微波二极管、量子效应和热电子器件.ppt

1、微波二极管，量子效应和热电子数据老虎钳，现代半导体老虎钳物理和过程，physicsandtechnologyofmodernsemiconductordevices，2004，7，30，本章内容，基本微波技术隧道二极管碰撞电离雪崩过渡时间二极管过渡电子老虎钳微波这是因为，在微波的频率中，需要考虑分布效果，在这些个的频率中，波长与零配件的实际大小大致相当。 例如，在微波的频率下，薄膜电阻可能看起来是具有连续的l、c和r值的复杂RLC电路。 这些个的分散零配件在较低频率下可忽略，但在微波频率下极为重要。 在微波频率中，电容和电感量通常被视为传输线的一部分。 输送线也经常被用作微波电路的接线。 传输

2、线实际上是由电阻、电容、电感量三种等效基本回路零配件组成的复杂网络。 平面传输线是现代微波电路技术的主流。 该传输线由位于与表面接地的薄膜介电质层基板上的一个或多个平面导体构成。 基本微波技术，下图显示了几条平面输送线的基本形式：微细长条片、同平面波导(CPW )细长线和悬挂基板细长线(SSSL )。 其中，r是每单位长度的电阻，g是每单位长度的电导，l是每单位长度的电感量，c是每单位长度的电容器，w是角频率。 微细长条片是传输线最常用的形式，该平面波导的损失性大，即传输信号的损失大，但是可以将接地的寄生现象电感量最小化。 由于这些个传输线的特征阻抗Z0是基本的微波技术，且在微波电路中对于电抗

3、非常小，所以所述方程式可简化，且可在较低微波频率下利用电感量和电容零配件产生谐振电路。 然而，在极高频和射频波的情况下，谐振时的LC值在实用上较小，因此需要使用能够引起谐振的其他方法。 一种常见的解决方案是谐振腔，也称为调谐腔。 对于特定形式的传输线，其特征阻抗是导体几何尺寸(大小、间距)及两导体间绝缘介电质介电常数的函数。 共鸣室为金属壁室，低电阻值的金属包裹着良好的介电质物质。 两端类似于短路的波导，可以使能量入射到空腔，也可以从空腔吸取能量。 如图所示，每个腔可以具有两种传输模式，即，横向电场(TE )和横向磁场(TM )。 基本的微波技术在谐振器内的谐振模式为沿着z轴方向的长度d为半波

4、长时的频率下产生。 腔内的模式由字母数字的组合Txm、n、p来代表，其中，x对主模式在电场的情况下为e，在磁场的情况下为m。 m是a尺寸方向上的半波长的个数，n是b尺寸方向上的半波长的个数，p是d尺寸方向上的半波长的个数。 对于腔的谐振频率，模式的方程是，其中之和是腔内材料的磁导率和介电常数。 另外，真空下、c与真空中的光速、基本的微波技术、隧道二极管与量子隧道现象有关，因为穿过元件的隧道时间非常短，所以能应用于极高频领域，隧道二极管相当成熟，所以经常应用于局部震荡器和摇滾乐电路等特定的低功率微波元件， 下图显示了四种不同电压条件下隧道二极管的典型静态电流-电压特性。 该电流-电压特性是由隧道

5、电流和热电流两个成分合成的结果。隧道二极管、隧道二极管在没有施加电压的热平衡状态下，由于高掺杂大头针浓度而使耗尽区域非常窄，隧道距离d也非常小(5nm-10nm )。 在云同步中，由于高掺杂浓度，费米能级也在允许范围内。 图中最左边的图所示的简并性量qVp和qVn约为50meV-200meV。在、和隧道二极管上施加正偏压时，存在被n型边缘占据的能量带，存在与p型边缘对应但未被占据的能量带。 因此，电子能够从n型边缘占据的能量带隧道传输到p型边缘未占据的可用能量带。 在所供给的电压为约(Vp Vn)/3的情况下，隧道电流达到该峰值Ip，将此时对应的电压称为峰值电压Vp。 正向偏置电压持续增加(V

6、pVv )时。 由于隧道二极管，当正偏压时电压增加时，隧道电流从零增加到尖峰电流Ip，并且当随着电压增加电流开始减少的V=Vp Vn时，电流减少到最小值。 如图所示，达到尖峰电流后减少的部分是负微分电阻区。 负电阻的大小由尖峰电流Ip和谷底电流Iv的值决定。 因此，Ip/Iv之比被作为测量隧道二极管好坏的指标。电流-电压特性的实验式，式中的第1项是隧道电流，Ip和Vp分别是尖峰电流和尖峰电压，第2项是一般热电流。 隧道二极管和碰撞电离雪崩渡越时间(IMPATT )是利用雪崩倍增与半导体去老虎钳的渡越时间特性在微波频率所产生的负电阻。 IMPATT是最有威力的微波功率固体源之一。 当前，当极高频

7、的频率超过30GHz时，IMPATT可以产生在所有固态成像设备中最高的连续波(CW )功率输出。 IMPATT被广泛用于雷达系统和报警系统。 弱点：雪崩倍增过程的不规则变动引起的噪音非常高。 一些常见的解老虎钳结构：碰撞电离雪崩时间二极管家族包括许多不同的p-n结和金属-半导体老虎钳。 最初的IMPATT振荡是从固定于微波室的简单的pn结电容二极管施加反向偏压使其雪崩。 碰撞电离雪崩渡越时间二极管、右图表示渡越大头针分布和单边突然变异p-n结雪崩击穿时的电场分布。 由于电场对电离率有很强的影响，大部分破坏倍增过程发生在0和xA之间的最大电场附近的狭窄区域(斜线面积)。 xA是雪崩区域的宽度，在

8、该宽度内产生超过95个电离。 碰撞电离雪崩渡越时间二极管、图(b )表示紧接在高掺杂n-1区域、低掺杂n-2区域之后的高-低(hi-lo )结构。 通过适当地选择渡越大头针浓度及其宽度b，能够将雪崩区域限制在n-1区域内。 图(c )是低-高-低(lo-hi-lo )结构，在该结构中，“团”供体被置于x=b。 这是因为在x=0到x=b之间存在大致均匀的强电场区域，破坏区域相当于b，其最大电场远小于单纯的高低结构。 以碰撞电离雪崩渡越时间二极管、低-高-低结构为例，探讨IMPATT二极管的注入延迟和渡越时间效应。 如果施加逆直流电压VB使其成为雪崩时的临界电场Ec图(a )，则雪崩倍增开始。 在

9、t=0时，如图(e )所示，在该直流电压上重日式榻榻米交流电压。 雪崩区域产生的空穴向p区域移动，电子进入漂移区域。 当动态特性、络离子化雪崩渡越时间二极管、供给交流电压为正时(即与逆直流偏置一致)，如图(b )所示，在雪崩区域产生更多电子。 只要电场超过Ec，电子脉冲就继续增加。 因此，电子脉冲不是当电压为最大值时的/2图(c )，而是有时到达其峰值。 因此，在雪崩的过程中，其本身为/2相位的延迟，换言之，注入的载流子浓度(电子脉冲)为交流电压的相位/2延迟。 碰撞电离雪崩渡越时间二极管、另一延迟由漂移区形成。 当供应电压低于VB(t2 )时，如果漂移区中的电场高于一盏茶，则注入的电子以饱和

10、速度在n联系性图(d )中流动。 这些个的两个原因导致过境时间膨胀。电离雪崩渡越时间二极管、人们发现，当对短的n型砷化镓或磷砷的样本施加超过每厘米数千伏特阈值的直流电场时，产生微波的输出，这是传输电子去老虎钳(TED )。 传输电子脱老虎钳是重要的微波脱老虎钳。 广泛用作局部震荡器和功率放大器，微波频率复盖从1GHz到150GHz。 传送电子数据老虎钳的功率输出和效率比IMPATT数据老虎钳低。 然而，TED的噪声低，低工作电压，并且相对容易进行电路设置校正。 TED技术正在成熟，已经成为用于探针系统、遥控和微波测试设备的重要固体微波源。 移动电子解老虎钳(TED )、负微分电阻(NDR )

11、:移动电子效应，即，传导电子从高迁移率列的能量谷向低迁移率、高能量的卫星谷移动的效果用图示表示。 如果1Ea大于2Eb，则在Ea和Eb之间存在负的微分电阻区域(ET到EV )，ET和JT分别表示NDR开始的临界电场和临界电流密度，EV和JV表示谷电场和谷电流密度。 对引起转移电子解老虎钳(TED )、NDR的转移电子反应历程必须满足特定要求：晶格温度低到一盏茶，并且当不存在电场时，大部分电子处于低谷(传导带的最小值)，即两个谷的能量差EkT。 在低谷中，电子必须具有高迁移率和小有效质量在高卫星谷中，电子具有低迁移率和大有效质量。 两谷间的能量差必须小于半导体禁带宽度(EEg )，直到电子进入高

12、谷底才开始雪崩。 满足这些个需求的半导体中研究和使用最广泛的是砷化镓和n型磷化铟。 对砷化镓而言，其临界电场ET为3.2kV/cm，磷化铟为10.5kV/cm。 相对于砷化镓的峰速度vp为约2.2107cm/s，磷化铟为2.5107cm/s，最大负微分迁移率(即dv/dE )相对于砷化镓为约-2400cm2/(Vs )，磷化铟为约-200 现在的TED几乎采用各种外延技术，在基板上堆积外延层。 典型的施主浓度范围为从1014cm-3到1016cm-3，典型的解老虎钳长度范围为从数毫米到数百毫米。 右图表示具有与n基板上的n型外延层和阴电极连接的n欧姆联系性的TED、平衡时的乐队图案、和对该去老

13、虎钳施加V=3VT的电压时的电场分布图，该VT为临界电场ET与去老虎钳长度l的积。 在该欧姆联系性中，在接近阴极的附近存在非常低的场区域，影响解老虎钳长度的场不均匀。 代替n欧姆联系性，可以使用2区阴极联系性来改进解老虎钳、传输电子数据老虎钳(TED )、以及解老虎钳的性能。 如图所示，该2个区域的阴联系性由强电场区域和n区域构成。 这种结构类似于低-高-低IMPATT二极管。 电子在强电场区域被“加热”，之后立即被注入具有均匀电场的活性区域。 这种配置已经成功地应用于在宽温度范围内具有高效率和高功率的去老虎钳。 一个TED的操作特性取决于解老虎钳中的施主大头针浓度和施主大头针均匀性、有源区长

14、度、阴联系性特性、电路的形式和操作的偏置值5个要素。 传输电子老虎钳(TED )、TED的一个重要动作是模式为超过结构域速度的时间模式。 正负电荷稍微分离时，如图(a )、(b )所示，产生电双位数极(也称为结构域)。 由于泊松方程，电双位数极内的电场比任何一边的电场都大，如图(c )所示。 对应的下降到解老虎钳的电压变化可以从积分泊松方程得到，如图(d )所示。 由于传输电子去老虎钳(TED )、负微分电阻的关系，低电场区域的电流比高电场区域的电流大。 在负微分电阻区域外，存在两电场值达到平衡值的倾向，此时高电流和低电流相同，如图(e )所示。现在，双位数电极达到了稳定的构成，这个双极子层移

15、动活性区域消失在阳极。 此时，作用于去老虎钳的场开始均匀上升，超过阈值(EET )，形成新的双位数极。 这个过程一直在重复。 结构域从阴极移动到阳极所需要的时间是L/v，该l是活性区域的长度，v是平均速率。 结构域渡越时间模式对应频度是f=v/L。 ted (传输电子设备)是利用量子力学量子隧道来提供可控载波运输的数据老虎钳。 在这种去老虎钳中，活性层的宽度非常窄，约为10nm级。 这种尺度引起量子尺寸效应，改变能量能带结构和增强去老虎钳的传输特性。 作为功能器件，量子效应解老虎钳由于能够执行大幅度减少所需的零配件数的特定的电路功能，所以分别重要。 右图示出了RTD的乐队图，单一半导体双势垒结

16、构，其包括四个异质结GaAsA1AsGaAsA1AsGaAs结构和一个量化供水井。 在该谐振隧穿二极管中，有三种重要的老虎钳残奥参数：阻挡高度E0 (即，传导带的不连续的宽度)、阻挡宽度LB和量化供水井宽度LW。 在谐振隧穿二极管(RTD ) :量子效应解老虎钳(QED )、RTD的读取乐队中，若阱宽度Lw小于一盏茶(10nm以下)，则如图(a )所示，考虑一系列的个别的能级存在于阱内。 势垒宽度也非常小的话就会产生共鸣隧道。 即，当给定入射电子的能量e恰好等于量化供水井的一个个体能量级时，电子以100个隧道系数穿过双势垒。 当能量离开各分离能级时，隧道系数迅速减少。 例如，对于能量高于或低于

17、能级E110meV的电子，其后的穿着系数减少到105倍，如图中的(b )所示。 可求解图(a )中5个不同区域的一维度薛定谔方程式，计算隧道系数。 量子效应去老虎钳(QED )，右图是RTD构造的剖面图。 这是利用分子外延红宝石(MBE )技术在基板上交替生长GaAsA1As层。 势垒的宽度为1.7nm，供水井的宽度为4.5nm。 活性区域是欧姆联系性。 量子效应去老虎钳(QED )，下图为用RTD测量的电流-电压特性曲线。 图中也表示不同直流偏置下的乐队图。 可以看出，该I-V曲线与隧道二极管的J-V曲线相似。 当施加偏压增加时，位于第一势垒左侧的接近费米能级的被占据能级上的电子在量子供水井

18、内隧道。 当施加偏置电压V=V1=VP时，左侧传导带的边缘与E1对齐，隧道电流达到峰值，然后电压进一步增加。 即，由于当V=V2时传导带的边缘高于E1，能够隧道的电子的数量减少，所以产生小的电流。 量子效应去老虎钳(QED )，热电子是动能远远大于kT的电子。 如果半导体去老虎钳的尺寸缩小，则内部场变大，因此在去老虎钳动作时相当于去老虎钳活性区域内的载流子成为高动能状态。 在一个特定时间和空间点，载流子的速度分布可以是极窄的尖头，这种情形被称为“弹道”电子束，热电子异质结双极晶体管(HBT )，在异质结双极晶体管，被校正为允许具有宽禁带的发射区产生热载流子注入。 在p-GaInAs基极区域中，如果传导带底部能量EC=0.5eV以上，则具有通过热发射而越过发射基极区域的势垒向发射区域注入电子的优点。 由此，将较慢的扩散替换为快的弹道运输，缩短基极区域内的电子的移动时间。 热电子去老虎钳、最原始的实空间传输晶体管结构如图(a )所示，是掺杂的合十礼乐队间