现代半导体器件物理与工艺.ppt (5.68 MB)

V VV
EV
I (峰 ) 当供给电压大约是(Vp+Vn)/3时， I 隧穿电流达到其峰值Ip,此时对应的电 压称作峰值电压Vp 。当正向偏压持续 I 增加(Vp<V<Vv ，此Vv 为谷底电压)，p 型边尚未被占据的可用能态减少，电 I 流因此变小。最后，两边能带彼此没 V 0 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 图 将会开始流动(对V>Vv)。 7 . 4 典 型 隧 道 二 极 管 的 静 态 电 流 － 电 压 特 性 .
隧道二极管
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。图中最左边的图所显示的简并量qVp和qVn大约在50meV200meV。
V 0
V VP
n p n
VP V VV
p n p
P P V C V F n F P C V V
电流-电压特性的实验式为
I I V
p
I (峰 ) IP
Vp
V qV 1 I exp exp 0 Vp kT
I
(谷 )
式中第一项为隧穿电流，Ip和Vp各自 是峰值电流和峰值电压，第二项为一 般热电流。

p

n
n



p

N1
N2
n



n p



N1
图(b)显示一高掺杂N1 区 域，紧接一个较低掺杂N2 区 N 域的高-低(hi-lo)结构。随着适 p n 当地选择掺杂浓度和它的宽 度b，雪崩区域可以被限制在 ND N1区域内。图(c)是一个低-高低(lo-hi-lo)结构，在此结构中 x 0 W ，有一“团”施主被放置在 x=b处。因为在x=0到x=b之间 E ，存在一个近似均匀的强电 场区域，击穿区域相当于b， Em 且其最大电场远小于单纯的 高-低结构。
EC
V x (a )
b
c a
E EC
电子
V
B
d
Vac
x (b ) 0

2 (e)
3
4
t
E EC
电子
I 注入的
x (c ) 外部的
E EC
I0
电子 0 x (d )

2 (f )
3
4
t
图 7 .7
IM P A T T 二 极 管 在 四 个 时 间 间 隔 （ a ） 到 （ d ） 的 交 流 循 环 下 ， 其 场 分 布 与 产 生 的 载 流 子 浓 度 ， （ e ） 交 流 电 压 ， （ f） 注 入 和 外 部 电 流
对于特定形式的输运线，其特征阻抗是 导体几何尺寸(大小、间距)及两导体间绝缘介 质介电常数的函数。

a
2 d
(a ) 共 振 器 形 状
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。 2 然而，在毫米波和较高频率时，共振时的LC值在实际应用上是很小的， 因此必须使用可以产生共振的其他方法。一个普通的解决方法是共振腔 ，也称作是调谐腔。
x 0 xA W
N2
n
N
N
p

n N1 N2

p

n n


N1
x 0
N2
x
b
W
0
b
W
E
E
Em
E1 ( x ) Em E2 (x) E2 (x)
x 0 xA W 0 xA W x
(a ) 单 边 突 变 p－ n结
(b ) 高 － 低 结 构
(c ) 低 － 高 － 低 结 构
图 7. 6
三 个 单 漂 移 （ s in g le -d rift） IM P A T T 二 极 管 的 掺 杂 浓 度 分 布 与 雪 崩 击 穿 时 的 电 场 分 布
几种常见器件结构：
碰撞电离雪崩渡越时间二极管家 族包括很多不同的p-n结和金属-半导 体器件。第一个IMPATT震荡是从固 定微波腔里的简单p-n结二极管加以 反向偏压使其雪崩击穿而得到的。

p

n
n

N
p
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n

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碰撞电离雪崩渡越时间二极管

p

n
n



p

右图显示掺杂分布 和一个单边突变 p-n结在 雪崩击穿时的电场分布。 由于电场对电离率有很强 的影响，因此大部分的击 穿倍增过程发生在0和xA 之间的最大电场附近的狭 窄区域(斜阴影面积)。xA 是雪崩区域的宽度，在这 宽度内有超过95％的电离 发生。
N1
N
N
p

n

p

N1 ND
微波二极管、量子效应和热电子器件 5
基本微波技术
共振腔体内的共振模式发生在沿着z轴方向长度d为半波长时的频率。 对于腔体内的模式，是以字母数字组合Txm,n,p来代表，其中x对主模式是电 场时为E，是磁场时为M；m是a在尺寸方向半波长的个数；n是在b尺寸方 向半波长的个数；p是在d尺寸方向半波长的个数。对于腔体的共振频率， 与模式有关的方程式为
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碰撞电离雪崩渡越时间二极管
动态特性
E
以低-高-低结构为例 讨论IMPATT二极管的注入 延迟和渡越时间效应。当 器件加上一个反向直流电 压VB ，使其刚好达到雪崩 时的临界电场Ec[图(a)]，此 时雪崩倍增将会开始。在 t=0时，一个交流电压叠加 在此直流电压上面，如图 (e)中所示。产生在雪崩区 域的空穴移到p+ 区域而电 子则进入漂移区域。
8
隧道二极管
当外加正向偏压时，在n型边存在一被占据的能态带，且在p型边存在 p n p n p n p E 一对应的、但未被占据的可用能态带。因此电子可从n型边被占据的能态 E qV E E 带隧穿到p型边未被占据的可用能态带。 E qV
C V F n F P C
V 0
V VP
VP V VV
图 7. 4
IV
IV
0
VP
V
VV
V
典型隧道二极管的静态电流－电压特性. 和 VV
IP
和 VP 各 为 峰 值 电 流 与 峰 值
各为谷底电压. 上图显示不同电压下的器件能带
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碰撞电离雪崩渡越时间二极管
碰撞电离雪崩渡越时间(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。弱点：因雪崩倍增过程的不规律变动所引起的噪声甚高。
V 0
V VP
n p n
VP V VV
p n p
V VV
n
EC EV EF
p
qVn qVP EF EC EV
隧道二极管是由一简单 的p-n结所组成，而且p型和 n型都是重掺杂半导体。下 图显示在四个不同电压条件 下，隧道二极管的典型静态 电流-电压特性。此电流-电 压特性是由隧穿电流与热电 流两个成分所合成的结果。
Z0
R j百度文库L G j C

其中R是单位长度电阻，G是单位长度电导，L 是单位长度电 感，C是单位长度电容，w是角频率。
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基本微波技术
在微波电路中；相对于电抗，电阻是非 常小的，因此前式可简化成
Z0 L
z
C
b
现代半导体器 件物理与工艺
Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices
微波二极管、量子效应和热 电子器件
2004,7,30
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微波二极管、量子效应和热电子器件 1
本章内容

基本微波技术 隧道二极管 碰撞电离雪崩渡越时间二极管 转移电子器件 量子效应器件 热电子器件
P V P
(谷 )
V
VV
V
IP
和 VP 各 为 峰 值 电 流 与 峰 值
IV
和
VV
各为谷底电压. 上图显示不同电压下的器件能带
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隧道二极管
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 V 0 流Ip，随着更进一步地增加电压，电流开始减少；当V=Vp+VnV时，电流减 V V V V V V p n p n p n p 至一最小值。如图，在达到峰值电流后减少的部分是负微分电阻区。峰值 E E qV 电流Ip与谷底电流Iv之值决定负电阻的大小。因此，Ip/Iv之比被当作是衡量 E E E qV 隧道二极管好坏的一个指标。 E
V VV
n
EC EV EF
p
qVn qVP EF EC EV
I (峰 ) IP
I
(谷 ) IV
0 V
VP
V
VV
图 7. 4
典型隧道二极管的静态电流－电压特性.
IV
IP
和 VP 各 为 峰 值 电 流 与 峰 值 电 压 .
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和
VV
各 为 谷 底 电 压 . 现代半导体器件物理 器 件 能 带 上图显示不同电压下的 微波二极管、量子效应和热电子器件
x 0 W 0
b
E
E
Em
Em
E1 ( x

x 0 xA W 0 xA
(a ) 单 边 突 变 p－ n结
(b ) 高 －
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图 7. 6
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三 个 单 漂 移 （ s in g le -d rift） IM P A T T
碰撞电离雪崩渡越时间二极管
fr 1 2 m n p a b d
2 2 2
或

fr
c 2
m n p a b d
2
2
2
其中μ和ε 是腔体内材料的磁导率和介 电常数。且真空下
c 1/
0 0
z b

c是真空中的光速．
a
2 d
(a ) 共 振 器 形 状

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2 微波二极管、量子效应和热电子器件 6
隧道二极管
隧道二极管
隧道二极管与量子隧穿现象息息相关，因为穿越器件的隧穿时间非常短 ，故可应用于毫米波区域，且因为隧道二极管为相当成熟的技术，因此常被 应用于特定的低功率微波器件，如局部震荡器和锁频电路
I (峰 ) IP
I
(谷 ) IV
0 V
VP
V
VV
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图 7. 4
IV 现代半导体器件物理 压 . 上 图 显 示 不 同 电 压 下 的 器 件 能 带 微波二极管、量子效应和热电子器件 7 和 VV 各 为 谷 底 电
典型隧道二极管的静态电流－电压特性.
IP
和 VP 各 为 峰 值 电 流 与 峰 值 电 压 .
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基本微波技术
微波频率涵盖约从0.1GHz到3000GHz，相当于波长从 300cm到0.01cm。 一般电子部件在微波频率与其在较低频率的工作行为是 不同的。在微波频率时，需将分布效应列入考虑，因为在这 些频率，波长约与部件的实际大小相当。例如，在微波频率 下，一个薄膜电阻器看起来像一个具有连续L、C和不同R值 的复杂RLC电路。这些分布式部件，虽然在较低频率下可以 忽视，但在微波频率下却有极大的重要性。在微波频率，电 容与电感常被看作为输运线的一部分。输运线也常被用作微 波电路的互连线。输运线实际上是一个由电阻、电容、电感 三种等效基本电路部件所组成的复杂网络。平面输运线是现 代微波电路技术的主流。此输运线由位于表面接地的薄膜介 电层衬底上的一个或多个平面导体所组成。
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 (c ) 电 场 成。它类似于两端被短路的波导部分，且可以入射能量进腔体或是从腔 图 案 (b ) 磁 场 图 案 体汲取能量。如图所示，腔体可以拥有横向电场(TE)和横向磁场(TM)两 图 7. 3 共振腔 种传输模式。
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微波二极管、量子效应和热电子器件 3
基本微波技术
下图显示好几个平面输运线基本的形式：微细长片、同 平面波导(CPW)细长线和悬吊衬底细长线(SSSL)。
(a ) 微细长片
(b) 平面波导(CPW)细长线
(c) 悬吊衬底细长线SSSL
图 7.2 平面运输线的基本形式 微细长片是输运线最常用的形式，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。这些输运线的特征阻抗Z0为