轉移電子效應

產生轉移電子效應所必須滿足的條件

①對於雙能谷半導體，主能谷與次能谷的能量差ΔE要小于禁帶寬度、但要大於熱運動能量kT，而且電子在次能谷的有效質量>>主能谷的有效質量，同時上、下能谷的有效態密度之比>>1；

②外電場要使電子獲得大於ΔE的足夠能量，並且要能通過散射而提供一定的動量。電子在主能谷時遷移率為正，但當躍遷到次能谷后遷移率即變為負，同時正遷移率的大小要大於負遷移率的大小（一般約大10倍）。

異質谷間轉移電子效應的實驗研究

異質谷間轉移電子效應

GaAs是直接能隙材料，它的導帶底位於布里淵區中心Γ點；而AlAs是間接能隙材料，其導帶底位於布里淵區邊緣的X點。考慮夾於兩層GaAs間的一層AIAs勢壘，其能帶結構如圖1所示。圖中實線畫出了Γ谷的能量，AIAs的Γ谷能量比GaAs高1.04eV，因而形成一個很高的勢壘。虛線所畫的是X谷能量。在GaAS中它比Γ谷高0.47eV，而在AIAs層中它又比Γ谷低0.77eV。即AIAs層中的X谷能量比GaAs層中低，形成一個勢阱，如圖1所示。

圖2中畫出了上述異質結構在電場作用下隧穿過程的示意圖。假設電子從左GaAs層輸入，其能量低於X谷能量，因而是一Γ電子。進入AlAS層后因能帶結構改變而產生能帶混合，分別形成Γ波和X波。如果所加偏壓大於0.47V，隧穿過程中又沒有發生非彈性散射，那末右GaAs層中輸出電子的能量高於X谷能量，就有可能被轉移到X能谷中去。這樣在這種D/I異質結構中可以通過能帶混合來實現谷間電子轉移。

HITE效應和Gunn效應一樣，都是谷間轉移電子效應。表1中比較了二者之間的差別。

首先Gunn效應是在具有一定能帶結構的體材料中產生的，而HITE效應必須在特定的D/I異質結構中產生。Gunn效應是Γ電子在電場中加速獲得能量后經由谷間散射轉移到較高能谷的。它是一個散射參與的過程，總伴隨有較大的能量損耗。而HITE是通過能帶混合在隧穿過程中直接從電場中獲取能量後轉移到X能谷中去的，不存在散射損耗，可望達到較高的器件工作效率。Gunn效應依賴於電場強度，當器件工作時由於強場疇的形成，常使疇外電場強度難於控制。而HITE效應依賴於異質結構上的降壓，可以方便地由外電路來改變異質結構的降壓從而控制器件工作。

從上面的討論中可以看出，這種D/I異質結構和一般的直接能隙/直接能隙(Direct GaP/Dircet Gap,簡作“D/D”)異質結構之間有很大的差別。表2中對它們進行了比較。D/D結構只有單能谷的貢獻，可以用能帶偏移△Ec、△Ev來描寫。D/I結構必須考慮界面上整個能帶的變化，包含多能谷效應和能帶混合。D/D阱的特徵由它所產生的一系列量子限制態來表徵，而D/I阱中還要涉及到Γ，X等多能谷狀態。對干器件中經常涉及的隧穿過程來說，D/D阱僅對能量等於量子限制能級的電子是透明的，其作用是一個能量濾波器，而D/I阱中複雜的能帶混合能感生電子動量的改變，像是一個動量轉換器。這樣，D/D阱的主要功能是在隧穿電流中出現一系列諧振峰和相應的負阻區，而D/I阱還增加了特有的谷間電子轉移功能。因此，D/D阱結構比較簡單，其功能也顯得單調，而D/I阱增添了許多新的行為，可望在器件工作中完成更多的功能。

二極體結構和直流伏安特性

使用MBE工藝把D/I異質結構生長在Gunn器件的陰極上，構成圖3所示的異質谷間轉移電子器件。首先，在 -GaAs、襯底上生長一層 -GaAs緩衝層，接著生長GaAs有源層2~2.5μm。有源層頂端生長一 -GaAs摻雜尖峰，用來控制有源層中的電場分佈。再在其上生長一薄層AIAS，頂端蓋以0.5μm的 -GaAs帽層，構成一個D/I異質結構。

D/I異質結構的谷間轉移電子效應依賴於異質界面上結構改變的陡度和異質界面的結構完整性。在實驗中也發現不同批次器件的特性之間有較大差異。對於界面結構較差的結，谷間電子轉移效應很弱，大部分隧穿電子仍為Γ電子，稱為弱轉移(Weakly Transferred，簡作“WT”)結。這時勢壘僅僅起到了一種限流作用。圖4畫出了WT結的直流隧穿特性。圖中實線畫出了二極體的正向電流，即電子從異質結構注入到有源層時的電流。這時隧穿電流被AIAS勢壘限制得很低,，強電場下Gunn效應產生的負阻也被抑制，電流隨電壓增大而緩慢地上升。如果把偏置反接過來，電流如圖中虛線腸所示。這時電子從有源區進入AlAS勢壘，在勢壘附近有較高的電場，電子被加速到較高的能量，使勢壘的限流作用減弱，電流因之增大，而且在大電壓下重又出現了Gunn負阻。這種伏安特性同國外報道的AIGaAs漸變能隙勢壘Gunn二極體一致。

當GaAs/AIAs間形成陡變的完整異質界面時，谷間轉移電子效應增強，構成強轉移(Strongly Transferred，簡作“ST”)結，其伏安特性示於圖5。正反向電流均有較大的上升。強轉移電子效應使正向隧穿電流增大，因而同WT結相反， ，並且當電壓高於閾值電壓時輸出大量X電子，同Gunn效應一起產生了一段負阻區，如圖中實線 所示。在電壓反向時，電子從有源層進入勢壘。當電壓升高超過Gunn閾值后，有源層中產生Gunn效應，電子被轉移到X谷使電流下降。但是，由於AIAs勢壘對X電子是透明的，Gunn效應產生的X電子很容易通過勢壘而使異質結降壓減小，電流增大。這兩效應疊加的結果使負阻區被湮沒，如圖5中虛線 所示。

圖4和圖5中的兩種不同隧穿特性分別表徵了隧穿過程中的限流特性和谷間電子轉移特性。如果沒有顯著的谷間電子轉移，那末勢壘總起限流作用，因而，如圖4所示。當發生顯著谷間電子轉移時，勢壘的主要作用不再限於阻止Γ電子通過而是把Γ電子轉換成X電子。此時限流作用已很小使 顯著增大，因而，如圖5所示。這樣圖5所示的伏安特性就證實了HITE效應。

二極體的微波性能

Gunn器件的有源層可分為兩部分。在陰極附近的區域中電子能量比較低，不能產生谷間轉移。電子在電場作用下能量逐漸升高，達到閾值后開始產生谷間電子轉移，形成強場疇。分別構成電子加速區和疇渡越區。在加速區中電子經受散射而損耗能量，使器件效率降低。此外，加速區的存在使渡越區減短，振蕩頻率升高。當器件偏壓或溫度變化時，有效渡越區長度隨著改變，使振蕩頻率產生漂移。

為了改善器件的性能，人們常常在陰極設計種種電子注入機構，如肖特基勢壘或漸變能隙異質結構等來注入高能熱電子、減小加速區。但是這種注入的高能Γ電子因經受強極性光學模散射而增大內功耗，同時由於能帶的非拋物線性，使高能電子的有效質量增大，導致漂移速度下降。最終器件性能的改善常不很大。如果採用D/I結構來注入電子，那麼，在交流負半周電壓低於閾電壓，D/I結構輸出Γ電子，漂移速度較大。當正半周到來時，電壓高於閾電壓輸出的是X電子，漂移速度較小。於是就在陰極處形成疇，加速區不再存在，將使器件微波性能產生突變。這樣就可通過微波性能研究來檢驗HITE效應。

業已對上述兩種二極體的微波性能進行了測試。對於WT二極體，當有源層厚度為2.5~3μm時，能在26~50GHz頻率下輸出50mW，效率2%。工作頻率與有源層寬度的關係同常規的Gunn二極體一致。這種器件中勢壘層本身構成了一個串聯電阻，對器件工作是有所損害的。但通過勢壘的高能熱電子能減輕加速區的負擔，勢壘形成的限流作用又改變了有源層中的電場結構，都有助於改善器件的性能。這兩效應的綜合結果使振蕩性能同漸變能隙Gunn二極體差不多。如能進一步優化勢壘結構和有源層摻雜結構，可望同漸變能隙Gunn二極體一樣，使器件性能有進一步提高。

對於ST二極體測得了另一種微波性能。首先振蕩頻率大幅度降低，有源層厚2.2μm的器件工作頻率都在30GHz左右。這說明勢壘層注入X電子使強場疇產生於陰極處，從而導致有效的渡越區長度增大，工作頻率降低。當偏壓和溫度改變時，振蕩頻率的變化很小，頻率穩定度顯著提高，進一步說明器件進入了純渡越模式振蕩。與此同時，器件的振蕩效率和輸出功率有明顯的提高。已在28~32GHz頻率下測得最大輸出功率320mW，效率接近6%。當勢壘層稍厚，谷間轉移電子效應增強時效率可增大到8%。由於勢壘層的作用，其低場串聯電阻比常規Gunn器件增大10倍，在此條件下達到高效率更引人注目。在HITE效應中Γ電子可以通過能帶混合不經散射直接轉移到X能谷，減小了損耗，提高了效率。在常規的Gunn二極體中，按Monte Carlo。模擬計算，加速區上常有1V多的電壓降，而谷間電子轉移所需的能量只有0.3eV，因而大部分電場能量是被損耗掉的。

這種二極體還具有較好的脈衝工作性能。器件一般能承受14V的高壓，好的器件輸出功率可超過1.5W。這說明異質結構已使器件中的電場分佈趨於均勻，從而避免了局部區域，特別是陽極附近出現強電場所導致的擊穿現象。進一步優化器件的勢壘結構和有源層摻雜結構，產生更合適的電場分佈，可望進一步改善器件的脈衝工作性能。

結束語

實驗工作證明，WT二極體具有類似於漸變能隙Gunn二極體的性能，而ST二極體的性能出現了突變。表3列出了這些性能比較。這一對比表明用D/I異質結構來注入電子時器件性能的變化遠大於漸變能隙Gunn二極體，沒有X電子的注入就不能解釋這些特性。這樣就首次從實驗上證實了這一新的HITE效應，並且說明Gunn器件可以用來作為一種X電子的探測器。

從器件微波性能來看，ST二極體具有振蕩效率高，輸出功率大，頻率穩定度高，脈衝工作性能好等新的工作特性，說明HITE效應能顯著改變器件的工作狀態，有較強的器件功能。進一步深入研究這一新效應，可望研製出功能更好的新器件。

製作轉移電子器件（Transferred-Electron Devices，TED）。這就是利用半導體中電子從導帶的主能谷往次能谷轉移所產生的負阻來工作的一種微波有源器件。由於該器件完全是利用半導體內部的電子現象來工作的，不牽涉到表面和界面，故又稱為體效應器件。依據器件有源區的長度、摻雜濃度和工作頻率，可以有幾種不同的工作模式，即Gunn疇渡越模式、Gunn疇延遲模式、Gunn疇淬滅模式、積累層渡越模式和限制空間電荷積累的模式。TED的輸出微波功率略低於IMPATTD（雪崩渡越時間二極體），但是其雜訊很低。