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江崎二極體的基礎知識講解


雲漢芯城IC江崎二極體,又稱隧道二極體、穿隧效應二極體、穿隧二極體、透納二極體,是一種可以高速切換的半導體,其切換速度可到達微波頻率的範圍,...

- 2019年4月29日10時59分
- 科學文摘 / 雲漢芯城ICkey

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江崎二極體,又稱隧道二極體、穿隧效應二極體、穿隧二極體、透納二極體,是一種可以高速切換的半導體,其切換速度可到達微波頻率的範圍,其原理是利用量子穿隧效應。它是以隧道效應電流為主要電流分量的晶體二極體。江崎二極體是採用砷化鎵(GaAs)和銻化鎵(GaSb)等材料混合製成的半導體二極體,其優點是開關特性好,速度快、工作頻率高;缺點是熱穩定性較差。一般應用於某些開關電路或高頻振蕩等電路中。

隧道二極體是江崎玲於奈1958年8月時發明的,當時他在東京通訊工業株式會社(索尼)。1973年時江崎玲於奈和布賴恩·約瑟夫森因為發現上述半導體中的量子穿隧效應而獲得諾貝爾物理獎。羅伯特·諾伊斯在為威廉·肖克利工作時也有有關隧道二極體的想法,但沒有繼續進行研究。


此種二極體是由高摻雜的PN接面所形成(空乏區通常只有10奈米寬),常用的材料包括鍺、砷化鎵等窄能隙的材料,由於高摻雜會產生晶格的破壞,使得能隙間的缺陷變多,加上窄能隙材料縮小量子穿隧的障礙,所以能夠增加量子穿隧的電流。隧道二極體常用於頻率轉換器和偵測器上,由於隧道二極體的負微分電阻的特性,其也可應用於振蕩器、放大器以及開關電路的遲滯。

江崎二極體的工作符合發生隧道效應具備的三個條件:

(1)費米能級位於導帶和滿帶內;

(2)空間電荷層寬度必須很窄(0.01微米以下);

(3)簡併半導體P型區和N型區中的空穴和電子在同一能級上有交疊的可能性。

江崎二極體為雙端子有源器件。其主要參數有峰谷電流比(IP/PV),其中,下標「P」代表「峰」;而下標「V」代表「谷」。簡單地說,所謂「隧道效應」就是指粒子通過一個勢能大於總能量的有限區域。這是一種量子力學現象, 按照經典力學是不可能出現的。江崎二極體可以被應用於低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中(其工作頻率可達毫米波段),也可以被應用於高速開關電路中。


隧道過程的定性分析

江崎二極體PN結兩側均為摻雜濃度高達 圖 的簡併半導體。二極體的伏安特性曲線如下圖1所示,利用簡併半導體PN結的能帶圖可定性說明江崎二極體的特性。

由於PN結兩側高摻雜,費米能級都進入各自能帶中,平衡時具有統一費米能級,則江崎二極體PN結的勢壘區能帶傾斜比普通PN結更為嚴重,勢壘區厚度較薄,平衡時能帶如下圖2(a)所示,由於費米能級以上為空態,費米能級以下狀態都被電子填滿,則此時沒有隧道電流。只有在外加電壓作用下,P區和N區的費米能級發生移動,載流子發生運動才有可能形成電流。圖2(b)為PN結反偏時能帶圖。反偏使P區費米能級相對N區費米能級向上移動,使P區EFP以下一部分電子態與N區EFN以上部分空態處於相同能量水平,則有P區的電子通過勢壘「隧道」穿越到N區,形成反向隧道電流。對應於圖1中1點。

圖2(c)~(g)為PN結正向偏置時的能帶圖。隨著正向偏壓增加,EFN相對於EFP向上移動,對應於圖2(c),EFN以下部分電子與EFP以上部分空態處於相同能量,則有N區電子穿過隧道到達P區形成正向隧道電流,對應於圖1中2點。正向偏壓增加,EFN相對於EFP向上移動,N區導帶電子態與P區價帶空態重疊更多,正向隧道電流增大,當能帶重疊最多時,穿過隧道的載流子數達到攝大,正向隧道電流達到極大值,對應於圖2(d)和圖1中3點。正向電壓進一步增加,相對EFP,EFN更往上移,但N區電子態與P區空態重疊部分逐漸減小,穿過隧道的N區電子數減小,正向隧道電流減小,對應圖2(e)和圖1中4點。當正向偏壓增加使EFN向上移到N區的電子態與P區空態不發生重疊時,正向隧道電流降到最小值,對應圖2(f)和圖1中5點。當正向電壓進一步增大時,則出現正常的PN結注入電流,其隨外加電壓指數增加,對應於圖2(g)和圖1中6點。

可見江崎二極體伏安特性曲線有兩個正斜率區和一個負斜率區。從3點到5點範圍,隨正向電壓增加,電流減小,出現負阻特性。在一定的電流範圍內,電壓是電流的多值函數。

特點及應用

江崎二極體的主要特點是它的正向電流—電壓特性具有負阻(見上圖)。這種負阻是基於電子的量子力學隧道效應,所以江崎二極體開關速度達皮秒量級,工作頻率高達100吉赫。江崎二極體還具有小功耗和低噪聲等特點。江崎二極體可用於微波混頻、檢波(這時應適當減輕摻雜,製成反向二極體),低噪聲放大、振蕩等。由於功耗小,所以適用於衛星微波設備。還可用於超高速開關邏輯電路、觸發器和存儲電路等。


研究不同半導體材料製成的江崎二極體的基本特性,還能深入了解半導體中的能帶結構和一些與量子力學有關的物理問題。

量子隧穿效應

在量子力學裡,量子隧穿效應(Quantum tunnelling effect)指的是,像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢壘的量子行為,儘管位勢壘的高度大於粒子的總能量。在經典力學裡,這是不可能發生的,但使用量子力學理論卻可以給出合理解釋。

量子隧穿效應是太陽核聚變所倚賴的機制。量子隧穿效應限制了太陽燃燒的速率,是太陽聚變循環的瓶頸,因此維持太陽的長久壽命。許多現代器件的運作都倚賴這效應,例如,隧道二極體、場致發射、約瑟夫森結、磁隧道結等等。掃描隧道顯微鏡、原子鐘也應用到量子隧穿效應。量子隧穿理論也被應用在半導體物理學、超導體物理學等其它領域。

至2017年為止,由於對於量子隧穿效應在半導體、超導體等領域的研究或應用,已有5位物理學者獲得諾貝爾物理學獎。

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