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轉移電子器件

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基於電子在固體中能谷間轉移而製成的器件。只有在導帶中存在多個能谷、電子在各能谷中的行為特性各異,以及在一定外部條件下發生顯著的電子轉移的固體材料才能製作這類器件,砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)就屬這種材料。

1 轉移電子器件 -轉移電子器件

 

2 轉移電子器件 -正文

  基於電子在固體中能谷間轉移而製成的器件。只有在導帶中存在多個能谷、電子在各能谷中的行為特性各異,以及在一定外部條件下發生顯著的電子轉移的固體材料才能製作這類器件,砷化鎵(GaAs)和磷化銦(INP)就屬這種材料。
  GaAs的導帶底在波矢(0,0,0)處,在這個極值附近(極值稱能谷),電子的有效質量約為 0.066m0m0為自由電子的靜止質量。GaAs的導帶在 (1,0,0)波矢方向上還有六個次級小值,即六個子能谷,它們比中心能谷約高0.36電子伏,電子在子能谷的有效質量約為0.4m0,它比中心能谷的值大得多。電子遷移率大致上與它的有效質量成反比,因此電子在中心能谷的遷移率遠大於子能谷。在室溫和低場下,電子基本上集中在中心能谷。隨著外加電場的增加,電子從外電場得到的能量也增加,有一部分電子會轉移到子能谷。
  當外加電場約為 3000伏/厘米時(稱閾值電場,用Eth表示),轉移的電子數顯著增加,電子總的平均遷移率及電子平均速度明顯下降,出現負的微分遷移率和負的微分電導特性。圖1為實驗測得的GaAs中電子平均漂移速度與電場的關係。

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  當加在GaAs晶體上的電壓增加時,晶體中某處(一般在陰極附近)先達到閾值電場,該處電子的平均速度則下降,於是產生電子的積累。初始的積累區外電子速度沒有下降,這使得在積累區的電子運動方向一側,由於電子較快移動而產生電子的耗盡。電子積累區與耗盡區形成偶極區(圖2a),它產生的電場與外加電場的方向一致,因而形成高場區(圖2b),這一高場區進一步促使電子的轉移,更多電子轉移又使高場區的電場進一步增加,這一過程一直進行到晶體內電場的積分等於外加偏壓高場區達到穩定為止,而稱此高場區為高場疇。隨著電子的運動,高場疇逆著電場方向朝陽極渡越。晶體內高場疇的產生使疇外電場下降,因而使通過晶體的電流I下降。當高場疇渡越到陽極並消失時,電流恢復到原來值,很快陰極又出現新的高場疇。高場疇的這種周而復始的產生、渡越、消失的過程,在外電路中產生電流的振蕩波形(圖3)。這就是轉移電子器件中的偶極疇渡越時間模式。

轉移電子器件轉移電子器件
 
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  1963年J.B.耿在一N型 GaAs中發現了這種高頻振蕩,因此這種轉移電子器件也叫作耿氏器件。它的振蕩頻率是由晶體的厚度和電子在GaAs中的漂移速度決定的。若晶體厚度為d,電子漂移速度為υ,則振蕩頻率為υ/d,厚度為10-3厘米的N型GaAs,其振蕩頻率為104兆赫左右。
  耿氏器件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。

 

3 轉移電子器件 -配圖

 

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