13半导体器件-负阻器件-转移电子器件2学时

qn(1 (1 2 )) 1 2
qn1(1 )
当电场达到某个值时：n＝n1＋n2≈ n2
qn2
特性曲线
E I
J qn J E
U
高场畴及耿氏振荡效应
❖当在耿氏二极管的两端施加电压使器件内部的电 场强度最初处于负微分负阻电导区域时，就可以 产生微波振荡。
N型GaAs
❖振荡产生的条件（高场畴）： 1）内部电场处于器件的微分负阻区域； 2）内部电荷分布不均匀；
负阻器件
耿氏器件（Gunn Device） 转移电子器件（Transferred Electron Device ）
体效应器件（Bulk Effect Device）
耿氏效应发现
❖1963年，国际商业机械公司 J. B. Gunn 在研究 用锡做欧姆接触的几毫米长的N型GaAs样品时，惊 奇的发现，当电场达到超过3KV/cm时，电流随电 压的增加，斜率反而减小，变为负值，同时产生 电流振荡。振荡频率与电极间距L（cm）成反比。 人们把这种效应以发现人的姓氏命名为耿氏效应。 能够常数振荡的二极管命名为耿氏二极管。
高场畴及耿氏振荡效应
高场畴及耿氏振荡效应
❖ 一般畴区外电场|Ea|是均匀的，为简单起见，设 畴区内的电场强度|Eb|也是均匀的，壁厚为d，器 件长度为L，外加电压为U，则：
U L | Ed | Eb d (L d ) Ea d | Ed | Ea
Eb Ea
❖ |Ed|是无畴时的电场强度，重复形成畴区的速率
转移电子效应
n
NC
exp(
EC EF k0T
)
NC
2
(2m*k0T
h3
)3
/
2
NC2 NC1 GaAs : NC2 94NC1
不加电场及低电场：n＝n1＋n2 ≈ n1
qn11 qn22 qn1
电场升高到使低能谷中的电子向高能谷中
跃迁：n＝n1＋n2 ， n2=n
qn11 qn22
Length: 0.4m The device area: 2500 m2 The DC bias voltage:55V The super particle’s number:21200 The total simulation time 40ps every 1fs
j nve
Furthermore, it can be found from Figs. 1 and 3 that the changing of current has the same tendency of velocity, which shows that the electron velocity may make the dominate contribution for the current.
❖ 耿氏二极管是重要的微波器件之一，广泛用于本 机振荡器和功率放大器，覆盖的微波频率为1GHz 到300GHz。
耿氏二极管结构及选材
体效应器件、转移电子器件 N型GaAs
结构示意图
耿氏二极管结构及选材
《半导体器件物理》施敏，第三版
转移电子效应
导电电子从高迁移率的能谷向低迁移率的高 能卫星能谷转移的效应。
就是振荡频率，近似为： vd
L
特性参数
振荡频率f：单位GHz，EYKQ1,18~26.5GHz; 最大输出功率PDmax；30～50mW 转换效率；>1% 工作电压UR；5.5V 最大耐压URM。7V
耿氏器件产生的限制条件
❖ 1、n型材料，能带具有高、低能谷。 ❖ 2、晶格热振动能量KT小于高、低能谷能带
阴
极 0
阳 •E / 0
极 L
x
E dU dx
EU L
当材料内部不均匀时：J 1E1 2E2 qn
n1
2
n1 < n2 1 2
x1
E1 E2
高场畴及耿氏振荡效应
阴
阳
Baidu Nhomakorabea
极
极
－
＋
－
＋
－
＋
－
＋
－
＋
E
空间电荷偶极层， 偶极畴，简称畴
高场畴及耿氏振荡效应
❖ 实验表明，一般情况，新畴总是容易在阴极附近 某些掺杂不均匀处形成，这可能是用外延片作耿 氏器件时，外延表面总是作为阴极，而外延层表 面往往浓度最低，电阻率最高，电场最强，因而 容易在阴极附近形成畴。畴在阴极附近形成后， 一边迅速生长，一边向阳极漂移，约漂移1微米左 右，达到稳态，这时高场畴便几乎以一个恒定的 速度向阳极漂移，达到阳极后，畴区消失，体内 电场友恢复到最初的电场，在阴极附近形成新畴 ，整个过程重复进行，造成耿氏振荡。
Conduction band of GaN
n+
n
n+
GaN Gunn diode structure
The active region The doping density: 2.01017cm-3;
Length: 1.3m The contact region The doping density:1.0 1018cm-3;
高场畴及耿氏振荡效应
❖ 在一般的电阻中，当内部产生电荷分布的 扰动时，这一扰动将随时间成指数关系分 散，最终趋于平衡。
Q Q0et /
❖其中为电荷弛豫时间： (qn0n )
高场畴及耿氏振荡效应
对于象GaAs具有两个能谷的材料，在电场高
过某阈值电场时（3KV/cm）,处于负阻区，
当材料内部均匀时：
1
m*
1 2E k 2
m
* 2
m
* 1
GaAs :
m
* 1
0.067m 0
m
* 2
0.55m 0
转移电子效应
电子在电场作用下：
F
qE
dP dt
m *dv dt
dv
qE m*
dt
v
qE m*
τ
v
qE τ m*
μ
qτ m*
μ2 μ1
GaAs :μ1 6000~ 8000cm 2/V s
2 920cm 2 /V s
底的差。 ❖ 3、高、低能谷能带底的差小于禁带宽度。 ❖ 4、高能谷的态密度大于低能谷的态密度。
Recently, Gunn diode based on GaN is taken as a possible solid THz source for its smaller energy relaxation time. The electrons moving at so high frequency will frequently experience overshoot and undershoot, and drift–diffusion model can no longer be accurate to describe the transport behavior in GaN Gunn diode.