2.6雪崩二極管

雪崩二極管是碰撞雪崩渡越時(shí)間二極管（IMPATT二極管),它利用管內(nèi)雪崩電流滯后效應(yīng)和渡越時(shí)間效應(yīng)使其對(duì)外呈現(xiàn)負(fù)阻，它是構(gòu)成微波固態(tài)振蕩器和功率放大器的重要核心元件，尤其是在毫米波波段更是占據(jù)主導(dǎo)地位。1958年,貝爾實(shí)驗(yàn)室的里德,提出最初理論；1965年，首次報(bào)道了實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

2.6.1結(jié)構(gòu)

N+PIP+里德二極管模型及反偏電場(chǎng)分布

最初的里德雪崩二極管模型采用了N＋PIP＋結(jié)構(gòu)，目前廣泛采用的其它結(jié)構(gòu)形式還有P+NN+、N+PP+、P+NIN+和P+PNN+（稱為雙漂移區(qū)結(jié)構(gòu)）等類型。雪崩二極管

2.6.2工作原理及特性參量

僅以里德提出雪崩管負(fù)阻效應(yīng)時(shí)的基本N＋PIP＋結(jié)構(gòu)為例討論

雪崩管的特性及工作原理，其它結(jié)構(gòu)是完全類似的。1.雪崩管特性N+PIP+里德二極管模型及反偏電場(chǎng)分布

當(dāng)兩端加上反向偏壓時(shí)，對(duì)于重?fù)诫s的N+和P+區(qū)，由于其電阻很低，電場(chǎng)強(qiáng)度幾乎為零；在本征半導(dǎo)體I層內(nèi)，電場(chǎng)均勻分布，大致為一常數(shù)，其值大于重?fù)诫s區(qū)；對(duì)于N+P結(jié)，由于處于反偏狀態(tài)，因此該處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，空間電荷區(qū)主要處在P區(qū)。當(dāng)反偏壓不斷增大時(shí)，此電場(chǎng)分布曲線將整體上移，同時(shí)空間電荷區(qū)將展寬到占滿全部P區(qū)。雪崩二極管

當(dāng)反偏壓增加到某一數(shù)值時(shí)，將使得N+P結(jié)處的電場(chǎng)強(qiáng)度首先達(dá)到擊穿電場(chǎng)（，不同材料有所不同）發(fā)生雪崩擊穿，迅速產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，稱這時(shí)的電壓為二極管的雪崩擊穿電壓，其值約在20～100左右。在穩(wěn)定的雪崩擊穿狀態(tài)下，電子-空穴對(duì)將按照指數(shù)規(guī)律增加，產(chǎn)生的電子將很快被接于N+層的正極所吸收，而空穴將向負(fù)極渡越。由于里德雪崩二極管的P區(qū)很薄，可以認(rèn)為空穴幾乎無延遲地注入I區(qū)（稱為漂移區(qū)），以恒定的飽和漂移速度（對(duì)硅半導(dǎo)體約為）向負(fù)極渡越，形成空穴電流。

適當(dāng)?shù)乜刂茡诫s濃度，可以使得電場(chǎng)的分布在N+P結(jié)處形成相當(dāng)尖銳的峰值，從而可以限制雪崩擊穿在一個(gè)很窄的區(qū)域內(nèi)發(fā)生。

雪崩二極管

2.工作原理（1）雪崩電離效應(yīng)

當(dāng)雪崩管兩端在反向擊穿直流電壓上再疊加一個(gè)交流信號(hào)時(shí)，雪崩管兩端的總電壓可表示為：交流電壓的正半周內(nèi)：

雪崩發(fā)生，N+P結(jié)處形成穩(wěn)定的雪崩擊穿狀態(tài)，雪崩空穴電流將按照指數(shù)規(guī)律增加；當(dāng)外加電壓越過最大值下降時(shí)，由于剛才雪崩倍增已產(chǎn)生的大量電子、空穴依然參加碰撞，因此總效果是雪崩空穴流繼續(xù)上升，直到外電壓正半周結(jié)束。交流電壓的負(fù)半周內(nèi)：

總端壓小于擊穿電壓，雪崩將停止，但雪崩空穴流不會(huì)立即停止，只能按指數(shù)衰落。雪崩二極管

形成的雪崩空穴電流是具有很窄的脈沖寬度的脈沖電流，合理的調(diào)整直流偏壓和直流偏流，可使其峰值滯后于交流信號(hào)的峰值。里德二極管電壓、電流和外電路感應(yīng)電流的關(guān)系000

利用小信號(hào)雪崩方程可以嚴(yán)格證明的基波相位比交變電場(chǎng)的基波相位滯后900，這一現(xiàn)象稱為雪崩電流的初始滯后，也稱為雪崩倍增的電感特性。雪崩二極管

（2）渡越時(shí)間效應(yīng)

在電場(chǎng)的作用下，雪崩產(chǎn)生的空穴電流將注入漂移區(qū)并向負(fù)極渡越，直到空穴流到達(dá)負(fù)極為止。當(dāng)這一電流以飽和漂移速度在漂移區(qū)渡越時(shí)，外電路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，它與管內(nèi)運(yùn)動(dòng)電荷的位置無關(guān)，只取決于運(yùn)動(dòng)速度，而且只要雪崩空穴流在管內(nèi)開始流動(dòng)，外電路上就開始有感應(yīng)電流，理想情況下是一個(gè)矩形波。I層本征漂移區(qū)的長(zhǎng)度為飽和漂移速度為雪崩脈沖電流經(jīng)過漂移區(qū)的渡越時(shí)間:

合理設(shè)計(jì)漂移區(qū)的長(zhǎng)度以控制空穴流渡越時(shí)間，可使管子渡越時(shí)間與外加交變電壓的周期的關(guān)系為，這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即稱為漂移區(qū)的特征頻率：雪崩二極管

當(dāng)工作頻率時(shí)，從功率的角度看，可認(rèn)為是雪崩二極管這種工作模式的最佳工作頻率。這時(shí)有，感應(yīng)電流基波比雪崩電流基波滯后的相位為（即），可見若要提高雪崩管的工作頻率，需減薄漂移區(qū)，即減小。

外電路的感應(yīng)電流與管子外加交變電壓的總相位差為，從而二極管相對(duì)外電路呈現(xiàn)為一個(gè)射頻負(fù)阻。把這樣一個(gè)雪崩二極管與一個(gè)諧振選頻回路相連接，可以把管子兩端很小的初始電壓起伏逐漸發(fā)展為一個(gè)射頻振蕩，相當(dāng)于有射頻功率從雪崩二極管輸出，其振蕩頻率等于外加諧振選頻回路的諧振頻率，這是雪崩管可以產(chǎn)生微波振蕩和具有微波放大作用的根本原因。綜合上述，雪崩管的工作原理是利用了碰撞雪崩電離效應(yīng)和載流子渡越時(shí)間效應(yīng)，產(chǎn)生了負(fù)阻，這樣的工作模式就稱為雪崩渡越時(shí)間模式，簡(jiǎn)稱為崩越模或碰越模，工作于這一模式的雪崩管稱為崩越二極管或碰越二極管。雪崩二極管

3.特性參量（1）工作頻率范圍如果感應(yīng)電流相對(duì)于外加交變電壓的總相位差不正好為，只要能分離出一個(gè)負(fù)阻分量，就有可能產(chǎn)生射頻振蕩雪崩管有一定的調(diào)諧范圍雪崩電流、感應(yīng)電流和交變電壓的關(guān)系雪崩二極管

設(shè)雪崩電流與交變電壓的相位差為，將受到直流偏流的影響。

雪崩產(chǎn)生的空穴空間電荷注入到I層后形成的電場(chǎng)將削弱雪崩區(qū)的電場(chǎng)，直流電流越大，雪崩電流將越大，雪崩區(qū)電場(chǎng)下降越快，雪崩將過早停止，致使雪崩電流最大值出現(xiàn)在交變電壓為零之前越早，這樣電流基波滯后相位就越比小。

由于渡越時(shí)間相位正比于，故越小，渡越時(shí)間滯后相位越小。當(dāng)總滯后相位小于時(shí)，雪崩管便不能分離出負(fù)阻分量，負(fù)阻特性將消失。

一般把使雪崩管電阻為正的臨界頻率稱為下限截止頻率。為了能夠分離出負(fù)阻分量，雪崩滯后相位越小，則渡越時(shí)間相位滯后應(yīng)越大，因此直流電流增大時(shí)，雪崩滯后相位減小，截止頻率必將提高以增加渡越時(shí)間相位滯后。

此外交變電壓大小也將影響，交流電壓較大時(shí)，雪崩區(qū)電場(chǎng)提高，雪崩滯后相位將加大，截止頻率將下降。雪崩二極管

如果總相位滯后大于，雪崩管同樣不能分離出負(fù)阻分量，由此可確定雪崩管的上限截止頻率。設(shè)雪崩滯后相位約等于，如果外加交變電壓的周期不是正好的，則工作頻率，總可以分離出與交變電壓的反相分量上限截止頻率為雪崩二極管

（2）輸出功率與效率二極管獲得的直流功率為:輸出的射頻功率為：脈沖電流的相位中心相應(yīng)的效率為：在理想情況下:10％以下雪崩二極管

2.6.3等效電路雪崩管有源區(qū)的阻抗為：雪崩二極管管芯等效電路為工作頻率下雪崩區(qū)的阻抗為漂移區(qū)的阻抗

為雪崩區(qū)長(zhǎng)度；為雪崩區(qū)諧振頻率，決定了雪崩電流相位滯后角度，僅與直流電流的平方根成正比。雪崩二極管

雪崩管有源區(qū)阻抗與工作頻率關(guān)系0

體現(xiàn)出負(fù)阻和容性電抗，是雪崩管作為振蕩器和放大器應(yīng)用時(shí)的狀態(tài)。獲得最大負(fù)阻雪崩二極管

2.6.4

其它雪崩管結(jié)構(gòu)及工作模式簡(jiǎn)介多是P+NN+和N+PP+結(jié)構(gòu)P+NN+P+NN+雪崩管模型及電場(chǎng)分布雪崩區(qū)1.實(shí)用結(jié)構(gòu)雪崩管2.雙漂移區(qū)雪崩管P+NN+雙漂移區(qū)雪崩管模型及雜質(zhì)、電場(chǎng)分布雪崩區(qū)P雪崩二極管

3.俘越模式

俘越模式是俘獲等離子體雪崩觸發(fā)渡越模式的簡(jiǎn)稱，（TRAPATT模式），是雪崩二極管一種大電流工作狀態(tài)的高效率的工作模式。P+NN+雪崩管TRAPATT模式工作原理圖N+PP+N+PP+雪崩區(qū)向右擴(kuò)大雪崩區(qū)擴(kuò)大到整個(gè)漂移區(qū)，形成俘獲等離子體狀態(tài)雪崩二極管

當(dāng)外加反偏壓大于雪崩擊穿電壓時(shí)，N+P結(jié)將發(fā)生雪崩擊穿。雪崩區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度由于帶電粒子濃度很大而降低到很低的程度，而雪崩區(qū)右側(cè)P區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度將迅速增大；如果這時(shí)再加大管子的偏壓（約為擊穿電壓的二倍以上），右側(cè)增大的電場(chǎng)強(qiáng)度將可以達(dá)到擊穿電場(chǎng)以上，因而再次引起雪崩擊穿；

由于低電場(chǎng)下載流子的飽和漂移速度很小，而上述過程卻極快，因而雪崩載流子的漂移可以忽略，好像被俘獲在雪崩區(qū)一樣，管內(nèi)形成俘獲等離子狀態(tài)，此時(shí)管內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度幾乎為零，雪崩停止。此后，等離子體將以極低的速度逸出，外電路中將形成很大的脈沖電流。當(dāng)?shù)入x子體全部逸出后，管內(nèi)電場(chǎng)又恢復(fù)到初始分布狀態(tài)。上述過程重復(fù)進(jìn)行，便產(chǎn)生了周期性的脈沖電壓和電流，形成了振蕩。雪崩二極管

TRAPATT模式電流電壓關(guān)系A(chǔ)BCDAA點(diǎn)對(duì)應(yīng)，管子發(fā)生雪崩擊穿，在開始一段時(shí)間內(nèi)（從A到B），尚未觸發(fā)起雪崩沖擊波前，二極管相當(dāng)于被充電，管子端壓將升高；當(dāng)管子處于相當(dāng)?shù)倪^壓狀態(tài)時(shí)，立即觸發(fā)起雪崩沖擊波前，迅速形成等離子體狀態(tài)，二極管接近短路，并輸出一個(gè)倒向的電壓脈沖，這一過程在極短的時(shí)間內(nèi)完成，相當(dāng)于從B到C；從C點(diǎn)開始，管子維持很大的電流脈沖，直到D點(diǎn)；之后管子回到初始狀態(tài)，完成俘越模的一個(gè)工作周期。

俘越模式的特點(diǎn)是在大電流條件下的一種電壓崩潰現(xiàn)象，可以看成一種高速開關(guān)：由高阻狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換成幾乎短路的低阻狀態(tài)，從而將外加的直流電壓變換成射頻脈沖電壓。雪崩二極管

這種工作模式由于在等離子體逸出（即大電流流動(dòng)）的那段時(shí)間里，電壓維持在很低的水平，因而其效率很高。例如600MHz的俘越模振蕩器，效率可達(dá)到75％以上；在L波段，脈沖輸出功率為1KW時(shí)，效率可達(dá)60％。但是由于等離子體形成后，管內(nèi)電場(chǎng)很低，所以等離子體逸出的速度很小，因此對(duì)于同一個(gè)二極管來說，其工作于俘越模的頻率要遠(yuǎn)低于崩越模的頻率。而且這種模式是工作在大電流狀態(tài)下，其噪聲比崩越模式要大。這種模式是1967年在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的，它雖有效率高的優(yōu)點(diǎn)，但依靠一般的直流偏置要提供這種模式需要的電流密度是很難辦到的，必須采取特殊的措施，致使電路復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。

2.7轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管

轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管（TransferElectronDiode）也稱為體效應(yīng)二極管和耿氏二極管（GunnDiode），其英文縮寫為TED。1961年和1962年相繼發(fā)表的論文：部分電子從高的遷移率轉(zhuǎn)移到低的遷移率狀態(tài)，使電子漂移速度隨電場(chǎng)增大而減小，從而產(chǎn)生負(fù)阻，可實(shí)現(xiàn)微波振蕩和放大。1963年，耿（J.B.Gunn）在N型GaAs半導(dǎo)體兩端外加電壓使內(nèi)部電場(chǎng)超過3時(shí)，產(chǎn)生了微波振蕩。

由于其噪聲遠(yuǎn)比雪崩二極管為低，也常被用作毫米波本振信號(hào)。2.7.1

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管N型GaAs半導(dǎo)體N型GaAs轉(zhuǎn)移電子器件結(jié)構(gòu)歐姆接觸金屬

轉(zhuǎn)移電子器件是無結(jié)器件，最常用的轉(zhuǎn)移電子器件是一片兩端面為歐姆接觸的均勻摻雜的N型GaAs半導(dǎo)體。

通過研究發(fā)現(xiàn)InP半導(dǎo)體具有更大的負(fù)阻，而且可以工作于更高的頻率，因此InP半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移電子器件的研究和應(yīng)用都有較快的發(fā)展。2.7.2工作原理與特性1．轉(zhuǎn)移電子器件的偶極疇

由于在電場(chǎng)作用下N型GaAs半導(dǎo)體內(nèi)的電子從低能谷向高能谷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生負(fù)微分遷移率，使得N型GaAs半導(dǎo)體對(duì)外體現(xiàn)出微分負(fù)阻。這一負(fù)阻效應(yīng)正是產(chǎn)生微波振蕩和具有微波放大作用的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管

由于GaAs的雜質(zhì)分布和電場(chǎng)分布不可能完全均勻，因此實(shí)際上不可能在每部分同時(shí)超過閾值電場(chǎng)、同時(shí)降低電子運(yùn)動(dòng)速度，因此前述的靜態(tài)特性一般是得不到的，通常要通過特殊的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)特性，這一特殊機(jī)制就是偶極疇，在轉(zhuǎn)移電子器件內(nèi)就是依靠偶極疇的產(chǎn)生和消失來形成微波振蕩的。（1）疇的生成轉(zhuǎn)移電子器件中偶極疇形成小于閾值電壓未發(fā)生大量的電子轉(zhuǎn)移，電子將在兩電極間作均勻連續(xù)的漂移運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)分布是均勻的歐姆接觸陰極的金半結(jié)處于反偏阻值較大電場(chǎng)也稍強(qiáng)于半導(dǎo)體其它部分大于閾值電壓陰極附近的電場(chǎng)將首先超過閾值電場(chǎng)轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管轉(zhuǎn)移電子器件中偶極疇形成發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移而進(jìn)入負(fù)阻區(qū)平均漂移速度將減慢左側(cè)的電場(chǎng)仍低于電子快速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)電子積累層右側(cè)的電場(chǎng)仍低于電子快速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)正的空間電荷（電子耗盡層）負(fù)阻區(qū)的兩側(cè)形成了具有正負(fù)電荷的對(duì)偶極層，偶極疇

偶極層形成與外加電場(chǎng)方向相同的一個(gè)附加電場(chǎng)，致使疇內(nèi)部的電場(chǎng)比疇外高得多，所以也稱這個(gè)疇為高場(chǎng)疇。外加電壓是一定的，疇內(nèi)電場(chǎng)高，必然伴隨著疇外電場(chǎng)的降低，外加電壓大部分降落在高場(chǎng)疇上，只能形成一個(gè)偶極疇

轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管轉(zhuǎn)移電子器件中偶極疇長(zhǎng)大、成熟（2）疇的長(zhǎng)大

在陰極附近生成的疇最初只是一個(gè)小“核”，在電場(chǎng)的作用下，“核”將從陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，由于疇內(nèi)是慢電子而疇外是快電子，因此隨著疇的運(yùn)動(dòng)堆積的對(duì)偶電荷越來越多，這樣疇將逐漸“長(zhǎng)大”。隨著疇的長(zhǎng)大，疇內(nèi)電場(chǎng)越來越高，而疇外電場(chǎng)越來越低，因此疇內(nèi)電子是在加速的、而疇外電子是在減速的。這一過程一直繼續(xù)到疇內(nèi)電子的平均運(yùn)動(dòng)速度與疇外電子的平均運(yùn)動(dòng)速度相等為止，這時(shí)疇就不再長(zhǎng)大，稱為成熟疇或穩(wěn)態(tài)疇。

疇核由生成到成熟所需的時(shí)間稱為疇的生長(zhǎng)時(shí)間。轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管偶極疇消失（3）疇的渡越與消失

成熟后的偶極疇將繼續(xù)以一定的速度向陽(yáng)極渡越，到達(dá)陽(yáng)極后將被陽(yáng)極吸收而消失，這段時(shí)間稱為疇的渡越時(shí)間

疇消失后半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)恢復(fù)到?jīng)]有形成疇的原始狀態(tài)，電子的平均運(yùn)動(dòng)速度也恢復(fù)到原始的快電子狀態(tài)。

從疇到達(dá)陽(yáng)極到疇完全消失的時(shí)間稱為疇的消失時(shí)間，或稱為介質(zhì)的馳豫時(shí)間。

一個(gè)偶極疇消失后，如果器件的端壓仍然維持在閾值電壓以上，將在陰極附近再生成一個(gè)偶極疇，重復(fù)上述過程。轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管轉(zhuǎn)移電子器件中電子平均漂移速度與時(shí)間關(guān)系abd（a）ca點(diǎn)表示疇核形成，此后電子的平均運(yùn)動(dòng)速度將快速下降，直到疇成熟的b點(diǎn)，從a點(diǎn)到b點(diǎn)所需時(shí)間即是疇的生長(zhǎng)時(shí)間；b點(diǎn)之后成熟的疇將向陽(yáng)極渡越，維持較低的平均運(yùn)動(dòng)速度，直到c點(diǎn)時(shí)疇到達(dá)陽(yáng)極，bc段對(duì)應(yīng)的時(shí)間即是疇的渡越時(shí)間；

疇到達(dá)陽(yáng)極后將很快被陽(yáng)極吸收，隨著疇的消失，電子平均運(yùn)動(dòng)速度將立刻上升到初始值，即從c點(diǎn)到d點(diǎn)，這段時(shí)間即是疇的消失時(shí)間。一般和極短，因此整個(gè)周期近似為渡越時(shí)間

稱為渡越時(shí)間頻率或固有頻率，在目前工藝水平下可作到微米量級(jí)，器件的固有頻率可高達(dá)100GHz。但隨著的減小，器件承受功率也就不可避免地減小。轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管設(shè)器件有源區(qū)長(zhǎng)度為，疇的飽和漂移速度為，則有：如果在器件內(nèi)部能生成成熟的偶極疇，要求:根據(jù)N型GaAs半導(dǎo)體材料的典型參數(shù)，可求得當(dāng)：器件內(nèi)部才能生成成熟的偶極疇，式中是器件的摻雜濃度。2．轉(zhuǎn)移電子器件的動(dòng)態(tài)特性

如果器件兩端加上交變電壓時(shí)，將會(huì)對(duì)疇的產(chǎn)生和消失產(chǎn)生影響。設(shè)這時(shí)器件端壓為（直流偏壓為0）：轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)二極管（1）當(dāng)器件兩端電壓從零開始上升轉(zhuǎn)移電子器件的電壓電流關(guān)系0FEDCBA

電流最初應(yīng)是按直線增加,A點(diǎn)對(duì)應(yīng)端壓為，這時(shí)偶極疇形成并很快成熟。電子平均漂移速度迅速下降，外電路電流也突然下降。

如果器件端壓繼續(xù)增大，開始會(huì)引起疇內(nèi)電場(chǎng)及疇外電場(chǎng)

都增大，但根據(jù)疇內(nèi)負(fù)阻區(qū)的速度-電場(chǎng)特性，增大將使慢

電子更多，疇內(nèi)電子平均漂移速度將減小；而增大將使疇外電

子的平均漂移速度提高。因此破壞了疇內(nèi)外原有的平衡，偶極疇將長(zhǎng)得更大，疇內(nèi)電場(chǎng)進(jìn)一步升高以提高疇內(nèi)電子平均漂移速度，疇外電場(chǎng)又會(huì)因的升高而降低，疇外電子將減速以達(dá)到新的平衡。這樣，外加電壓的增大轉(zhuǎn)移為疇電壓的增大，而器件內(nèi)部的電子平均漂移速度是減小的，導(dǎo)致平均電流緩慢減小，直到電子的平均漂移速度（即是平均電流）達(dá)到最小