半导体器件知多少（17）－－－转移电子器件

        “转移电子器件”（TED）就是众所周知的耿氏二极管，它是1－100GHz范围内最有用的微波器件之一，主要把它用于微波产生（如转移电子振荡器，TEO）和放大（转移电子放大器，TEA）。TED具有压控负微分电阻（N型），而且其独特之处在于它取决于本体材料特性而不是结或界面。1961年里德利（Ridley）和沃特金斯（Watkins）及1962年希尔森（Hilsum）都从理论上提出了其基本机理（“电子转移效应”）。1963年耿氏采用GaAs独自观测到第一次转移电子振荡。因此，转移电子效应也称为“里德利-沃特金斯-希尔森效应”，有时又称为“耿氏效应”。克罗默（Kromer）首先指出，所观测到的振荡实际上是由于转移电子效应引起。1965年，赫特森（Hutson）等人通过观测施加压力对振荡的影响提出了这种相互关系的有力证据。

转移电子器件的特点之一是结构简单，制作相对便宜。虽然其它材料如Ge、CdTe、InAs、InSb等已得到应用，但是最通用的TED材料却是GaAs和InP。该器件仅仅是一种有n^＋接触的n型条。n型材料是强制性的，因为转移电子效应只应用于电子。通常，在制作工艺中，是将外延层生长在简并的n^＋衬底上。有源层厚度范围在几微米到数百微米，掺杂浓度在10¹⁴cm^－3到10¹⁶cm^－3之间。其中有两种严格要求，即材料必须为高质量（无缺陷），掺杂浓度必须非常均匀。顶部n^＋层，可以采用外延淀积得到，或利用离子注入或扩散进行掺杂。在应用中，通常将样品切成小片用作分立器件，有时在腐蚀出槽以后才进行分片。在高功率工作中，散热是关键，常常将TED颠倒过来安装在散热器上，以便热的有效转移。在其它结构中，可以使用平面技术在半绝缘衬底上制作横向器件。在该情况下，n型有源区是外延生长在高阻材料上，而n^＋接触是通 过掩蔽的离子注入进行掺杂。

通过漂移过程的标准载流子传输中，低电场下其迁移率为比例常数时，载流子速率正比于电场，并随电场的提高而饱和。这种关系是单调的，而且没有负阻。在有些半导体中，导带有多个谷。在低电场下，多数电子处于中心谷。然而，在较高电场下，电子增加足够的势能，以便逐步上升到卫星谷。如果卫星谷中的载流子具有很低的迁移率和饱和速率，那么就可实现载流子速率（电流）和电场（电压）之间的有益关系，从而产生负微分电阻。

        TED的工作总是依赖于转移电子效应。其I-V特性表示由负迁移率产生负微分电阻的区域，因为电压的增加引起电流的减小。在放大和振荡电路中引入TED，可以利用这些最终I-V特性。但是，在最实际的TED应用中，转移电子效应的性质是关键。了解这种内部机理，是区分TED与具有负微分电阻的其它器件的重要基础。

    当TED被偏置在负阻区域时，空间电荷和电场分布变得很不稳定。这是TED的独特特点，因为其它负阻器件很稳定，但是当与有些电路结构连接时能够是表面上不稳定。TED的这种不稳定性，起因于过量的电子（负电荷）和耗尽电子（正电荷）构成的偶极子。偶极子可能由许多可能性产生，如掺杂不均一性、材料缺陷或随机噪声。这种偶极子对该位置的电子建立较高的电场。这种较高电场将使电子减速到相当于静止状态。因此，过剩电子的区域将扩大，因为沿路的电子正以较高的速率到来。出于同样的原因，耗尽电子的区域（正电荷）也会扩展，因为稍在前面的电子将以较高的速率离去。

    在负迁移率（µ）下，偶极子按指数式增加。

    由于偶极子增加，在该位置的电场也增加，但是只发生在其它各处电场有损失之处。当偶极子外的电场减小到被称为“维持电场”的一定值时，在偶极子内外的电子速率是相同的，而且等于饱和速率。在该点，偶极子停止增加，表示已充分发展到一个磁畴，通常保持在阴极附近。在任何特定时间，由于需要高电场来把速率驱动到υ_sat，所以只有一个磁畴能存在。

    TED可以工作在许多模式下，取决于频率和电场，其中两种模式主要由外部谐振电路和施加电压控制。其工作模式有渡越时间模式、延迟模式、猝熄模式和有限空间电荷积累（LSA）模式。

1.  渡越时间（耿氏）模式：因为该名字意味着这种模式是以渡越时间频率υ_sat/L工作。可以把它进一步分成渡越时间偶极子层模式和渡越时间积累层模式。后一种模式的差别是，只形成积累层，没有耗尽层或偶极子。偶极子形成的判断标准是，分析式中渡越时间大于τ_d，致使磁畴有足够时间充分发展到成熟状况。