半导体器件与物理篇7 微波二极管、量子效应和热电子器件

基本微波技术

微波频率：微波频率涵盖约从0.1GHz到3000GHz，相当于波长从300cm到0.01cm。

分布效应：电子部件在微波频率，与其在较低频率的工作行为不同。

输运线：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

平面输运线是输运线中的一种，它是现代微波电路技术的主流。

平面输运线的基本形式，分类包括：微细长片、同平面波导(CPW)细长线和悬吊衬底细长线(SSSL)。

其中微细长片是输运线最常用的形式。它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。
输运线的特征阻抗为：$Z_0=\sqrt{\frac{R+j\omega L}{G+j\omega C}}\Omega$
单位长度电阻R；单位长度电感L；单位长度电导G；单位长度电容C；角频率$\omega$。

共振腔的应用条件：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值在实际上是很小的，因此需要采用共振腔。
共振腔（亦称为调谐腔）的定义：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。

共振腔的作用：能量可以入射进腔体或是从腔体汲取能量。

隧道二极管

隧道二极管与量子隧穿现象息息相关。它可应用于毫米波区域，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。

隧道二极管由一简单的pn结组成，且p型和n型都是重掺杂半导体。
隧道二极管的典型静态电流-电压特性如图:

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。

结两端的掺杂能级很高，以致于p型区的费米能级$E_{Fp}$比（硅或砷化镓等半导体材料）价带的边缘还低，而在n型区的费米能级$E_{Fn}$则高于导带的边缘。如此便在n型边产生一被占据的能态带，且在p型边存在一对应的、但未被占据的可用能态带。

由图可得，外加正向偏压后，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<Vp<Vv，此Vv为谷底电压)，p型边尚未被占据的可用能态减少，电流因此变小。最后，两边能带彼此没有交集，此时隧穿电流不再流动，若再持续增加电压的话，一般的热电流将会开始流动(对V>Vv)。

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。

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$I_v$决定负电阻的大小。因此，$\frac{I_p}{I_v}$被当作是衡量隧道二极管好坏的一个最重要的指标。

外加偏压与隧道二极管电流的关系如图：

碰撞电离雪崩渡越时间二极管

碰撞电离雪崩渡越时间二极管IMPATT：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。

IMPATT的缺点：因雪崩倍增过程的不规律变动所引起的噪声甚高。

IMAPTT的静态特性

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的强烈影响，大部分的击穿倍增过程发生在图中的0和$x_A$之间这样一个最大电场附近的狭窄区域(阴影部分)。$x_A$是雪崩区域的宽度，在这宽度内有超过95%的电离发生。

其他类型的IMAPTT电场分布如图：

IMPATT的动态特性

以低-高-低结构的IMAPTT为例，在雪崩过程中，注入的载流子浓度(电子脉冲)落后于交流电压的相位$\frac{\pi }{2}$。

转移电子器件TED

当一个超过每厘米几千伏临界值的直流电场加在一个短的n型砷化镓或磷化砷的样品上，就会有微波的输出产生，这就是转移电子器件(TED)。

转移电子器件TED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，在探测系统、远程控制和微波测试仪器等位置均可被用作重要的固态微波源。

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，但是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。

负微分电阻NDR

负微分电阻NDR的要求：
1.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ΔE>kT；
2.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，电子有低的迁移和大的有效质量；
3.两谷间的能量差必须小于半导体禁带宽度(即ΔE<Eg)，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。

转移电子效应：传导电子从高迁移率的能量谷转移到低迁移率较高能量的卫星谷的效应。

一个TED的工作特征取决于下面五个因素：
器件内的掺杂浓度与掺杂均匀性；
2.有源区的长度；
3.阴极接触特性；
4.电路的形式；
5.工作的偏压。

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$10^{14}c{m}^{-3}$到$10^{16}c{m}^{-3}$，且典型的器件长度范围是从几毫米到几百毫米。

一个TED的工作特征取决于下面五个因素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。

量子效应器件

量子效应器件的定义：量子效应器件(QED)是利用量子力学隧穿效应提供可控制的载流子输运的器件。

量子效应器件的优点：由于有源层宽度是非常窄的，约在10nm的量级，故容易引起量
子尺寸效应，从而改变能带结构和增强器件的传输特性。

共振隧穿二极管RTD的能带图结构：

共振隧穿二极管的三个重要参数：势垒高度E_0(即为导带的不连续)、势垒宽度L_B及量子阱宽度L_w。

热电子器件

热电子的定义：热电子是指动能远大于kT的电子。

半导体器件尺寸缩小导致内部电场变大，因此在器件工作时，器件有源区内有相当比例的载流子会处于高动能状态。

热电子器件的载流子速度分布：在某一特定的时间与空间点上，载流子的速度分布可能是极窄的尖峰，此情形称为“弹道”电子束。

热电子异质结双极型晶体管HBT

热电子异质结双极型晶体管HBT的优点：热电子异质结双极型晶体管(HBT)优点在于以较快的弹道输运取代相对较慢的扩散过程，来缩短电子在基区内的移动时间。

在异质结双极型晶体管中，设计使其具有较宽禁带的发射区就能产生热载流子注入，使得只要超过导带底部能量$\Delta E_C=0.5eV$时，电子就会由热发射越过射基区势垒而注入发射区。
这样做的目的是以较快的弹道输运取代相对较慢的扩散过程，从而缩短电子在基区内的移动时间。

实空间转移晶体管RSTT

最原始的实空间转移晶体管结构如图所示，它是由掺杂的宽禁带AlGaAs和未掺杂的窄禁带GaAs层相互交替而成的异质结结构。在热平衡时可移动电子存在于未掺杂GaAs量子阱中，且与位于AlGaAs层里的母体施主隔开。

若图中层2的迁移率低很多，则在两端点间电路将会有负微分电阻产生，这很类似于建立在动量空间谷间转移基础上的转移电子效应，因此称作实空间转移。此时对应的电压电流关系如图：

在实空间转移器件里，窄禁带半导体内的电子可从输入功率获得能量而转移进入宽禁带半导体，导致负微分电阻的特性。
实空间转移器件具有高跨导和高截止频率。
RSTT也可应用在逻辑电路上，它比其他器件有较少的部件数量却依然能执行特定的功能。