与其他器件联用。 第一章绪论 近十几年来已经发展了很多种三端电压控制型负阻器件，虽然目前这些三端负阻器 件只用于低频和中频振荡，但随着器件结构的变化和设计与工艺上的不断改进，提高工 作频率是存在很大潜力的。因此，可以预计三端电压控制型负阻器件将来可以在大功率、 高频和与其他器件联用等方面得到较大的发展。目前三端负阻器件的种类繁多，结构各 异， 三端半导体负阻器件主要的研究范围包括： 三端负阻器件异质结双极晶体管物理模型；- - 端负阻器件数字电路设计与制作；n d r h b t 的神经晶体管电路和柔性电路、三端负阻器件设计与制作工艺。 两端负阻器件共振隧穿二极掣”，( r e s o n a n tt u n n e l i n gd i o d e ) 是基于量子隧穿现象 的一种两端负阻纳米器件。近十年来，发达国家在r t d 的研究方面投入了很多的精力， 美国空军资助的林肯实验室、n t t 实验室【“】、贝尔实验室1 1 2 , 1 7 】、日本新能源和工业 技术发展组织 13 以及世界著名的大学和研究所纷纷展开了r t d 及其应用电路的研究。 主要的研究范围包括： 共振隧穿二极管器件物理模型 高频高速共振隧穿二极管设计与制作 新型共振隧穿器件 共振隧穿器件制作工艺 共振隧穿器件振荡频率和开关时间测量 多峰负阻共振隧穿二极管数字电路设计与制作 r t dm o b i l e 和神经晶体管电路 r t d 静态随机存储器电路 r t d 静态分频器电路 r t da d 转换器电路 r t d 与c m o s 混合集成技术 r t d 在微波技术中的应用 目前实际制作的r t d 单管最高振荡频率已达7 1 2 g h z 1 钔，开关时间达1 7 r d s ；完 成一个异或( x o r ) 逻辑功能，t t l 电路需3 3 个器件，c m o s 需1 6 个器件，而r t d 只需4 个器件。用r t d 组成的静态随机存贮器( s r a m ) 功耗仅为5 0 n w 单元，利 用这些特点，r t d 已在多态存贮、a d 转换、多值逻辑、分频、倍频等方面取得了初步 的研究成果”3 0 1 。 第一章绪论 1 2 共振隧穿器件工作原理 1 2 1 基本概念 当样品的特征长度( 几何尺寸、平均自由程、相位相干长度等) 与德布罗意波长相 比拟时，在输运现象的处理中，电子就不能被视为经典的粒子。而必须考虑其波动性。 共振隧穿结构中的输运是指电流方向垂直于层状量子结构界面的输运。量子隧穿是量子 力学中的基本问题，是纯粹的量子效应。双势垒隧穿是研究得最为广泛的一种结构。在 忽略散射的前提下，隧穿电子在整个隧穿结构过程中必须满足两个基本的条件：能量守 恒和横向动量守恒。图1 1 是双势垒量子阱结构共振隧穿的示意图。 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - z ( c ) ( d ) i 图1 - l 双势垒共振隧穿结构示意图 ( a ) 无外加偏压时能带图；( b ) 共振隧穿时能带图； ( c ) 对共振隧穿有贡献的费米球一片( 阴影部分) ；( d ) 共振隧穿负微分电阻效应 在不加偏压的情况下，假如阱中的第一个量子化能级的位置e 0 ( 相对于发射极导 带底) 高于发射极电子费米能级e f ，则以上两个基本条件不能满足，就没有共振隧穿 现象发生：当外加偏压增大到使e o 低于发射极费米能级e f ，但高于发射极导带底时， 所有z 方向的能量等于e f 的发射极的电子( 费米球的一片) 均与阱内相同k f 的态共 振，即当下列条件满足时 吣 第一章绪论 e c t c 时，n 取最大值，t e t c 时，n 趋于零。 对于非相干共振隧穿，得出的总的透射系数为t m i n t m a x 。在对称垒的情况下，相 干模型给出总的透射系数为l ；非相干模型给出总的透射系数仍为t m i n t m a x 。若偏离 对称性，设想某一垒的透射系数增加，则根据相干模型，总的透射系数减小；而根据非 相干模型，总的透射系数增加。可见，两种隧穿机制给出截然不同的结论，通过以下对 散射的讨论可以给出原因。 1 2 2 2 散射的影晌 弹性散射不改变波函数的位相相干性，虽然它能改变电子的能量。在相干机制中， 若电子在隧穿过程中的平行界面的动量不变，则称为直接相干隧穿；若电子在隧穿过程 中的平行界面的动量改变，则称为非直接相干隧穿。实际上，象杂质散射这样的弹性散 射是不可避免的。用传递矩阵的方法讨论杂质的弹性散射，计算结果表明：阱中杂质的 散射改变了阱的形状，并把量子阱分成了若干个耦合区域。总的效果表现为，正的散射 势减少了阱宽，增加了阱中束缚能级；负的散射势增加了阱宽，减少了阱中束缚能级。 所以杂质散射改变共振峰的位置。同时，由于散射导致了共振能级的变宽，所以共振峰 第一章绪论 变宽并且峰值减少。 用光学中的f b 原理，得出弹性散射时间比电子在阱中相干共振时间长的结论。这 样，在实际的计算中，应考虑非弹性散射事件的影响。考虑非弹性散射对透射系数的影 响，受到非弹性散射的电子会失去位相记忆，以顺序隧穿的机制跑出阱外并对电流有贡 献。如非弹性散射的时间比相干共振时间短，则这两种隧穿机制导致的隧穿电流将不可 区分。上面的作者在考虑非弹性散射对隧穿电流的影响时，考虑了非弹性散射对总的透 射系数的影响，而没有考虑非弹性散射对态密度的影响。事实上，非弹性散射对态密度 有很大影响。b u t t i k e r 引入使位相无序化的源讨论了相干隧穿机制和非相干隧穿机制所 导致的区别，并证明了非弹性散射对态密度有很大影响。随着非弹性散射的增加，非相 干过程越来越起主要作用，共振能量处的态密度也逐渐展宽。所以，我们如考虑非弹性 散射对态密度的影响时，会得出两种隧穿机制给出不同关于透射系数结论的原因。 12 2 3 空间电荷效应 根据前面讨论的f ，b 原理，电子需一定的时间才能达到共振振幅，即电子在阱中要 停留一段时间。在阱中的电子完全跑出阱外之前，已有新的电子隧穿到阱中。新进来的 电子就会受到阱中其它电子的库仑作用。这就是阱中电荷积累效应。发射极垒的透射系 数越大，集电极垒的透射系数越小，则这种电荷积累效应就越明显。共振隧穿时，阱中 积累的电荷量很大。这将导致势垒形状和高度的变化。势垒的变化又反过来影响了阱中 电子的积累。由于二者的联合作用使得共振隧穿能发生在一定偏压范围内。阱中积累的 电子减弱了加在左垒上电场，增强了加在右垒上的电场。这两因素都使总的透射系数增 加，从而导致了大的隧穿电流。 按照r t d 的非相干模型，电流达到峰值后( 相当于e 0 达到e c ) ，会立即下降，不 存在负阻区。然而实际的负阻区很宽，而且具有两个特征：( 如图1 2 所示) 负阻区存在台阶( 或平台) 结构；负阻区存在一个或两个双稳态或滞后回线，在双稳 态区，电压正扫和反扫时经不同线路或同一电压对应两个电流值。 v j g o l d m a n ”刮和r k m n n s 【3 3 j 认为这种本征双稳态是由于势阱中积累的电 荷引起的，由于势阱中积累电子，空间电荷产生电压降，故正扫和回扫对应的电压不同， 发生驰豫现象，形成双稳态，他们分别给出了各自的模型。 6 第一章绪论 1 2 2 4 截止频率 图1 2负阻区存在两个双稳态或滞后回线 自从y c l g s o l l n a r ”1 在实验上探测到r t d 振荡：n 至r j 达2 5 t h z 的振荡截止频率 后，人们对其进行了研究。l l u r y i 。o 通过考虑单个势垒隧穿，用r c 驰豫时间求出截止 频率，但求得的结果与实验相差较大。 另外还有解含时s c h r o d i n g e r 方程来决定to 的方法，还可以通过等效电路的方法求 解最高振荡频率很。 厶= 赢肛固 r n 为等效负电阻，r s 为串联电阻，c d 为本征电容， r n r t d 的等效电路如图1 - 3 。 图1 - 3r t d 等效 电路 1 3 共振隧穿隧穿二极管( r e s o n a n tt u n n e li n gd i o d e ) 的国内外的发 展现状 共振隧穿二极管( r e s o n a n tt u n n e l i n gd i o d e ) 是基于量子隧穿现象的一种两端负阻 纳米器件。对r t d 的研究已持续了2 0 余年，近来更有活跃的趋势。下面将从r t d 的 理论模型、器件特性、r t d 应用三个方面介绍最新的研究进展，对r t d 目前研究的关 键和存在的问题进行探讨。 第一章绪论 1 3 1 理论模型。们 由于经典半导体器件理论不能处理基于电子波动性质的纳米器件现象，迫切需要建 立处于宏观和微观之间的所谓介观的输运理论。能否建立这样的理论工具，有效地进行 纳米器件的设计计算，是能否成功步入纳米领域设计的试金石，这是长期不懈地致力于 r t d 理论模型研究的重要原因。r t d 是一个开放量子系统，其中电子的输运是三维的， 与时间有关并且不可回逆，有能量耗散，而且是多粒子互作用的多体量子力学问题。从 电子输运过程出发，到达获得器件的终端性质，目前发展了近似程度不同的量子输运模 型。 这些模型分为两类，即相干模型和运动模型。在这些模型中都一定有个可称为模型 函数的基本量。对于相干模型，这个基本量是电子的包络函数，即是在有效质量近似下， 忽略晶体中心原胞部分的电子波函数。在运动模型中，模型函数为密度矩阵或维格纳 ( w i g n e r ) 函数或量子格林( g r e e n ) 函数。两类模型的主要区别在于，相干模型中的 电子( 包络) 波函数是单粒子、纯态表征，而运动模型中的模型函数系多粒子、混合态 表征。 基于包络函数的r t d 模型 3 6 - 3 8 和对其它量子器件现象的分析，概念简明、能模拟 r t d 和其它量子器件的主要特性、计算量较小。该模型的主要局限在于难以正确模拟电 子和其他微粒子的相互作用，特别是受光学声子的非弹性散射，这种散射破坏电子波的 相干性。虽然有不少研究者作了近似修改【3 4 0 1 ，但无人声称能获得一致而精确的伏安特 性。 维格纳函数 4 “4 】由密度矩阵的傅里叶变换导出，可理解为量子玻尔兹曼分布函数。 基于密度矩阵和维格纳函数的r t d 模型能较正确地处理r t d 中电子的非弹性散射问 题，获得接近实验的r t d 特性。但是就r t d 特性而言，仍不能取得一致而精确的结果。 其主要原因在于这两类模型在处理电子和其他微粒子( 包括声子) 互作用方面，还采用 进一步的简化和近似。 过去的三、四年中，基于量子力学的非平衡态格林函数的r t d 模型【4 5 郴】有引人注 目的进展。在量子输运问题上，格林函数为电子波对外界激励( 例如偏压) 和内部激励 ( 各类微粒子散射源) 的响应。把这些响应总加起来，可得器件的电流响应。由于非平 衡态格林函数含有不同距离和不同时间的自变量，它们包含了比电子输运更完整的微观 信息，因此能正确地模拟计算各种微粒子间的相互作用和散射效应，且能计算这些效应 对态密度分布及电流输运过程中功率耗散的影响，与其它r t d 模型相比，能给出较精 确的伏安特性。目前以非平衡态格林函数为基础的r t d 模型研究已进入软件形式4 9 1 ， 这种模型需要使用可观的计算机资源，而且，理解和使用这类模型的难度也较高。 第一章绪论 迄今为止最为精确的r t d 模型是由p e i j iz h a o 等人去年得出的p ”“，采用基于 w i g n e r 函数的r t d 模型，同时考虑了发射极量子阱与两垒间量子阱的耦合效应。这种 r t d 的物理模型不仅可以解释i v 特性负阻区的平台状结构和驰豫回线，而且还可给出 结构参数与特性参数之间的关系。 1 3 2 器件研究进展”删 单纯使用负阻二极管的逻辑电路，有输入和输出难以隔离的严重缺点。这从电路角 度或从器件物理模拟都能证实，也是过去隧道二极管的数字电路未持续实用化的主要原 因。然而，技术的进步和新颖的高频晶体管( h e m t 和h b t ) 的发展，特别是可将负 阻二极管和高频晶体管集成，使局面大为改观。 r t d 与t d 相比较，有许多共同点。但分析器件的速度优值( 即峰值电流与器件电 容之比) ，可以发现r t d 较为优越。t d 的电流密度由高掺杂的p n 结决定，提高优值 必然要求更高的掺杂，因为不能同时增加p n 结即势垒厚度，这将使结电容增大。r t d 的电流密度对接触层掺杂度的要求不像t d 中那样严格，还可以适当增加接触层之间的 距离( 不是势垒厚度) 以减小电容。所以r t d 比t d 有更多的设计自由度。r t d 的峰 值电流密度易达1 0 4 a c m 2 ，比t d 的大一个数量级，其速度优值也大个数量级。此 外，从器件伏安特性看，t d 的电压摆幅完全由所用材料的禁带宽度限定，而r t d 则可 能通过材料和结构设计扩展。 r t d 的伏安特性与其器件结构和材料系统有紧密关联，因此，有大量研究器件结构 和材料方面优化的工作。为了和先进成熟的硅技术相容，如能制作硅或基于硅材料的高 性能的r t d 则是理想的，然而，这方面的努力迄今未能成功。由s i s i g e 异质结制作的 双势垒r t d 在7 7 k 时电流峰谷比只达到1 2 左右【5 2 _ 55 1 ，难以用于负阻开关。其主要困 难在于基于硅材料的异质结，导带能差很小，不足以构成充分的量子约束。研究成果主 要基于化合物半导体材料系统方面。已实验研究了a i g a a s g a a s ，a 1 a s g a a s ， a i a s i n g a a s 和a 1 s b i n a s 的r t d 5 6 - 6 4 ，其中以i n p 衬底制作的a l a s i n g a a sr t d 的器 件性能最佳，室温峰谷比电流达到3 0 ，a l a s i n 0 1 g a 0 9 a s a l a sr t d 是以g a a s 衬底 制作的r t d 中性能最好的，室温峰谷电流比达到了6 。此外i n a s a 1 s b g a s b 系统制成 的能带问共振隧穿二极管( r i t d ) 具有很小的峰值电压和高峰值电流密度，也很令人 注意。 对r t d 相关电路的分析可知，r t d 的峰值电压要尽可能小，峰值电流( 不是电流 密度) 要充分大，峰谷电流比要适当，电压摆幅也要大。过去r t d 的不少研究工作有 单纯追求高峰谷比的倾向，这对逻辑开关应用而言是不必要的。然而，对大规模的存贮 器电路应用，则要求谷值电流尽可能小，以降低备用功耗。要具体分析电路用途，决定 9 第一章绪论 对器件特性的要求。 除基本的双势垒单量子阱r t d 结构外，还有可产生多重负阻的双阱和三阱结构 6 5 - 6 8 ，目标是多值逻辑。这些器件概念都已由实验证实。 具有负阻特性的三端量子器件：带有栅结构的r t d ( g r t d ) 6 9 - 7 2 将r t d 与 m e s f e t 、h e m t 、h b t 等相结合形成复合式共振隧穿晶体管( r t t ) 1 7 3 - 7 7 1 也是研究的 热点之一。三端器件的负阻可由加于基极或栅极的偏压控制，器件输入输出端之间有良 好隔离，对电路设计和运行非常有利。然而器件工艺上的难度和器件增益低等问题还有 待于解决。这种复合式的r t t 的另一缺点是电路的速度受h e m t 、h b t 等本身的工作 频率限制不能达到更高。 近来报导了r t d 与c m o s 兼容构成的混合集成【7 8 】，将r t d 的高速、多功能和降 低电路复杂性的特点与c m o s 的高集成度、低功耗等各自的优点结合起来，是未来的 发展方向之一。 1 3 3r t d 的应用”- 8 ” r t d 的负阻可维持到几百g h z 以至t h z ，遗憾的是在这样的高频下，r t d 振荡的 输出功率仅达微瓦量级，不够作功率源。r t d 电路目前主攻方向主要是数字逻辑的应用， 还有模拟电路、信号处理及模一数转换器电路、微波方面的尝试。由r t d 和r t t 构成的 应用电路具有三个主要特点：低电压工作；高速工作；自锁并使完成同一逻辑功能所用 的器件数少，简化了电路。包含r t d 的电路应用研究非常广泛，例如：单稳态一双稳态 转换逻辑单元 1 8 , 8 2 1 ，r t d + h e m t 构成的静态分频器 2 0 l ，各种门电路 8 3 _ 86 1 ，静态随机 存贮器f 1 6 , 2 1 】，a d 转换器【2 2 , 2 6 】，由r t d 构成的触发器【8 7 i 等等。 按照构成电路的器件分类，可将包含r t d ( 含r i t d ) 的电路分成以下几类 2 7 ： ( 1 ) r t d + h b t 双稳逻辑。由几个并联的h b t 作为反相器的驱动器件，以r t d 作为 反相器的负载器件，延迟时间约为4 0 p s ，可实现或非、与非等功能： ( 2 ) r t d + m o d f e t 双稳逻辑。由几个并联的m o d f e t 作为反相器的驱动器件，由 一个双峰的r t d ( 或两个单峰的r t d 串联) 作为反相器负载器件构成，可作 成多输入端的多数或少数逻辑电路，延迟时间约为5 g h z ： ( 3 ) r t b t ( 以r t d 作发射极的双极型晶体管) + h b t 异或门( x o r ) 逻辑。由一个 r t b t 、两个h b t 和四个电阻构成； ( 4 ) 单稳态一双稳态转换逻辑单元( m o b i l e ) 。由两个r t d 串联构成的一种自锁特性 的基本逻辑单元，其中一个r t d 的i v 特性可以调制( 通过带栅的r t d 或并 联h e m t 等器件) ，用它可以构成多种功能、多种结构的复杂的数字电路： ( 5 ) d i o d e r i t d 流水线逻辑门。由两个二极管和三个r t d 构成，这种逻辑门不包含 第一章绪论 h b t 、m o d f e t 、h e m t ，其本身也没有采用带栅的结构，因此具有提高速度 和频率最大的潜力龄姗。 目前国外在r t d 高速逻辑集成电路的设计、制造和测试等方面已经取得了相当 的进展。而国内尚无人丌展此项研究，甚至r t d 的单管的设计与制造还没有开展， 正是在这样的背景下，我们展开了关于r t d 器件及其应用的研究。 1 4 微分负阻三端器件的共同工作原理 负阻型h b t 既保持了原h b t 高频、高速的特点，同时又具有负阻、双稳和自锁特 性。三端电压控制型负阻器件的共同工作原理为：近十几年来发展了很多三端负阻器件， 其中有单一器件型的，有集成和复合型的。综合所有的此类器件，不论那种类型，其负 阻产生的机理都具有一共同的性质和规律，此即三端电压控制型负阻器件共同性工作原 理。这就是运用正反馈的概念，通过一定的物理效应或一个反馈器件使产生负阻的主器 件( 双极或场效应器件) 输出端的电流随输出端的电压的增长而减少，于是在主器件输 出端的i v 特性曲线上便有一段出现负的斜率，从而获得微分负电阻效应。 如果产生负阻的主器件为一双极晶体管，而且负阻发生在i c v c e 特性上，则上述 产生负阻条件的数学表示为： i c = f ( v c e )( 卜9 ) 为一递减函数。但对双极晶体管而言：i c = bi b ，1 3 为共发射极电流放大倍数，假 设对v c e 为一常数，则应有： i 。= f ( v c e )( 卜1 0 ) 为一递减函数。这就是说，欲使器件产生负阻效应，则必须设法通过一定的物理机 构或一反馈器件，使双极主器件的基极电流i b 随其v c e 的增长而减少。 如果主器件为一m o s 晶体管，而且负阻发生在i d s v p s 特性上，则发生负阻的 必要条件可写成 i d s = f ( v d s )( 1 1 1 ) 为递减函数。由于对m o s 晶体管有： i d s = z uc o x ( v g s v t ) 2 ( 2 l ) ( 饱和区)( 卜1 2 ) i d s = z uc o x ( v g s v t ) v d s v d s 2 2 2 ( 线性区)( 卜1 3 ) 其中z 和l 分别为沟道宽度和长度；u 为沟道电子迁移率；c o x 为单位面积氧化物 电容：v t 为阀值电压：v g s 为栅源电压。( 1 1 2 ) 和( 卜1 3 ) 式表明i d s 随v d s 的增 长而增长，故应有： v g s = f ( v d s ) ( 1 一1 4 ) 第一章绪论 为递减函数。( 1 1 4 ) 式表明：欲使一m o s 管在i d s v d s 特性上发生负阻，必须 通过一定的反馈机构使其栅源电压随漏源电压的增长而减少。 ( 1 1 0 ) 和( 卜1 4 ) 式是双极管和m o s 管发生负阻的必要条件。这个条件一般只 在v c e 或v d s 的某一范围内才能得到满足，因此通常负阻特性也就出现在这些区域内。 这就是三端电压控制型负阻器件的共同性工作原理。 1 5 微分负阻异质结双极晶体管( 简称n d rh b t ) 的国内外的发展现状 目前三端电压控制型负阻器件尚处于研制和初步应用阶段，只在功率振荡器和集成 电路中得到应用。此类器件尚未得到广泛应用的原因有二：一是它尚未被广大工程技