轉移電子器件在微波振蕩器中的工作原理

潘 龍

（作者單位：四川廣播電視臺520發射傳輸臺）

1963年，美國的耿氏（Gunn）發現在一塊N型砷化鎵兩端加上超過3 kV/cm的電壓時，就會產生微波振蕩，振蕩頻率與半導體的長度成反比。微波振蕩是由N型砷化鎵中電子轉移現象產生的，所以叫做轉移電子器件。它是基于多數載流子在半導體材料中的運動特性來產生微波振蕩的，所以又叫做體效應二極管或耿氏效應二極管。轉移電子器件振蕩器的頻率可以從1～100 GHz，能產生幾毫瓦到2瓦的連續波功率，效率為百分之幾到百分之十五。由于它具有寬調諧、低噪聲等優點，因而廣泛應用于微波電子系統中。

1 轉移電子器件的工作原理

1.1 N型砷化鎵的能帶結構

砷化鎵的能帶結構如圖1所示，由價帶、導帶和禁帶組成，禁帶的寬度為Eg=1.53eV。它的導帶為多能谷結構，共具有七個能谷，其中位于中心位置最低能量的主谷與鄰近的一個子谷最為重要，主谷和這個子谷的能級差ΔEg=0.36eV。處于這兩個能谷中的電子，具有不同的有效質量和不同的遷移率μ。主谷即低能谷的電子為輕電子或快電子，它的有效質量較小，而遷移率較大，一般為μ1≈7 500～9 300 cm2/V×s；而子谷即高能谷的電子是重電子或慢電子，它的有效質量較大，而遷移率較小，為μ2≈110～150 cm2/V×s。在室溫T0=290K時，砷化鎵中的平均電子能量為k·T0≈0.025eV（k為玻爾茲曼常數，eV為電子伏特），遠小于高、低能谷間的能級長差ΔEg，所以多數電子處于低能谷中。

當有外加電場E時，隨著電場E增加，電子的運動速度增大。若電子的總能量大于0.36 eV時，低能谷中的電子就會被激發到高能谷中去。

圖1 N型砷化鎵的能帶結構

1.2 砷化鎵的平均速度—電場特性

設總的電子密度為n0，處于低、高能谷的電子密度分別為n1和n2。砷化鎵材料中電子的平均速度與外加電場的關系如圖2所示。

圖2 砷化鎵中電子的平均速度與外加電場的關系

（1）當外加電場強度E為0＜E＜E/時，幾乎所有電子都處于低能谷，即n1≈n0，n2≈0。所以電子的平均速度可以表示為

這時平均速度—電場特性如圖2（I）段所示。

（2）當外加電場E/＜E＜E/時，電子由低能谷不斷躍遷到高能谷，即不斷由高遷移率狀態轉到低遷移率狀態，由快電子變為慢電子，電子的平均速度降低。這時的n1+n2=n0，所以電子的平均速度為

式中為平均遷移率。

當電場強度增大到Eth時，電子速度增大到峰值。如果外加電場超過Eth，由于高能谷中的電子即慢電子數增大了許多，使電子總的平均速度反而下降，如圖2中的II段所示，此時微分遷移率。微分遷移率由正變負，經過零點，與這時對應的電場稱為閥值電場Eth。為產生Eth而在器件兩端所加的電壓，就叫做閥值電壓Vth。

流過砷化鎵材料的電流為I=AJ，式中A為器件的橫截面積，J是電流密度可由下式表示

式中σ為電導率，與電阻率互為倒數。它又可用下式表示

其中e是電子電荷量。由于μd為負值，所以σ也為負值。即與負的微分遷移率相對應，砷化鎵在一定的電場范圍內具有負的微分電導率。這就是砷化鎵材料能產生負阻的基本原理。

（3）當外加電場E＞E//時，幾乎所有的電子遷移率都躍遷到高能谷中去了，這時n1≈0，n2≈n0，所以

電子的平均遷移率隨外加電場的增加略有增大，微分遷移率再次變為正，如圖2的Ⅲ段所示。

綜上所述，由于砷化鎵具有多能谷的能帶結構，在外加電場的作用下，電子從低能谷轉移到高能谷的過程中，出現了負的微分遷移率，而負的微分遷移率又與負的微分電導率相對應。因此，這種材料在一定的電場作用下具有負阻特性。

1.3 偶極疇（高場疇）

前面介紹了砷化鎵材料形成負阻的機理，下面具體討論它產生微波振蕩的過程。

1.3.1 疇的產生

當砷化鎵材料上所加直流電壓V＜Vth（即E＜Eth）時，材料中的電場分布均勻，載流子在兩極之間均勻連續的漂移，沒有發生電子轉移。

當外加電壓增大到V＞Vth（即E＞Eth）時，由于砷化鎵材料和陰極接觸的界面上存在較大的電阻，同時由于雜質的不均勻性，在陰極附近的電壓降比較大，電場也較強。這時，陰極附近某處x0的電場首先超過閥值電場Eth而進入負阻區，如圖3（c）所示。這樣，x0處的電子的平均漂移速度減慢，x0左邊的電子由于E＜Eth而仍以較快的速度走向x0，電子在x0處積累起來，這種空間電荷的積累叫做疇。同時x0右邊的電子仍以原來的快速度向陽極運動，由于x0處的電子速度慢，不能立即補充，使x0右邊欠缺電子，而留下一層正的空間電荷。x0處的正負電荷就形成了偶極層，也就是偶極疇。這個疇本身的電場方向與外加電場方向相同，從而使疇內電場比疇外電場高得多，所以偶極疇又叫高場疇。由于外加電壓和砷化鎵材料的長度都是一定的，疇內電場高了，疇外電場就必然低，也就是說外加電壓的大部分降在高場疇上了。這樣一來，疇外電場一般不可能超過閥值，因此，在轉移電子器件內只會形成一個高場疇。高場疇產生后，器件內的電場分布就不再是均勻的了，而成為如圖3（e）所示的情況。

圖3 偶極疇產生時的電荷、電場分布

1.3.2 疇的發展和消失

高場疇在外加電場的作用下，要從陰極渡越到陽極，并在渡越中逐漸長大，剛開始的疇很小，由于疇內電場比疇外強，使疇內電子積累和耗盡更加強烈，疇內的電場也就越來越強，疇外的電場也就越來越弱。這一過程一直持續到疇內電子的平均運動速度與疇外電子的運動速度相等時，疇就不再增大。同時疇以一定的速度運動到陽極直到被陽極吸收為止，然后又在陰極附近產生新的疇，并重復上述過程。圖4表示了疇的形成、生長、渡越和消失的過程以及材料內電場的關系。

圖4 偶極疇的形成和渡越過程

1.3.3 電流波形

轉移電子器件內電子運動的平均速度與時間的關系如圖5所示，其中a點表示疇開始形成，ab段表示疇在長大，bc段表示疇成熟后向陽極渡越，cd表示疇到達陽極消失。前面已提到轉移電子器件內的電流為I=AJ，并由式（2）（3）（4）可得

也就是說I與成正比，所以轉移電子器件內的電流波形應與圖5所示曲線一致。

圖5 轉移電子器件內電子平均速度與時間的關系

1.3.4 電流—電壓特性

轉移電子器件的電流—電壓特性曲線如圖6所示，它與速度—電場曲線有相似之處，但有也明顯差別。當器件兩端的電壓從零開始上升時，電流沿直線段AB增加；當外加電壓超過電壓Vth時，電流沿線段BC下降，在這期間，轉移電子器件內有偶極疇的生長和渡越，器件呈現負阻；之后再繼續加大外加電壓時，電流緩慢增加，如CD所示。

反之，當外加電壓從較高的值下降時，電流變化曲線為DC；當電壓繼續下降時，電流的變化曲線不再是CB了，而是沿虛線所示的CE段變化，也就是說，在偶極疇渡越期間，外加端電壓即使下降到閥值Vth以下時，疇內電場還是很高，疇不會立即消失；只有在端電壓下降到VS以后，疇才會立即消失，這里的VS叫做疇的維持電壓；疇消失后，隨著電壓的下降，電流逐漸降到零，變化曲線如線段EA所示。

圖6 轉移電子器件的電流—電壓特性

1.3.5 等效電路

轉移電子器件的等效電路如圖7所示，其中-Rd和Cd為疇的電阻和電容，R0和C0為疇外部的電阻和電容，LS是引線電感，CP為管殼電容。

圖7 轉移電子器件的等效電路

2 轉移電子器件的振蕩模式

2.1 疇的生長時間TD、渡越時間Tt和產生振蕩的條件

偶極疇從產生、長大到成熟所需要的時間叫做疇的生長時間，用TD表示。由電磁場理論可知，在均勻線性媒質中，電荷隨時間變化的規律為

式中，ρ0為電荷密度的初始值：。

如果在導電媒質中，μd＜0，則Td＜0，這時該媒質中的任何電荷不均勻性都要按指數規律增長，|μd|越大，生長就越快。于是定義

為負微分遷移率媒質的電荷生長時間，它是電荷密度增加到初始值得e倍所需要的時間。

如果轉移電子器件中疇的渡越區間（又叫做工作層或有源區）的長度為L，電子的飽和漂移速度為vS，則疇的渡越時間為

當TD＞Tt時，表示電子會在疇成熟之前到達陽極，所以不能形成疇。欲使疇形成，必須有TD＜Tt，即

把vS=107cm/s，ε≈1.1×10-12C/V·cm，e=1.6×10-19C，|μd|=100cm2/V·s代入之，得到

上式就是砷化鎵材料中產生振蕩的條件。即要產生振蕩，除器件必須有足夠的載流子濃度外，還必須有足夠的有源區長度。

2.2 純粹渡越時間模（T0=Tt）

轉移電子器件與適當的外電路結合就構成了振蕩器。由于器件外面接有諧振電路等外電路，因而器件上除加有直流電壓外，還重疊有諧振電路上的交流電壓，受這個交流電壓的影響，器件可以產生不同的振蕩模式，純粹渡越時間模就是其中的一種。在這種模式中，器件的偏壓Vb超過閥值電壓Vth，外電路采用低Q值的諧振回路，因而交流電壓幅度很小，從而合成電壓的最小值仍然大于閥值電壓，如圖8所示。

圖8 純粹渡越時間模的工作原理

在t1瞬間，器件內形成偶極疇，電流立即從a點快速下降到b點；t1～t2期間，偶極疇向陽極渡越，在t2瞬間，疇到達陽極被吸收而消失，電流迅速上升，同時在陰極附近又產生一個新的疇，這樣不斷反復，就形成了一系列的電流脈沖，這種模式的高頻振蕩周期T0就等于渡越時間Tt。

如前所示，減少器件的有源區長度L就可以提高振蕩頻率，但L太小，承受功率的能力也就降低，因此兩者是相矛盾的。而且由于電流是尖脈沖，效率就低，大約為7%。

2.3 淬滅疇模（TD＜T0＜Tt）

當Vb＞Vth時，由于外電路采用高Q值諧振回路，所以反作用到器件上的交流電壓幅度較大，導致合成電壓在一個周期的大部分時間內處于閥值電壓以上，只有小部分時間在維持電壓以下，如圖9所示。

圖9 淬滅疇模的工作原理

當外加電壓由最小值Vmin上升時，電流特性曲線沿oda線上升，當達到a點以后，電壓超過閥值，偶極疇產生并成長，電流特性曲線沿ab線迅速下降，達到b點后，偶極疇已成熟并在器件內渡越，電流特性曲線沿bc曲線變化，直到電壓達到最大值。

當電壓從最大值開始下降時，電流特性曲線沿cbd曲線變化，在t2瞬間，外加電壓小于維持電壓，偶極疇淬滅，電流特性曲線沿ado曲線下降，直到第二個Vmin……，如此不斷重復，就稱為淬滅模振蕩。

由上述可見，偶極疇的生長和淬滅由交流電壓控制，即振蕩頻率由諧振電路控制，與工作層長度L無關。由于T0＜Tt，所以淬滅模的振蕩頻率ft要比渡越頻率ft高，但f0的上限要保證在t2～t3時間內疇能淬滅，否則會接著產生第二個疇。這種模式的效率比純粹渡越時間模要高，約為13%。

2.4 延遲疇模（TD＜Tt＜T0）

在渡越時間Tt＜T0的條件下，偶極疇到達陽極被吸收時，合成電壓正好下降到閥值電壓以下，這時新的疇不能產生，器件內沒有疇，直到合成電壓再次上升到超越閥值電壓時，才又產生一個新的疇。這種疇由于外電路的原因而延遲了產生，所以叫做延遲疇模，如圖10所示。延遲疇模外電路的Q值和器件的偏置與淬滅模類似，同樣TD＜Tt，即在陰極產生的疇能充分成長并渡越。

延遲疇模的工作過程與淬滅疇模相似，差別在于t=t2時，即器件的合成端電壓由最大值下降到Vt2時，偶極疇已經到達陽極并消失，同時Vt2＜Vth，所以沒有新疇產生。電流特性曲線就從cbd線突然變到ade線上（見圖中的向上的箭頭），并沿ade線下降，然后再沿eda線上升，直到t=t3瞬間，合成端電壓再次上升到閥值，器件內又產生一個新的疇。這種疇的周期被延遲了一段時間Δτ=t3-t2。

延遲疇模振蕩的頻率范圍是ft/2＜f0＜ft，其中f0＜ft是由延遲疇模的定義所決定，f0＞ft/2是為保證偶極疇到達陽極時，電壓低于Vth。延遲疇模的理論效率可達27%。

以上三種振蕩模式在器件里都必須形成偶極疇，所以統稱為行疇模。不過在實際振蕩器中，各種模式的界限并不是十分嚴格。

圖10 延遲疇模的工作原理

耿氏二極管是轉移電子器件之一。此外，還有其他振蕩模式（如限制空間電荷模式、弛豫振蕩模式、混合振蕩模式等）的轉移電子器件，但實際應用的模式還是偶極疇渡越時間模式，它在微波電路中已得到有效的應用。