化合物半导体器件-第六章 量子器件与热电子器件

1、化合物半导体器件化合物半导体器件化合物半导体器件化合物半导体器件Compound Semiconductor Devices微电子学院微电子学院戴显英戴显英2010.5化合物半导体器件化合物半导体器件 隧道二极管隧道二极管 共振隧道二极管共振隧道二极管 热电子器件热电子器件 第六章第六章 量子器件与热电子器件量子器件与热电子器件化合物半导体器件化合物半导体器件 量子效应：量子效应：如如CMOS器件，随栅氧化层厚度的器件，随栅氧化层厚度的减小，电子隧穿进入氧化层，导致栅击穿。减小，电子隧穿进入氧化层，导致栅击穿。 热载流子效应：热载流子效应：当其能量达到或超过当其能量达到或超过Si/SiO2 界

2、面势垒时，热载流子便会注入到界面势垒时，热载流子便会注入到SiO2层，产层，产生界面态、氧化层陷阱或被陷阱俘获，使氧化生界面态、氧化层陷阱或被陷阱俘获，使氧化层电荷增加或波动不稳层电荷增加或波动不稳。第六章第六章 量子器件与热电子器件量子器件与热电子器件 隧道二极管隧道二极管化合物半导体器件化合物半导体器件 6.1 隧道二极管隧道二极管6.1.1 隧穿系数隧穿系数T图图6.1 （a）一维势垒，（）一维势垒，（b）波函数穿过势垒的示意图）波函数穿过势垒的示意图 （a）（b）粒子通过一维势阱的隧穿粒子通过一维势阱的隧穿经典理论：若能量小于势垒高度，粒子总被反射回来。经典理论：若能量小于势垒高度，粒

3、子总被反射回来。量子理论：若能量小于势垒高度，粒子以一定的几率隧穿量子理论：若能量小于势垒高度，粒子以一定的几率隧穿过过 势垒。势垒。12sinh14bbqVdTE qVE2nbmqVE化合物半导体器件化合物半导体器件 6.1 隧道二极管隧道二极管图6.3 隧道二极管的典型静态电流电压特性6.1.2 I-V特性特性三个电流分量：三个电流分量：1）带间隧道电流（）带间隧道电流（Band-to-Band tunneling current）2）过剩电流（）过剩电流（Excess current）3）热电流（）热电流（Thermal current）正向特性：负阻现象正向特性：负阻现象1）峰值电压）

4、峰值电压Vp处有峰值处有峰值 电流电流Ip；2）谷底电压）谷底电压Vv处有谷底处有谷底 电流电流Iv；反向特性：电流单调增加反向特性：电流单调增加化合物半导体器件化合物半导体器件 6.1 隧道二极管隧道二极管图6.4 四种状态下，隧道二极管的简化能带图。（a）未加偏置，未达到峰值电压；（b）正向偏置，接近谷值电压；（c）正向偏置，有热电流流过；（d）反向偏置能带图能带图化合物半导体器件化合物半导体器件 隧道二极管隧道二极管 共振隧道二极管（共振隧道二极管（RTD） 热电子器件热电子器件 第六章第六章 量子器件与热电子器件量子器件与热电子器件化合物半导体器件化合物半导体器件 6.2 共振隧道二极

5、管共振隧道二极管6.2.1 谐振隧穿结构谐振隧穿结构图6.6 有限深势阱的隧穿效应 双异质势垒的共振隧穿机制（条件）：双异质势垒的共振隧穿机制（条件）：1）约束粒子的势垒宽度与）约束粒子的势垒宽度与 德布罗意波长相当；德布罗意波长相当；2）约束势垒高度有限。）约束势垒高度有限。双异质势垒结构：双异质势垒结构：窄禁带半导体夹在两层宽禁带半导体窄禁带半导体夹在两层宽禁带半导体之间，形成一个量子阱和两个势垒。之间，形成一个量子阱和两个势垒。器件结构：器件结构：n+GaAs/AlAs/GaAs/AlAs/n+GaAs1）4个异质结：个异质结：2个势垒，个势垒，1个势阱；个势阱；2）两端重掺杂；）两端重

6、掺杂；3）势垒宽度）势垒宽度LB=1.7nm， 势阱宽度势阱宽度LW=4.5nm。化合物半导体器件化合物半导体器件 6.2 共振隧道二极管共振隧道二极管)(a)(b1x2x3x4x1E2E3E4EE1CEx0EVV121041061081005 . 00 . 15 . 1WLBLBLeV/E穿透系数1x2x3x4x1E2E3E4EE1CEx0EVV121041061081005 . 00 . 15 . 1WLBLBLeV/E穿透系数图 7. 13 (a) AlAs/GaAs/AlAs 双势垒结构图，其势垒宽 2.5 nm ，而阱宽 7 nm；(b) 此结构的隧穿系数与电子能量的关系图图6.8

7、（a）双势垒结构及其分立能级（b）隧穿系数随电子能量的变化关系 24ECnECT TT EETT谐振隧穿几率：谐振隧穿几率：若是对称结构，则若是对称结构，则TE=TC；当入射电子的能量等于当入射电子的能量等于势阱中的分立能级势阱中的分立能级En时，时，T=1；。；。能带图能带图电子能量与隧穿系数的电子能量与隧穿系数的关系关系-隧穿效应隧穿效应化合物半导体器件化合物半导体器件 6.2 共振隧道二极管共振隧道二极管6.2.2 I-V特性特性图6.9 谐振隧道二极管的电流电压关系曲线 负微分电阻特性负微分电阻特性化合物半导体器件化合物半导体器件 6.2 共振隧道二极管共振隧道二极管图6.11 InA

8、s/AlSb/GaSb结构的双势垒谐振带间隧道二极管（a）热平衡，（b）非热平衡6.2.3 谐振带间隧道二极管谐振带间隧道二极管势阱：势阱：GaSb的价带中的价带中器件结构：器件结构：InAs/AlSb/GaSb/AlSb/InAs器件特点：谷底电流小器件特点：谷底电流小化合物半导体器件化合物半导体器件 隧道二极管隧道二极管 共振隧道二极管共振隧道二极管 热电子器件热电子器件 第六章第六章 量子器件与热电子器件量子器件与热电子器件化合物半导体器件化合物半导体器件 6.3 热电子器件热电子器件6.3.1 热电子异质结双极晶体管（热电子异质结双极晶体管（hot-electron HBT）图6.12

9、 热电子异质结双极晶体管的能带图 1）器件结构）器件结构2）能带图）能带图3）载流子输运）载流子输运4）基区渡越）基区渡越5）器件特征）器件特征热电子：热电子：Hot-electron，动能远大于，动能远大于kT的电子。的电子。特征：其有效电子温度特征：其有效电子温度Te大于晶格温度。大于晶格温度。产生机制：器件尺寸缩小，导致内部电场增大，使部分产生机制：器件尺寸缩小，导致内部电场增大，使部分 电子处于高能状态（远大于电子处于高能状态（远大于kT）。）。化合物半导体器件化合物半导体器件 6.3 热电子器件热电子器件6.3.2 实空间转移晶体管实空间转移晶体管（real space transf

10、er transistor）1）热电子转移现象）热电子转移现象图6.13 热电子在实际空间中的转移 化合物半导体器件化合物半导体器件 6.3 热电子器件热电子器件2）实空间转移晶体管）实空间转移晶体管-RSTT6.3.2实空间转移晶体管实空间转移晶体管（real space transfer transistor）图6.21 三周期负阻振荡器结构（1）InGaAs/InAlAs体系体系（2）GaAs/AlGaAs体系体系 -（负阻场效应晶体管）（负阻场效应晶体管）化合物半导体器件化合物半导体器件 6.3 热电子器件热电子器件6.3.3 隧穿热电子晶体管隧穿热电子晶体管（Tunneling Hot Electron Transistor）图6.21 单极THET的