8-微波二極管、量子效應(yīng)和熱電子器件.ppt

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 PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices 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Z0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)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Txm 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qVp和qVn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 Vp Vn 3時(shí) 隧穿電流達(dá)到其峰值Ip 此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓稱作峰值電壓Vp 當(dāng)正向偏壓持續(xù)增加 VpVv 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Ip 隨著更進(jìn)一步地增加電壓 電流開(kāi)始減少 當(dāng)V Vp Vn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Ip與谷底電流Iv之值決定負(fù)電阻的大小 因此 Ip Iv之比被當(dāng)作是衡量隧道二極管好壞的一個(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 Ip和Vp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(jiàn)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xA之間的最大電場(chǎng)附近的狹窄區(qū)域 斜陰影面積 xA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N1區(qū)域 緊接一個(gè)較低摻雜N2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N1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) 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VB 使其剛好達(dá)到雪崩時(shí)的臨界電場(chǎng)Ec 圖 a 此時(shí)雪崩倍增將會(huì)開(kāi)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 只要電場(chǎng)超過(guò)Ec 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VB 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)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 1Ea大于 2Eb 在Ea和Eb之間會(huì)有一負(fù)微分電阻區(qū)域 ET到EV ET和JT分別表示NDR開(kāi)始的臨界電場(chǎng)和臨界電流密度 EV和JV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 E kT 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 E Eg 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(kāi)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)ET為3 2kV cm 而磷化銦則為10 5kV cm 對(duì)砷化鎵的峰值速度vp約為2 2 107cm s 而磷化銦為2 5 107cm s 而最大負(fù)微分遷移率 即dv dE 對(duì)砷化鎵而言 大約為 2400cm2 V s 而磷化銦約為 2000cm2 V s 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 現(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1014cm 3到1016cm 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 歐姆接觸的TED以及平衡時(shí)的能帶圖和外加V 3VT的電壓于此器件時(shí)的電場(chǎng)分布圖 此VT是臨界電場(chǎng)ET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 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(kāi)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(kāi)始均勻上升 然后超過(guò)臨界值 即E ET 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)引起量子尺寸效應(yīng) 從而改變能帶結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)器件的傳輸特性 作為功能器件 量子效應(yīng)器件持別重要 因?yàn)樗鼈兛纱罅繙p少所需部件的數(shù)目而執(zhí)行特定的電路功能 右圖顯示RTD的能帶圖 它為一半導(dǎo)體雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu) 包含有四個(gè)異質(zhì)結(jié)GaAs A1As GaAs A1As GaAs結(jié)構(gòu)與一個(gè)量子阱 共振隧道二極管有三個(gè)重要器件參數(shù) 即勢(shì)壘高度E0 即為導(dǎo)帶的不連續(xù) 勢(shì)壘寬度LB及量子阱寬度LW 共振隧道二極管 RTD 量子效應(yīng)器件 QED 考慮在RTD的導(dǎo)帶上 假如阱寬度Lw足夠小 10nm的大小或更小 一系列分立的能級(jí)就會(huì)存在于阱內(nèi) 如圖 a 假如勢(shì)壘寬度也非常小的話 共振隧穿將會(huì)產(chǎn)生 即當(dāng)某個(gè)入射電子的能量E恰好等于量子阱中的一個(gè)分立能級(jí) 則電子將會(huì)以100 的隧穿系數(shù)隧穿雙勢(shì)壘 當(dāng)能量遠(yuǎn)離各個(gè)分離能級(jí)時(shí)隧穿系數(shù)會(huì)快速的減少 如 一個(gè)能量高于或低于能級(jí)E110meV的電子 將會(huì)造成其遂穿系數(shù)以105倍減少 如圖 b 所示 可以求解圖 a 中五個(gè)不同區(qū)域的一維薛定諤方程從而計(jì)算出隧穿系數(shù) 量子效應(yīng)器件 QED 右圖是一RTD結(jié)構(gòu)的剖面圖 它是采用分子外延束 MBE 技術(shù)在襯底上交替生長(zhǎng)GaAs A1As層而得到的 勢(shì)壘寬度為1 7nm 而阱的寬度為4 5nm 有源區(qū)為歐姆接觸 量子效應(yīng)器件 QED 下圖為RTD所測(cè)量到的電流 電壓特性曲線 圖中也顯示了不同直流偏壓下的能帶圖 可見(jiàn)此I V曲線與隧道二極管的J V曲線相似 當(dāng)外加偏壓增加時(shí) 位于第一勢(shì)壘左邊 靠近費(fèi)米能級(jí)的被占據(jù)能級(jí)上的電子將會(huì)隧穿到量子阱內(nèi) 當(dāng)外加偏壓V V1 VP時(shí) 左邊的導(dǎo)帶邊緣會(huì)跟E1對(duì)齊 隧穿電流達(dá)一峰值 隨后電壓進(jìn)一步增加 即在V V2時(shí) 導(dǎo)帶邊緣會(huì)高于E1 可以隧穿的電子數(shù)量減少 因此造成較小的電流 量子效應(yīng)器件 QED 熱電子是指動(dòng)能遠(yuǎn)大于kT的電子 當(dāng)半導(dǎo)體器件尺寸縮小 導(dǎo)致內(nèi)部場(chǎng)變大 因此在器件工作時(shí) 器件有源區(qū)內(nèi)有相當(dāng)比例的載流子會(huì)處于高動(dòng)能狀態(tài) 在某一特定的時(shí)間與空間點(diǎn)上 載流子的速度分布可能是極窄的尖峰 此情形稱為 彈道 電子束 熱電子異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 HBT 在異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管中 設(shè)計(jì)使其具有較寬禁帶的發(fā)射區(qū)就能產(chǎn)生熱載流子注入 如圖 其優(yōu)點(diǎn)在于 在p GaInAs基區(qū)內(nèi) 只要超過(guò)導(dǎo)帶底部能量 EC 0 5eV 電子就會(huì)由熱發(fā)射越過(guò)射基區(qū)勢(shì)壘而注入發(fā)射區(qū) 從而以較快的彈道傳輸取代相對(duì)較慢的擴(kuò)散 來(lái)縮短電子在基區(qū)內(nèi)的移動(dòng)時(shí)間 熱電子器件 最原始的實(shí)空間轉(zhuǎn)移晶體管結(jié)構(gòu)如圖 a 所示 它是由摻雜的寬禁帶A1GaAs和未摻雜的窄禁帶GaAs層相互交替而成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) 在熱平衡時(shí) 可移動(dòng)電子存在于末摻雜GaAs量子阱中 且與位于A1GaAs層里的母體施主隔開(kāi) 若輸入此結(jié)