太赫兹GaAs肖特基混频二极管高频特性分析

* 国家国防基金（ 批准号：7130730 ） ， 北京航空航天大学 2008 年度博士创新基金资助的课题 . E-mail ： fangl_79 @ yahoo. com. cn
8期
樊国丽等： 太赫兹 GaAs 肖特基混频二极管高频特性分析
［ 7］
5375
响最 大 的 趋 肤 效 应
和等离子共振效应
N e 是外延层掺杂浓度， d 式中 ε 是半导体介电常数， V FB 是 内 建 电 势 差 也 叫 平 带 电 压 . 右 边 是阳极直径， 第二项是由阳 极 外 围 边 缘 效 应 产 生 的 影 响， 在 THz 频段不可忽 略 . 增 大 结 两 端 电 压， 空间电荷区宽度
5376
物
理
樊国丽

江月松 刘 丽 黎 芳
100191 ）
（ 北京航空航天大学 电子信息工程学院， 北京
（ 2009 年 8 月 18 日收到；2009 年 12 月 1 日收到修改稿）
在太赫兹波段， 存在几种新的高频效应会限制混频二极管的高频特性 . 应用热 电 子 发 射 理 论 和 隧 道 理 论 ， 研究 并以截止频率为品质因数对二极管进行优化 设 计 . 研 究 表 明， 当二极管工作频 了外延层肖特基二极管的高频特性， 二极管相当于一 个 电 容， 失 去 了 混 频 性 能；提 高 基 底 掺 杂 浓 度 可 以 减 小 基 底 等 离 子 共 振 效 率大于等离子频率时， 应；外延层等离子频率非常重要并且在研究外延层等离子共振效应时必须考虑传 输 时 间 效 应 ；减 小 阳 极 直 径 、 减小 提高外延层掺杂浓度可以提高二极管的工 作 频 率 . 这 对 太 赫 兹 波 段 室 温 混 频 器 件 的 研 制 具 有 重 要 的 外延层厚度 、 参考价值 .
.
当 SBD 工作频率高于 1 THz 时， 存在几种新的高频 效应会严重 增 大 二 极 管 串 联 阻 抗， 影 响 结 电 容， 使 THz 频段二极管 的 设 计 和 优 化 变 得 异 常 复 杂 . 文 献 ［ 9， 10 ］ 给出 了 长 亚 毫 米 波 段 的 高 频 效 应 和 THz 频 段的载流子饱和效应， 但对 THz 频段对串联阻抗影
［ 7］
都没有
进行全面分析 . 本文 对 这 两 个 效 应 进 行 全 面 深 入 的 研究， 并讨论了如何 设 置 二 极 管 结 构 参 数 可 以 减 小 在等 它们对串联 阻 抗 的 影 响 . 在 研 究 过 程 中 发 现， 离子共振频率附近， 等离子共振会使串联电阻迅速 但是 当 工 作 频 率 大 于 等 离 子 频 率 时， 串联电 增长， 阻会迅速减小为零 . 另 外， 当 阳 极 直 径 足 够 小 时， 二 极管的极限频率可 以 大 于 等 离 子 频 率 . 这 些 都 表 明 SBD 的工作频率可以 大 于 等 离 子 频 率， 接着对此情 况下的 SBD 进行分析， 发现此时 SBD 相当于一个电 失去了混频效 能 . 趋 肤 效 应 、 等离子共振效应和 容， 二极管结构 参 数 息 息 相 关， 错 综 复 杂， 为了得到正 确结论， 最后以截止频率为品质因数进行优化仿 真， 给出设计太赫兹混频二极管的指导方针 .
［ 7， 8］
太赫兹 波 是 指 频 率 为 0. 1 —10 THz （ 1 THz = 10
12
Hz ） ， 波长为 3 mm —30 μ m 范围内的电磁波， 位
于毫米波与红外光 之 间 的 电 磁 辐 射 区 域 . 它 在 电 磁 频谱中的特 殊 位 置 及 其 独 有 的 穿 透 性 、 安 全 性、 宽 带性 、 瞬 态 性、 相 干 性 等 特 点 使 其 在 成 像、 医学诊 断、 环境科学 、 信息 、 军事安全及基础物理研究领域 有着广阔的应用前景和应用价值
关键词 ： 太赫兹，肖特基混频二极管，趋肤效应，等离子共振效应
PACC ： 2940P ，7230 ，7215L
其输 出 信 号 的 频 率 正 比 于 太 赫 兹 信 的电子学元件，
1. 引
言
号与本 振 信 号 频 率 的 差 值 . 通 过 对 输 出 信 号 的 分 可以得知太赫 兹 波 信 号 的 相 关 信 息 . 目 前， 用于 析， 太赫 兹 波 段 的 外 差 混 频 器 主 要 有 3 种： 超 导 -绝 缘 超导（ SIS ） 混 频 器 、 热 电 子 辐 射 （ HEB ） 混 频 器 和 肖 特基二 极 管 （ SBD ） 混 频 器 . 虽 然 SIS 混 频 器 和 HEB 混频器的探 测 灵 敏 度 较 高， 所 需 的 本 振 功 率 小， 但 必须工 作 在 低 温 环 境 下， 应用范围受到较多的限 制 . 而 SBD 混频器可以工作在室温 环 境 下， 因 此， 研 究和开发具有良好高频特性的 SBD 混 频 器 件， 提高 室温下太赫兹波探 测 器 灵 敏 度， 有着更为重要的意 义和广阔的应用前景 . 在 SBD 混频器中， 信号的混频 过 程 是 发 生 在 非 线性结电阻 R j 上的， 对于 一 个 阻 性 混 频 器 来 说， 金半结的变频效率理论上能达到最大 值 . 但 SBD 内 部 — —串 联 电 阻 和 结 电 容 会 阻 止 信 号 的 的寄生 元 素 — 部分功率耦合到 结 电 阻， 从而影响探测灵敏度
［ 12 ］
L =
R m* = ， ωs N s q2
（8）
高频时， 信号变化期间产生的自感系数 L in 主要受电 其 大 小 由 有 限 自 由 程 来 决 定. 位 移 电 子惯性影响， 容 C disp 描述了介 电 弛 豫 特 性， 并 有 C disp = ε . 位 移 电 L 并联， 则半导体（ 即 LRC disp 电路） 的总 容 C disp 和 R ， 电容可以表示为 ^ s + j ωε = σ s σ
第 59 卷 第 8 期 2010 年 8 月 10003290 /2010 /59 （ 08 ） /5374-08
物
理
学
报
ACTA PHYSICA SINICA
No. 8 ， August ， 2010 Vol. 59 ， 2010 Chin. Phys. Soc.
太赫兹 GaAs 肖特基混频二极管 * 高频特性分析
［ 1 —5 ］
.
在太赫兹波段 的 开 发 和 利 用 中， 太赫兹信号检 测技术是 目 前 国 际 上 的 研 究 热 点
［ 6］
. 一 方 面， 与较
短波长的光学波段 电 磁 波 相 比， 太赫兹波光子能量 低， 背景噪声通常 占 据 显 著 地 位；另 一 方 面， 随着太 赫兹波技 术 在 各 领 域 特 别 是 军 事 领 域 中 应 用 的 深 不断 提 高 接 收 灵 敏 度 成 为 必 然 要 求. 基 于 入开展， 相干脉冲 时 域 连 续 波 探 测 技 术 的 超 外 差 式 检 测 器 在微波 、 毫米波和太 赫 兹 频 率 范 围 内 不 仅 具 有 较 高 的灵敏度， 还 具 有 很 高 的 频 率 分 辨 率. 它 是 通 过 一 — —混 频 器 将 难 处 理 的 高 频 信 号 进 个非线 性 设 备 — 行下变频转换成易 处 理 的 中 频 信 号， 然后对中频信 号进行放大和测量 . 混 频 器 一 般 是 具 有 非 线 性 特 性
学
报
59 卷
3. 1. 趋肤效应 当高频交流电 流 流 过 二 极 管 时， 高频电流产生 迫使电流密 的磁场在导体内部 感 应 较 大 的 电 动 势， 集在半导体芯片表 面 流 动， 芯片边缘拥挤的电流会 使二极管电 阻 增 大 . 这 种 现 象 就 称 为 趋 肤 效 应 . 受 趋肤效应的影响， 此时基底阻抗 Z sub 为 Z sub = 1 b arctan 2 πσ s a a
［ 8］ 外延层掺杂均匀的 SBD 的 C-V 特性为
槡
2ε （ V － V） ， a 是阳极 半 径， σ e 是 外 延 层 电 导 率， qN e FB
N e 是外延层掺杂浓度， σ e = qμ e N e ， μ e 是外延层载流 Ns 是 基 底 σ s 是 基 底 电 导 率， σ s = qμ s N s ， 子迁移率， 掺杂浓度， μ s 是基底载流子迁移率 .
2. SBD 低频特性
SBD 是利 用 金 属 -半 导 体 整 流 接 触 特 性 制 成 的 二极管， 它的主要特 点 是 半 导 体 内 电 的 输 运 过 程 是 热激发的多数载流 子， 不存在与少数载流子有关的 恢复时间和电荷贮 存 效 应， 因此具有更好的高频特 性 . 常用来描述 SBD 特性的公式在毫米 波 段 还 能 精 但 是 当 工 作 在 更 高 频 率 时， 存 确表示其实 际 性 能， 在的高频限 制 会 严 重 影 响 SBD 特 性， 此 时， 低频模 型需要校正 . SBD 的 结 构 示 意 图 和 低 频 等 效 电 路 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 图 1 所 示 . SBD I-V 特性的方程表达式为 qV I = I s exp －1 η kT 减小， 结电容增大；继 续 增 大 结 电 压， 当其等于平带 电压时， 空 间 电 荷 区 宽 度 为 零， 并不能使更多的载 因 此， 当 结 电 压 等 于 平 带 电 压 时， 流子贮存在结中， 结电容为零， 等效电路简化为串联电阻 . R j 表 示 结 电 阻， Cj 在 SBD 的低频 等 效 电 路 中， Rs 表 示 串 联 电 阻. Rs 是 指 从 损 耗 区 边 表示结电容， 主要包括外延层阻 缘到欧姆接触之间 所 有 的 阻 抗， 抗、 基底阻 抗 和 欧 姆 接 触 阻 抗， 由于欧姆接触阻抗
式中 b 是沿着芯片表面从阳极到欧姆接触之间的距 离， δ s 是趋肤深度， 表示为 2 / ωμ 0 σ s . δs = 槡 （5） 式中 ω 是 工 作 频 率， μ 0 是 GaAs 的 磁 导 率 . 显 然， （ 4 ） 式右边第二项是由趋肤效应增加的阻抗 . 由 （ 5 ） 式可知， 频率越高， δs 越 小 趋 肤 效 应 阻 抗 越 大. 可 见 高频时 趋 肤 效 应 对 串 联 阻 抗 的 影 响 非 常 重 要 . 由 （ 4 ） 式分 析 可 知， 趋肤效应阻抗近似反比于阳极直 因 此， 增大阳 径的对数和 基 底 掺 杂 浓 度 的 平 方 根， 极直径和 提 高 基 底 掺 杂 浓 度 都 可 以 减 小 趋 肤 效 应 阻抗 . 3. 2. 基底等离子共振 若工 作 频 率 满 足 条 件 （ 6 ） 和 （ 7 ） ， 等式（4） 成 （7） 式忽略了位移电流和载 流 子 惯 立 . 但条件（ 6 ） ， 性两种高频现象， 所以在 THz 频段， 等式 （ 4 ） 不总成 立 . 下面分析考虑这 两 种 高 频 现 象 时 基 底 串 联 阻 抗 的情况 . ω ωd = ω ωs = σs 1 = ， τd ε 1 q = * . τp m μs
（3）
X d 是 耗 尽 层 宽 度， Xd = 式中 t e 是 外 延 层 厚 度，
I s 是 饱 和 电 流， R 是理查森常 式中 A 是阳极 面 积， q 是 电 子 电 量， T 是 绝 对 温 度， k 数， 是 势 垒 高 度， V 是二 是玻尔兹曼常 量， η 是 I-V 特 性 的 理 想 因 子， 极管两端电压 .
［ 11 ］ R c 较小， . 一般忽略不计
图1
（ a ） SBD 结构示意图；（ b ） SBD 低频等效电路
( ) (
－ q qV = AR * T 2 exp － 1 ， （1） exp η kT η kT
)
( )
*
Rs =
te － X d 1 + + Rc . Aσ e 4 aσ s
( ) （ 1 + j） b + ln ， 2 πσ δ ( a )
s s
{
1 + j（ ω / ω d ） ， （9） 1 + j（ ω / ω s ）
}
（4）
用（ 9 ） 式代替（ 4 ） 式中的低频 σ s ， 用实际传输系数 γ ^ s + j ωε ） 代替 （ 1 + j ） / δ s ， =槡 j ωμ 0 （ σ 并假设 b / a 1 . 1 1 = + j（ ω / ω d ） 4 σ s a 1 + j（ ω / ω s ） + ln （ b / a ） j ωμ 0 2π σs
Cj =
{槡
A 0，
qεN e 3 εA + ， V < V FB ， ，（ 2 ） 2 （ V FB － V ） d V = V FB
3. THz 频段存在的高频效应
当 SBD 工作在 THz 频段时， 存在的趋肤效应和 等离子共振效应会严重增大 SBD 的高 频 串 联 阻 抗， 影响 SBD 的 混 频 效 率 . 本 节 详 细 分 析 了 这 两 种 效应 .