微波二极管量子效应和热电子器

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1、微波二极管、量子效应和热电子器件现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30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

2、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。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)。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。微细长片是输运线最常用的形式，同平面波导的损

3、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。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。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。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成。它类似于两端被短路的波导部分，且可以入射能量进

4、腔体或是从腔体汲取能量。如图所示，腔体可以拥有横向电场(TE)和横向磁场(TM)两种传输模式。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是真空中的光速．基本微波技术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

5、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。隧道二极管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50meV-200meV。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

6、，且在p型边存在一对应的、但未被占据的可用能态带。因此电子可从n型边被占据的能态带隧穿到p型边未被占据的可用能态带。当供给电压大约是(Vp+Vn)/3时，隧穿电流达到其峰值Ip,此时对应的电压称作峰值电压Vp。当正向偏压持续增加(VpVv)。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流Ip，随着更进一步地增加电压，电流开始减少；当V=Vp+Vn时，电流减至一最小

7、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之比被当作是衡量隧道二极管好坏的一个指标。电流-电压特性的实验式为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。隧道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