化合物半導(dǎo)體器件-第六章量子器件與熱電子器件

1、化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件Compound Semiconductor Devices微電子學(xué)院微電子學(xué)院戴顯英戴顯英2010.5化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 隧道二極管隧道二極管 共振隧道二極管共振隧道二極管 熱電子器件熱電子器件 第六章第六章 量子器件與熱電子器件量子器件與熱電子器件化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 量子效應(yīng)：量子效應(yīng)：如如CMOS器件，隨柵氧化層厚度的器件，隨柵氧化層厚度的減小，電子隧穿進(jìn)入氧化層，導(dǎo)致柵擊穿。減小，電子隧穿進(jìn)入氧化層，導(dǎo)致柵擊穿。 熱載流子效應(yīng)：熱載流子效應(yīng)：當(dāng)其能量達(dá)到或超過當(dāng)其能量達(dá)到或超過Si/SiO2 界

2、面勢(shì)壘時(shí)，熱載流子便會(huì)注入到界面勢(shì)壘時(shí)，熱載流子便會(huì)注入到SiO2層，產(chǎn)層，產(chǎn)生界面態(tài)、氧化層陷阱或被陷阱俘獲，使氧化生界面態(tài)、氧化層陷阱或被陷阱俘獲，使氧化層電荷增加或波動(dòng)不穩(wěn)層電荷增加或波動(dòng)不穩(wěn)。第六章第六章 量子器件與熱電子器件量子器件與熱電子器件 隧道二極管隧道二極管化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 6.1 隧道二極管隧道二極管6.1.1 隧穿系數(shù)隧穿系數(shù)T圖圖6.1 （a）一維勢(shì)壘，（）一維勢(shì)壘，（b）波函數(shù)穿過勢(shì)壘的示意圖）波函數(shù)穿過勢(shì)壘的示意圖 （a）（b）粒子通過一維勢(shì)阱的隧穿粒子通過一維勢(shì)阱的隧穿經(jīng)典理論：若能量小于勢(shì)壘高度，粒子總被反射回來。經(jīng)典理論：若能量小于勢(shì)壘高度，粒

3、子總被反射回來。量子理論：若能量小于勢(shì)壘高度，粒子以一定的幾率隧穿量子理論：若能量小于勢(shì)壘高度，粒子以一定的幾率隧穿過過 勢(shì)壘。勢(shì)壘。12sinh14bbqVdTE qVE2nbmqVE化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 6.1 隧道二極管隧道二極管圖6.3 隧道二極管的典型靜態(tài)電流電壓特性6.1.2 I-V特性特性三個(gè)電流分量：三個(gè)電流分量：1）帶間隧道電流（）帶間隧道電流（Band-to-Band tunneling current）2）過剩電流（）過剩電流（Excess current）3）熱電流（）熱電流（Thermal current）正向特性：負(fù)阻現(xiàn)象正向特性：負(fù)阻現(xiàn)象1）峰值電壓）

4、峰值電壓Vp處有峰值處有峰值 電流電流Ip；2）谷底電壓）谷底電壓Vv處有谷底處有谷底 電流電流Iv；反向特性：電流單調(diào)增加反向特性：電流單調(diào)增加化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 6.1 隧道二極管隧道二極管圖6.4 四種狀態(tài)下，隧道二極管的簡(jiǎn)化能帶圖。（a）未加偏置，未達(dá)到峰值電壓；（b）正向偏置，接近谷值電壓；（c）正向偏置，有熱電流流過；（d）反向偏置能帶圖能帶圖化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 隧道二極管隧道二極管 共振隧道二極管（共振隧道二極管（RTD） 熱電子器件熱電子器件 第六章第六章 量子器件與熱電子器件量子器件與熱電子器件化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 6.2 共振隧道二極

5、管共振隧道二極管6.2.1 諧振隧穿結(jié)構(gòu)諧振隧穿結(jié)構(gòu)圖6.6 有限深勢(shì)阱的隧穿效應(yīng) 雙異質(zhì)勢(shì)壘的共振隧穿機(jī)制（條件）：雙異質(zhì)勢(shì)壘的共振隧穿機(jī)制（條件）：1）約束粒子的勢(shì)壘寬度與）約束粒子的勢(shì)壘寬度與 德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)；德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)；2）約束勢(shì)壘高度有限。）約束勢(shì)壘高度有限。雙異質(zhì)勢(shì)壘結(jié)構(gòu)：雙異質(zhì)勢(shì)壘結(jié)構(gòu)：窄禁帶半導(dǎo)體夾在兩層寬禁帶半導(dǎo)體窄禁帶半導(dǎo)體夾在兩層寬禁帶半導(dǎo)體之間，形成一個(gè)量子阱和兩個(gè)勢(shì)壘。之間，形成一個(gè)量子阱和兩個(gè)勢(shì)壘。器件結(jié)構(gòu)：器件結(jié)構(gòu)：n+GaAs/AlAs/GaAs/AlAs/n+GaAs1）4個(gè)異質(zhì)結(jié)：個(gè)異質(zhì)結(jié)：2個(gè)勢(shì)壘，個(gè)勢(shì)壘，1個(gè)勢(shì)阱；個(gè)勢(shì)阱；2）兩端重?fù)诫s；）兩端重

6、摻雜；3）勢(shì)壘寬度）勢(shì)壘寬度LB=1.7nm， 勢(shì)阱寬度勢(shì)阱寬度LW=4.5nm。化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 6.2 共振隧道二極管共振隧道二極管)(a)(b1x2x3x4x1E2E3E4EE1CEx0EVV121041061081005 . 00 . 15 . 1WLBLBLeV/E穿透系數(shù)1x2x3x4x1E2E3E4EE1CEx0EVV121041061081005 . 00 . 15 . 1WLBLBLeV/E穿透系數(shù)圖 7. 13 (a) AlAs/GaAs/AlAs 雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)圖，其勢(shì)壘寬 2.5 nm ，而阱寬 7 nm；(b) 此結(jié)構(gòu)的隧穿系數(shù)與電子能量的關(guān)系圖圖6.8

7、（a）雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)及其分立能級(jí)（b）隧穿系數(shù)隨電子能量的變化關(guān)系 24ECnECT TT EETT諧振隧穿幾率：諧振隧穿幾率：若是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，則若是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，則TE=TC；當(dāng)入射電子的能量等于當(dāng)入射電子的能量等于勢(shì)阱中的分立能級(jí)勢(shì)阱中的分立能級(jí)En時(shí)，時(shí)，T=1；。；。能帶圖能帶圖電子能量與隧穿系數(shù)的電子能量與隧穿系數(shù)的關(guān)系關(guān)系-隧穿效應(yīng)隧穿效應(yīng)化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 6.2 共振隧道二極管共振隧道二極管6.2.2 I-V特性特性圖6.9 諧振隧道二極管的電流電壓關(guān)系曲線 負(fù)微分電阻特性負(fù)微分電阻特性化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 6.2 共振隧道二極管共振隧道二極管圖6.11 InA

8、s/AlSb/GaSb結(jié)構(gòu)的雙勢(shì)壘諧振帶間隧道二極管（a）熱平衡，（b）非熱平衡6.2.3 諧振帶間隧道二極管諧振帶間隧道二極管勢(shì)阱：勢(shì)阱：GaSb的價(jià)帶中的價(jià)帶中器件結(jié)構(gòu)：器件結(jié)構(gòu)：InAs/AlSb/GaSb/AlSb/InAs器件特點(diǎn)：谷底電流小器件特點(diǎn)：谷底電流小化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 隧道二極管隧道二極管 共振隧道二極管共振隧道二極管 熱電子器件熱電子器件 第六章第六章 量子器件與熱電子器件量子器件與熱電子器件化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 6.3 熱電子器件熱電子器件6.3.1 熱電子異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（熱電子異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（hot-electron HBT）圖6.12

9、 熱電子異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的能帶圖 1）器件結(jié)構(gòu)）器件結(jié)構(gòu)2）能帶圖）能帶圖3）載流子輸運(yùn)）載流子輸運(yùn)4）基區(qū)渡越）基區(qū)渡越5）器件特征）器件特征熱電子：熱電子：Hot-electron，動(dòng)能遠(yuǎn)大于，動(dòng)能遠(yuǎn)大于kT的電子。的電子。特征：其有效電子溫度特征：其有效電子溫度Te大于晶格溫度。大于晶格溫度。產(chǎn)生機(jī)制：器件尺寸縮小，導(dǎo)致內(nèi)部電場(chǎng)增大，使部分產(chǎn)生機(jī)制：器件尺寸縮小，導(dǎo)致內(nèi)部電場(chǎng)增大，使部分 電子處于高能狀態(tài)（遠(yuǎn)大于電子處于高能狀態(tài)（遠(yuǎn)大于kT）。）?；衔锇雽?dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 6.3 熱電子器件熱電子器件6.3.2 實(shí)空間轉(zhuǎn)移晶體管實(shí)空間轉(zhuǎn)移晶體管（real space transf

10、er transistor）1）熱電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象）熱電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象圖6.13 熱電子在實(shí)際空間中的轉(zhuǎn)移 化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 6.3 熱電子器件熱電子器件2）實(shí)空間轉(zhuǎn)移晶體管）實(shí)空間轉(zhuǎn)移晶體管-RSTT6.3.2實(shí)空間轉(zhuǎn)移晶體管實(shí)空間轉(zhuǎn)移晶體管（real space transfer transistor）圖6.21 三周期負(fù)阻振蕩器結(jié)構(gòu)（1）InGaAs/InAlAs體系體系（2）GaAs/AlGaAs體系體系 -（負(fù)阻場(chǎng)效應(yīng)晶體管）（負(fù)阻場(chǎng)效應(yīng)晶體管）化合物半導(dǎo)體器件化合物半導(dǎo)體器件 6.3 熱電子器件熱電子器件6.3.3 隧穿熱電子晶體管隧穿熱電子晶體管（Tunneling Hot Electron Transistor）圖6.21 單極THET的