中科院半导体器件物理 第六章

V V qV exp( 1 ) I 0 exp( ) I IP VP VP kT
隧穿电流
热电流（扩散电流）
负微分电阻
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dI 1 V IP V 1 ) [( 1) exp( 1 )] R( dV VP VP VP
室温时，典型的Ge, GaSb, GaAs 隧道二极管静态电流电压特性
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动态特性：
注入延迟和渡越时间效应
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理想IMPATT二极管，载流子在x=0处注入，在漂移区 以饱和速度运动
低-高-低结构
交流电压
注入电荷 负阻特性
四个时间间隔的交流循环下， 场分布与产生的载流子浓度 17
外部电流
3。转移电子器件 TED
重要的微波器件
当n型GaAs半导体两端外加电压使内部电场超过3kV/cm 时， 产生微波振荡。 转移电子效应 高能谷的有效质 量大，迁移率小 在高电场下，传 导电子可以被从 高迁移率的能谷 转移到低迁移率、 较高能量的能谷
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V=0
V=Vp
Vp<V<VV 峰值电压,此 时达到峰值 电流
V>VV
V<0
谷底电压，之 后，无能带交 叠，无隧穿电流
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隧道二极管在不同偏压下的简化能带图与I-V关系的对照
峰值 电流 负微 分电 阻区
I P / IV
通常被用作 度量二极管 好坏的标准
典型隧道二极管的电流-电压特性 电流-电压关系
v
t TD Tt Td
转移电子器件中电子的平均漂 移速度与时间的关系 动态特性-加交变电压。
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在渡越时间模式下，阴极成核 TED时间行为的数值模拟。
猝灭畴模式 延迟畴模式
4。实空间转移器件RST
利用实空间转移二极管产生负阻效应。 不是体效应，要求异质结构中两种材料迁移率不同，实空间转移发 生在两材料的界面处。
迁移率低 高场，GaAs沟道 中的电子从电场 获得足够的能 量，克服导带带 阶，进入低迁移 率 材 料 AlGaAs, 高场电流降低。
迁移率高 低场，电子驻留 在Ec小的材料 中，其迁移率高
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RST二极管有偏压时的能带图
GaAs/AlGaAs异质结构RST二极管的电流电压特性 利用RST，要选择具有最佳带边不连续的异质结，材料 具有比较高的卫星能谷（或没有卫星能谷），以免转移电 子效应发生。
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1. 隧道器件
基于量子隧穿过程的器件
隧穿现象: 多数载流子效应 载流子穿过势垒的隧穿时间极短, 不受常规的渡越时间的支配
允许用于毫米波段
隧穿电流不单调地依赖于偏压, 有微分负阻现象 隧道二极管 共振隧穿二极管
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隧道二极管
也叫江崎二极管
结构：由两侧都是简并态（高掺杂）pn结组成。
耗尽层的宽度只 有5~10nm或更小 可发生隧穿 隧道二极管热平衡能带图
低-高-低结构
VB (lo hi lo) Emb ( Em
qQ
S
)(WD b)
施主团单位 面积杂质数
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雪崩区宽度 取对电离积分有95%贡献的那段距离作为雪崩宽度。
xA xA 2
a dx
0
or

a dx 0.95
xA 2
漂移区 不算雪崩区在内的耗尽区 最重要的参数是载流子漂移速度，为了获得一致可以预测 的载流子穿过漂移区的渡越时间，该区内电场要足够高， 保证载流子以饱和速度运动。
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小结
1。隧道二极管，共振隧道二极管 2。碰撞电离雪崩渡越时间二极管 3。转移电子器件
产生负阻效应的主要原理
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IMPATT二极管的静态特性：
雪崩 区域 宽度
里德二极管
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单边突变二极管
P-i-n二极管
施主团
双漂移二极管
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高-低结构
低-高-低结构
击穿电压 单边和双边对称 突变pn结 里德二极管
VB Leabharlann BaiduEm WD / 2
qN1 b b (WD ) 2
VB Em WD
s
qN1b 1 qN1b )b ( Em )(WD b) 高-低结构 VB (hi lo) ( Em 2 S 2 2 S
I P / IV
10
8:1
12:1
28:1
2。碰撞电离雪崩渡越时间二极管 IMPATT
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。 产生负阻的原因是存在延迟使得电流滞后于电压. 雪崩电流建 立而产生的 雪崩延迟 载流子穿过漂移 区所产生的渡越 时间延迟
当两种延迟加起来的时间为半周期时,在对应频率下二极管的动 态电阻是负的. IMPATT二极管由雪崩区和漂移区构成。
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负微分电阻
负微 分电 阻开 始的 临界 电场
负微分电阻 （NDR)区域
谷底 电场
双谷半导体的电流-电场特性。
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产生NDR的转移电子机制必须满足的要求： 1）晶格温度需足够低，两个能谷差E>kT 2）在较低的谷， 电子必须有高的迁移率，和小的有效质量。 在较高的谷，电子必须有低的迁移率和大的有效质量。 3）两谷的能量差必须小于半导体禁带宽度，保证在电子进入较 高谷底的转移之前，雪崩击穿不发生。 主要材料 ET n-GaAs 3.2kV/cm 2.2107 cm/s -2400 cm2/Vs n-InP 10.5kV/cm 2.5 107 cm/s -2000 cm2/Vs 外延技术 器件尺寸： 几毫米~几百毫米 n+衬底掺杂浓度： 1014~1016cm-3
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畴的长大： 随着畴的运动， 堆积的对偶电荷 越来越多，畴逐 渐长大。 畴内电场越来越高，畴外电场越来越 低，畴内电子加速，畴外电子减速， 直到平均运动速度相等，畴不再长大， 成为成熟畴或稳态畴。 畴的生长时间TD 到达阳极后被阳 极吸收而消失。
畴的渡越与消失： 成熟畴以一定的 速度向阳极渡越
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水、含水、含脂肪物质对微波具有吸收作用----微波加热。 微波的信息容量大。
广播电视， 通信系统，雷达系统，微波加热，微波生物学等应用。
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微波固态信号发生器，利用微波半导体二极管或微波晶体管 产生微波振荡的信号发生器。
通常用的半导体二极管是具有负阻效应的 隧道二极管、 雪崩二极管、 体效应（耿氏）二极管 在其上加直流恒流源，并以一定的方式与微波谐振腔耦合，就 可以产生微波振荡。
υp
dυ/dE
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器件工作原理 ：以两区肖特基势垒接触为例
器件结构
平衡能带图
杂质分布
电场分布
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电子在高场区被加热，然后注入到有均匀场的有源区。
畴渡越时间模式 畴的形成： 由于热扰动等原因，材料中局 部出现空间电荷，偏离电中 性，则该处电场比周围高。 或 或者阴极金属-半导体结反 偏，阻值大，该处的电场比其 他部分高。 局部区域出现高的电场 外加电压一定，畴内电场高， 则畴外电场降低，畴外电场一 般不可能超过阈值。 若外加电压增加，则该处的电场 首先超过阈值电场，进入负阻 区， 该处电子漂移速度减慢 。 两侧的电子仍以较快的速度向阳 极运动，则负阻区左侧电子积 累，右侧电子欠缺(相当于正空 间电荷)—负阻区的两侧形成了 具有正负电荷的偶极层---偶极 畴。 偶极畴上有与外加电场 方向相同的附加电 场，----高场畴。
第六章 负阻器件
1。隧道器件 2。碰撞电离雪崩渡越时间二极管 3。转移电子器件
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微波
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微波的波长与普通电路或元件的尺寸可比拟。
似光性，能像光线一样传播，且遵循波动基本规律 三种效应：渡越时间效应， 辐射效应， 趋肤效应 雨雪云雾对微波有不同程度的吸收和发射。 --预测天气 特点 可穿透电离层，卫星通讯成为现实。
到达阳极到完 全消失畴的消失时间 畴的渡越时间Tt Td 消失后，半导体内电场恢复到没有形成畴的原始状态，电子平均运 动速度也恢复到原始的快电子状态。若电压仍然高于阈值电压，则 再次形成偶极畴。
也是器件电流的波形，即 有连续的电流脉冲，形成 振荡。周期为 TD+Tt+Td~Tt，决定了 渡越时间频率ft