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S

2、i/SiO2 界面勢壘時，熱載流子便會注入到界面勢壘時，熱載流子便會注入到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 層電荷增加或波動不穩(wěn)層電荷增加或波動不穩(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）一維勢壘，（）一維勢壘，（b）波函數(shù)穿過勢壘的示意圖）波函數(shù)穿過勢壘的示意圖 （a） （b） 粒子通過一維勢阱的隧穿粒子通過一維勢阱的隧穿 經(jīng)典理論：若能量小于勢壘高度，粒子總被反射回來

3、。經(jīng)典理論：若能量小于勢壘高度，粒子總被反射回來。 量子理論：若能量小于勢壘高度，粒子以一定的幾率隧穿量子理論：若能量小于勢壘高度，粒子以一定的幾率隧穿 過過 勢壘。勢壘。 1 2 sinh 1 4 b b qVd T E qVE 2 nb mqVE 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 三個電流分量：三個電流分量： 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（Th

4、ermal 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）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

5、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 有限深勢阱的隧穿效應(yīng) 雙異質(zhì)勢壘的共振隧穿機(jī)制（條件）：雙異質(zhì)勢壘的共振隧穿機(jī)制（條件）： 1）約束粒子的勢壘寬度與）約束粒子的勢壘寬度與 德布羅意波長相當(dāng)；德布羅意波長相當(dāng)； 2）約束勢壘高度有限。）約束勢壘高度有限。 雙異質(zhì)勢壘結(jié)構(gòu)：雙異質(zhì)勢壘結(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，形成一個量子阱和兩個勢壘。之間，形成一個量子阱和兩個勢壘。 器件結(jié)構(gòu)：器件結(jié)構(gòu)：n+GaAs/AlAs/G

6、aAs/AlAs/n+GaAs 1）4個異質(zhì)結(jié)：個異質(zhì)結(jié)：2個勢壘，個勢壘，1個勢阱；個勢阱； 2）兩端重?fù)诫s；）兩端重?fù)诫s； 3）勢壘寬度）勢壘寬度LB=1.7nm， 勢阱寬度勢阱寬度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 )(b 1 x 2 x 3 x 4 x 1 E 2 E 3 E 4 E E 1C E x 0 E VV 1 2 10 4 10 6 10 8 10 0 5 . 0 0 . 1 5 . 1 W L B L B L eV/E 穿透系數(shù) 1 x 2 x 3 x 4 x 1 E 2 E 3 E 4 E E 1C E x

7、0 E VV 1 2 10 4 10 6 10 8 10 0 5 . 0 0 . 1 5 . 1 W L B L B L eV/E 穿透系數(shù) 圖 7. 13 (a) AlAs/GaAs/AlAs 雙勢壘結(jié)構(gòu)圖，其勢壘寬 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 （a）雙勢壘結(jié)構(gòu)及其分立能級 （b）隧穿系數(shù)隨電子能量的變化關(guān)系 2 4 EC n EC T T T EE TT 諧振隧穿幾率：諧振隧穿幾率： 若是對稱結(jié)構(gòu)，則若是對稱結(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 勢阱中的分立能級勢阱中的分立能級En時，時， T=1；。；

8、。 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 InAs/AlSb/GaSb結(jié)構(gòu)的雙勢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 勢阱：勢阱：GaSb的價帶中的價帶中 器件結(jié)構(gòu)：器件結(jié)構(gòu)：InAs/AlSb/GaSb/AlSb/InAs 器件特

9、點：谷底電流小器件特點：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 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）載流子輸運 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，動能遠(yuǎn)大于，動能遠(yuǎn)大于kT的電子。

10、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）。）。 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 6.3.2 實空間轉(zhuǎn)移晶體管實空間轉(zhuǎn)移晶體管 （real space transfer 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）實空間轉(zhuǎn)移晶體管）實空間轉(zhuǎn)移晶體管-RSTT 6.3.2實空間轉(zhuǎn)移晶體管實空間轉(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)阻場效應(yīng)晶體管）（負(fù)阻場效應(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TH