8-微波二極管、量子效應和熱電子器件.ppt

微波二極管 量子效應和熱電子器件 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices 2004 7 30 本章內容 基本微波技術隧道二極管碰撞電離雪崩渡越時間二極管轉移電子器件量子效應器件熱電子器件 微波頻率涵蓋約從0 1GHz到3000GHz 相當于波長從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 需將分布效應列入考慮 因為在這些頻率 波長約與部件的實際大小相當 例如 在微波頻率下 一個薄膜電阻器看起來像一個具有連續(xù)L C和不同R值的復雜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線的一部分 輸運線也常被用作微波電路的互連線 輸運線實際上是一個由電阻 電容 電感三種等效基本電路部件所組成的復雜網(wǎng)絡 平面輸運線是現(xiàn)代微波電路技術的主流 此輸運線由位于表面接地的薄膜介電層襯底上的一個或多個平面導體所組成 基本微波技術 下圖顯示好幾個平面輸運線基本的形式 微細長片 同平面波導 CPW 細長線和懸吊襯底細長線 SSSL 其中R是單位長度電阻 G是單位長度電導 L是單位長度電感 C是單位長度電容 w是角頻率 微細長片是輸運線最常用的形式 同平面波導的損耗性較大 亦即傳遞信號的損失是較大的 但是它可以使接地的寄生電感減為最小 這些輸運線的特征阻抗Z0為 基本微波技術 在微波電路中 相對于電抗 電阻是非常小的 因此前式可簡化成 在較低的微波頻率下 可以利用電感和電容部件來制作共振電路 然而 在毫米波和較高頻率時 共振時的LC值在實際應用上是很小的 因此必須使用可以產(chǎn)生共振的其他方法 一個普通的解決方法是共振腔 也稱作是調諧腔 對于特定形式的輸運線 其特征阻抗是導體幾何尺寸 大小 間距 及兩導體間絕緣介質介電常數(shù)的函數(shù) 共振腔是一個金屬壁腔 是由低電阻值金屬包住良好介電物質所制成 它類似于兩端被短路的波導部分 且可以入射能量進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 TE 和橫向磁場 TM 兩種傳輸模式 基本微波技術 共振腔體內的共振模式發(fā)生在沿著z軸方向長度d為半波長時的頻率 對于腔體內的模式 是以字母數(shù)字組合Txm n p來代表 其中x對主模式是電場時為E 是磁場時為M m是a在尺寸方向半波長的個數(shù) n是在b尺寸方向半波長的個數(shù) p是在d尺寸方向半波長的個數(shù) 對于腔體的共振頻率 與模式有關的方程式為 其中 和 是腔體內材料的磁導率和介電常數(shù) 且真空下 c是真空中的光速 基本微波技術 隧道二極管與量子隧穿現(xiàn)象息息相關 因為穿越器件的隧穿時間非常短 故可應用于毫米波區(qū)域 且因為隧道二極管為相當成熟的技術 因此常被應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單的p n結所組成 而且p型和n型都是重摻雜半導體 下圖顯示在四個不同電壓條件下 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成分所合成的結果 隧道二極管 隧道二極管 在沒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 高摻雜濃度也造成費米能級落在允帶范圍內 圖中最左邊的圖所顯示的簡并量qVp和qVn大約在50meV 200meV 隧道二極管 當外加正向偏壓時 在n型邊存在一被占據(jù)的能態(tài)帶 且在p型邊存在一對應的 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 當供給電壓大約是 Vp Vn 3時 隧穿電流達到其峰值Ip 此時對應的電壓稱作峰值電壓Vp 當正向偏壓持續(xù)增加 VpVv 隧道二極管 因此 在正向偏壓時 當電壓增加 隧穿電流會從零增加到一峰值電流Ip 隨著更進一步地增加電壓 電流開始減少 當V Vp Vn時 電流減至一最小值 如圖 在達到峰值電流后減少的部分是負微分電阻區(qū) 峰值電流Ip與谷底電流Iv之值決定負電阻的大小 因此 Ip Iv之比被當作是衡量隧道二極管好壞的一個指標 電流 電壓特性的實驗式為 式中第一項為隧穿電流 Ip和Vp各自是峰值電流和峰值電壓 第二項為一般熱電流 隧道二極管 碰撞電離雪崩渡越時間 IMPATT 是利用雪崩倍增和半導體器件的渡越時間特性來產(chǎn)生在微波頻率時的負電阻 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30GHz時 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被廣泛使用在雷達系統(tǒng)與警報系統(tǒng)上 弱點 因雪崩倍增過程的不規(guī)律變動所引起的噪聲甚高 幾種常見器件結構 碰撞電離雪崩渡越時間二極管家族包括很多不同的p n結和金屬 半導體器件 第一個IMPATT震蕩是從固定微波腔里的簡單p n結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間二極管 右圖顯示摻雜分布和一個單邊突變p n結在雪崩擊穿時的電場分布 由于電場對電離率有很強的影響 因此大部分的擊穿倍增過程發(fā)生在0和xA之間的最大電場附近的狹窄區(qū)域 斜陰影面積 xA是雪崩區(qū)域的寬度 在這寬度內有超過95 的電離發(fā)生 碰撞電離雪崩渡越時間二極管 圖 b 顯示一高摻雜N1區(qū)域 緊接一個較低摻雜N2區(qū)域的高 低 hi lo 結構 隨著適當?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 圖 c 是一個低 高 低 lo hi lo 結構 在此結構中 有一 團 施主被放置在x b處 因為在x 0到x b之間 存在一個近似均勻的強電場區(qū)域 擊穿區(qū)域相當于b 且其最大電場遠小于單純的高 低結構 碰撞電離雪崩渡越時間二極管 以低 高 低結構為例討論IMPATT二極管的注入延遲和渡越時間效應 當器件加上一個反向直流電壓VB 使其剛好達到雪崩時的臨界電場Ec 圖 a 此時雪崩倍增將會開始 在t 0時 一個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)域而電子則進入漂移區(qū)域 動態(tài)特性 碰撞電離雪崩渡越時間二極管 當供給的交流電壓變正 即與反向直流偏壓一致 時 有更多的電子在雪崩區(qū)域中產(chǎn)生 如圖 b 所示的虛線 只要電場超過Ec 電子脈沖便持續(xù)增加 因此 電子脈沖在 時達到它的峰值 而不是當電壓為最大值時的 2 圖 c 因此 在雪崩過程中 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間二極管 另外的一個延遲是由漂移區(qū)域所形成的 一旦供給電壓低于VB t 2 時 只要漂移區(qū)域的電場足夠高 則注入的電子將會以飽和速度漂向n 接觸窗 圖 d 上述兩方面的原因將造成渡越時間延遲 碰撞電離雪崩渡越時間二極管 人們發(fā)現(xiàn) 當一個超過每厘米幾千伏臨界值的直流電場外加在一個短的n型砷化鎵或磷化砷的樣品上 就會有微波的輸出產(chǎn)生 這就是轉移電子器件 TED 轉移電子器件是一個重要的微波器件 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較容易的電路設計 TED技術已趨成熟 且已成為探測系統(tǒng) 遠程控制和微波測試儀器上所使用的重要固態(tài)微波源 轉移電子器件 TED 負微分電阻 NDR 轉移電子效應 即傳導電子從高遷移串的能量谷轉移到低遷移率 較高能量的衛(wèi)星谷的效應 如圖 若 1Ea大于 2Eb 在Ea和Eb之間會有一負微分電阻區(qū)域 ET到EV ET和JT分別表示NDR開始的臨界電場和臨界電流密度 EV和JV則表示谷電場和谷電流密度 轉移電子器件 TED 對于引起NDR的轉移電子機制必須滿足特定的要求 晶格溫度需足夠低 以至于在沒有電場存在時 大部分電子是在較低的谷 導帶的最小值 亦即兩個谷的能量差 E kT 在較低的谷 電子必須有高的遷移率和小的有效質量 而在較高的衛(wèi)星谷 電子有低的遷移率和大的有效質量 兩谷間的能量差必須小于半導體禁帶寬度 即 E Eg 以致在電子進入到較高谷底的轉移之前 雪崩擊穿不會開始 在滿足這些需求的半導體中 最被廣為研究與使用的是砷化鎵和n型磷化銦 對砷化鎵而言 其臨界電場ET為3 2kV cm 而磷化銦則為10 5kV cm 對砷化鎵的峰值速度vp約為2 2 107cm s 而磷化銦為2 5 107cm s 而最大負微分遷移率 即dv dE 對砷化鎵而言 大約為 2400cm2 V s 而磷化銦約為 2000cm2 V s 轉移電子器件 TED TED需要非常純且均勻的材料 還要有最少的深能級雜質與缺陷 現(xiàn)在的TED幾乎都用各種外延技術 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 且典型的器件長度范圍是從幾毫米到幾百毫米 右圖顯示 一個在n 襯底上有一n型外延層和一個連接到陰極電極的n 歐姆接觸的TED以及平衡時的能帶圖和外加V 3VT的電壓于此器件時的電場分布圖 此VT是臨界電場ET和器件長度L的乘積 對于這樣的一個歐姆接觸 在靠近陰極附近總是有一低場區(qū)域 且作用在器件長度上的場并不均勻 器件工作原理 轉移電子器件 TED 為了改善器件的性能 可以使用雙區(qū)陰極接觸來替代n 歐姆接觸 此雙區(qū)陰極接觸是由一強電場區(qū)和一個n 區(qū)所組成的 如圖 這樣的結構類似于低 高 低IMPATT二極管 電子在強電場區(qū)被 加熱 且緊接著被注入到具有均勻電場的有源區(qū) 此種結構已成功地被用在大溫度范圍內具有高效率與高功率輸出的器件中 一個TED的工作特征取決于下面五個因素 器件內的摻雜濃度與摻雜均勻性 有源區(qū)的長度 陰極接觸特性 電路的形式和工作的偏壓值 轉移電子器件 TED TED的一個重要工作是模式是疇度越時間模式 當正負電荷被拉開一小段距離 將會有一個電偶極產(chǎn)生 亦稱作疇 如圖 a b 所示 從泊松方程式 在電偶極內的電場會大于在其任何一邊的電場 如圖 c 所示 降落在器件上的對應電壓改變可由積分泊松方程式得到 如圖 d 所示 轉移電子器件 TED 由于負微分電阻的關系 低電場區(qū)的電流將會大于高電場區(qū)的電流 在負微分電阻區(qū)域外 兩電場值會趨向達到平衡值 此時高電流與低電流是相同的 如圖 e 所示 此刻電偶極已達到一穩(wěn)定組態(tài) 此偶極層會移動穿越過有源區(qū)且消失在陽極 此時作用在器件上的場會開始均勻上升 然后超過臨界值 即E ET 因此形成一個新的電偶極 此過程一直重復 疇從陰極移動到陽極所需時間為L v 此L是有源區(qū)長度 v是平均速度 疇渡越時間模式對應頻率為f v L 轉移電子器件 TED 量子效應器件是利用量子力學隧道效應提供可控制的載流子輸運的一類器件 對此類器件 有源層寬度是非常窄的 約在10nm的量級 這個尺度會引起量子尺寸效應 從而改變能帶結構和增強器件的傳輸特性 作為功能器件 量子效應器件持別重要 因為它們可大量減少所需部件的數(shù)目而執(zhí)行特定的電路功能 右圖顯示RTD的能帶圖 它為一半導體雙勢壘結構 包含有四個異質結GaAs A1As GaAs A1As GaAs結構與一個量子阱 共振隧道二極管有三個重要器件參數(shù) 即勢壘高度E0 即為導帶的不連續(xù) 勢壘寬度LB及量子阱寬度LW 共振隧道二極管 RTD 量子效應器件 QED 考慮在RTD的導帶上 假如阱寬度Lw足夠小 10nm的大小或更小 一系列分立的能級就會存在于阱內 如圖 a 假如勢壘寬度也非常小的話 共振隧穿將會產(chǎn)生 即當某個入射電子的能量E恰好等于量子阱中的一個分立能級 則電子將會以100 的隧穿系數(shù)隧穿雙勢壘 當能量遠離各個分離能級時隧穿系數(shù)會快速的減少 如 一個能量高于或低于能級E110meV的電子 將會造成其遂穿系數(shù)以105倍減少 如圖 b 所示 可以求解圖 a 中五個不同區(qū)域的一維薛定諤方程從而計算出隧穿系數(shù) 量子效應器件 QED 右圖是一RTD結構的剖面圖 它是采用分子外延束 MBE 技術在襯底上交替生長GaAs A1As層而得到的 勢壘寬度為1 7nm 而阱的寬度為4 5nm 有源區(qū)為歐姆接觸 量子效應器件 QED 下圖為RTD所測量到的電流 電壓特性曲線 圖中也顯示了不同直流偏壓下的能帶圖 可見此I V曲線與隧道二極管的J V曲線相似 當外加偏壓增加時 位于第一勢壘左邊 靠近費米能級的被占據(jù)能級上的電子將會隧穿到量子阱內 當外加偏壓V V1 VP時 左邊的導帶邊緣會跟E1對齊 隧穿電流達一峰值 隨后電壓進一步增加 即在V V2時 導帶邊緣會高于E1 可以隧穿的電子數(shù)量減少 因此造成較小的電流 量子效應器件 QED 熱電子是指動能遠大于kT的電子 當半導體器件尺寸縮小 導致內部場變大 因此在器件工作時 器件有源區(qū)內有相當比例的載流子會處于高動能狀態(tài) 在某一特定的時間與空間點上 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 熱電子異質結雙極型晶體管 HBT 在異質結雙極型晶體管中 設計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)點在于 在p GaInAs基區(qū)內 只要超過導帶底部能量 EC 0 5eV 電子就會由熱發(fā)射越過射基區(qū)勢壘而注入發(fā)射區(qū) 從而以較快的彈道傳輸取代相對較慢的擴散 來縮短電子在基區(qū)內的移動時間 熱電子器件 最原始的實空間轉移晶體管結構如圖 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結結構 在熱平衡時 可移動電子存在于末摻雜GaAs量子阱中 且與位于A1GaAs層里的母體施主隔開 若輸入此結