PDF《半导体量子器件物理讲座》

1 厚的 垒 阱中电子 的寿命约为 对应的工作频率为 第二部 分为电子越过耗尽层的时间 约1)1因此 用共振隧穿二极管做成的振荡器可以工作在微波和 毫米波波段 图 是一个振荡器的器件结构≈ 其势垒为

1 的层势阱为

1 的层垒外区 域为 型层器件做成台面结构 台面直径约 Λ 在下它的电流电压特性曲线中的峰谷 比为

1 Β 它的等效电路如图 中的小图所示 其中Γ?表示双势垒结构的动态电导 Ρ 为串联电 阻 Χ为并联电容 整个器件的阻抗可写成 Ζ Ρ Γ ΠφΧ 它的实部为 Ζ Ρ Γ Γ ΠφΧ 很容易算得实部为负阻的条件是 φ φ ? ΠΧ Γ ? Ρ Γ ? 其中 Γ ?是负阻区域最大的负动态电导 当振荡频 率高于 φ ?时 振荡停止 实际测得这个振荡器的振 荡频率为 输出功率为 Π ? Λ? 共振隧穿二极管也可以用在直流电路中 这里 介绍一种由两个共振隧穿二极管组合在一起做成的 水平集成器件≈ 它的 Ι ? 特性曲线中可以有多 个共振峰 而且各峰对应的电流基本相同 图 中的 # # 物理 图 共振隧穿振荡器的器件结构 插图是这种集成二极管的等效电路 两个共振隧穿 二极管 ≥ 和≥并联 之间有一个电阻相连 此 电阻来自器件中两个隧穿二极管之间的未掺杂 层 在工作时 极接地 ≥ 之间加上正向电压 ?≥ 测量流过 ≥ 的电流 Ι≥ 随?≥ 的变化 而 之间 的电压 ? 用来作为可调参数 ? 可正可负 因为 Ι≥ 包括了两个隧穿二极管的电流 所以当 ? Ξ 时 二极管 ≥ 和≥在不同的电压下淬灭 Ι≥ ?≥ 特性曲线中出现二个峰 但峰值电流基本相同 图 用水平集成隧穿二极管做成的 倍频器的工作原理 插图是二极管的等效电路 图 是用集成二极管做成的倍频器的工作原 理 集成二极管的 Ι≥ ?≥ 特性曲线为双峰结构 选 择器件的静态工作点在特性曲线中的 Α 点 当输 入电压从 Α 点增加到 Β 点时 输出电流从 Α 点 增加到 Β 点 对应于 Ι≥ ?≥ 特性曲线中的 Α 点到Β点输入电压从 Β 点再增加一点点 由于负 阻效应 相应的工作点从特性曲线中的 Β 点落到 Βχ 点 输出电流也从 Β 减小到 Βχ 输入电压继续 增加到 Χ 点 输出电流也增加到 Χ 点 然后对应 于Ι≥ ?≥ 特性曲线中的第二个峰值 输出电流又一 次下降到 Χ χ 点 输入电压增加到最大值 Δ 点时 输出电流再一次增加到 Δ 点 然后输入电压突然 下降到初始值 器件工作点也回到 Α 点 相应的输 出电流也下降到低值 这样循环往复 在器件的输入 端输入一个锯齿波就可以在器件的输出端得到三个 锯齿波 即输出频率是输入频率的 倍 倍频 这 种倍频器最主要的特点是不管输入信号的频率多 高 都可以保持严格的 倍频 图 单异质结 双极晶体管 共振隧穿双极晶体管 共振隧穿双极晶体管 双势垒结构也可以与通常的双极晶体管结合起 来做成共振隧穿双极晶体管 通常的单异质结双极 晶体管如图 所示 它的发射极为 型 基极为 型层集电极为 型层在工作 时 发射结正向偏置 电子从发射极注入 由于基极 很薄 大部分注入的电子可以扩散到集电极 集电极 反向偏置 扩散过来的电子很快扫入集电极形成集 电极电流 共振隧穿双极晶体管是在通常的单异质 结晶体管的基极上做上双势垒 如图 所示 此 时隧穿条件的满足不是通过在双势垒两端加偏压 而是利用从发射极注入的电子本身携带的能量 当##卷年期共振条件满足时 发射极注入的电子可以越过基极 到达集电极 晶体管导通 集电极电流很大 当共振 条件不满足时 发射极注入的电子不能越过基极 晶 体管截止 集电极电流很小 共振 隧穿双极晶体管也有很多电路应用图为利用共振隧穿双极晶体管做成的多态记 忆器≈ 基极和集电极之间的电压 ? ≤ 为固定值 而 发射极和集电极之间的电压 ?≤∞ 可以改变 当注入 电子的能量满足共振条件时 晶体管导通 集电极电 流Ι≤ 很大 反之 晶体管截止 Ι≤ 很小 如果在双势 垒结构的势阱中有几个等间距的量子能级 则Ι≤ 出 现多次峰值 如图 中所示 接上外电路 ?≤≤ 和Ρ以后 负载线与 Ι≤ ?≤∞特性曲线交于 三 个稳定工作点 成为三态记忆器 通过瞬时加一电压 ? 可以使工作点在这三个点之间转换 图 给出了用几个共振隧穿双极晶体管组 成的模数转换器≈ 的电路图和工作原理 一个模拟 电压通过不同的分压网络加到各个晶体管上 每个 图 用共振隧穿双极晶体管做成的多态记忆器 用共振隧穿双极晶体管做成的模数转换器 晶体管均采用共发射极电路 其输入输出曲线都具 有多值特性 设晶体管 ± 上的基极电压沿图 中的 ? 线变化 晶体管 ± 上的基极电压沿 ? 线 变化 根据图中所示的 ? ? 关系 当??时??±和±管均截止 输出均是高电平 记作 而当 ? ? 时±管未达共振 输出仍是 高电平 ± 管已达共振 输出为低电平 记作 ? ? 时正好相反 ± 管共振 输出为 ± 管截 止 输出为 当??时±和±管均共振 输出 均为 这样 随着模拟电压 ? 的变化 可以在 ± 或±管的输出端得到数字输出 如图 中的真 值表所示 结束语 在量子力学的观点下 能.