專(zhuān)利名稱(chēng):動(dòng)能調(diào)制熱電子晶體管的制作方法
熱電子晶體管是一種超高速固體器件，早在1960年Mead〔1〕就已提出，60年代曾有不少工作，但都因當(dāng)時(shí)的工藝條件限制沒(méi)能成功。近年來(lái)，由于分子束外延等先進(jìn)工藝技術(shù)的發(fā)展，這一課題又重新提上日程。1980年Heiblum對(duì)此作了詳細(xì)的回顧，并提出異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，此后，Shannon，〔2〕Malik，〔3〕Yokoyama，〔4〕Hase，〔5〕等人都先后報(bào)導(dǎo)了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
通常的熱電子晶體管，其結(jié)構(gòu)和雙極晶體管類(lèi)似，發(fā)射極是一個(gè)隧道結(jié)，加偏壓后，勢(shì)壘厚度變薄，電子得以籍隧道效應(yīng)注入，由于注入電子有足夠能量，可以飛越集電極勢(shì)壘，到達(dá)集電極。
迄今為止，這一類(lèi)結(jié)構(gòu)中的主要問(wèn)題是由于基區(qū)中的散射以及勢(shì)壘處的量子力學(xué)反射，電流傳輸系數(shù)α不高(約為0.7)，這樣，器件的增益就比較低，此外，由于發(fā)射結(jié)勢(shì)壘很薄，結(jié)電容比較大。
本發(fā)明提出了熱電子晶體管的一種新結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為動(dòng)能調(diào)制熱電子晶體管，其結(jié)構(gòu)和能帶圖如附圖所示，圖中各部分名稱(chēng)、材料、摻雜情況、厚度如下表序號(hào) 名稱(chēng) 材料 摻雜濃度 厚度1 發(fā)射極 GaAs N+，3.1018cm-22 發(fā)射極勢(shì)壘 Ga0.65Al0.35As N-50
3 發(fā)射極漂移區(qū) GaAs N，2.1015cm-31000
4 基區(qū) GaAs N，2.1017cm-3500
5 集電極勢(shì)壘 Ga0.65Al0.35As N-200
6 集電極漂移區(qū) GaAs N，2.1015cm-32000
7 集電極 GaAs N+3.1018cm-3它由兩個(gè)反向偏置的異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘串接而成;每一異質(zhì)結(jié)都包括一薄層勢(shì)壘區(qū)和一層較厚的漂移區(qū)，漂移區(qū)的作用，一為減小外加偏壓，對(duì)勢(shì)壘形狀之影響;二為降低結(jié)電容。
發(fā)射極勢(shì)壘②的厚度較薄，約為50
左右，電子可以從發(fā)射極①隧道效應(yīng)穿過(guò)勢(shì)壘，由于較厚的發(fā)射極漂移區(qū)③的存在，加上發(fā)射極-基極偏壓(發(fā)射極為正電壓)后，電壓大都降落在漂移區(qū)，對(duì)勢(shì)壘形狀影響不大，因此，發(fā)射極電流基本上是一常數(shù)，不隨偏壓改變。
注入電流經(jīng)漂移區(qū)加速后，越過(guò)基區(qū)④達(dá)到集電極勢(shì)壘⑤，如果電子動(dòng)能足夠高，它可以越過(guò)勢(shì)壘，經(jīng)集電極漂移區(qū)⑥到達(dá)集電極⑦如果電子動(dòng)能不夠，它將被集電極勢(shì)壘阻擋，落入基區(qū)。
雖然發(fā)射極-基極輸入電壓不影響發(fā)射極電流的大小，但它卻直接決定了注入電子流到達(dá)集電極勢(shì)壘時(shí)的動(dòng)能，從而控制了電子越過(guò)集電極勢(shì)壘的幾率，也就是說(shuō)，輸入電壓控制了電流傳輸系數(shù)和輸出電流。
這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是(1)高輸入阻抗 由于發(fā)射極電流基本上不隨偏壓改變，因此，交流輸入阻抗很高，同時(shí)，由于有較厚的漂移區(qū)，因此輸入電容也小得多。
(2)高電流增益由于電流傳輸系數(shù)α本身是一個(gè)調(diào)變的量，從0到αmax(0.7左右)間變化，因此，αmax＜1.0不再是一個(gè)問(wèn)題，由于輸入電流(交流)很少，因此電流增益β＞＞1。
(3)極短渡越時(shí)間 因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)了集電極勢(shì)壘后，才出現(xiàn)交流信號(hào)電流，因此，電子渡越時(shí)間只包含集電極渡越時(shí)間這一項(xiàng)。
(4)高的電流密度和高的互導(dǎo) 熱電子器件有類(lèi)似于雙極晶體管的性能，加上彈道運(yùn)動(dòng)速度很快，因此，電流密度、互導(dǎo)的值很高，器件面積可以做得極小。
(5)沒(méi)有輸出-輸入間的反饋電容(基極接地時(shí))，這也是通常場(chǎng)效應(yīng)管或雙極晶體管所沒(méi)有的。
總之，這一新結(jié)構(gòu)將同時(shí)具有通常場(chǎng)效應(yīng)晶體管(高輸入阻抗)和雙極晶體管(高電流密度、高互導(dǎo))的主要優(yōu)點(diǎn)。
初步計(jì)算表明，器件的最高振蕩頻率fm a x=12π〔gmrbcoci〕12]]>
其中g(shù)m為互導(dǎo)，rb為基極電阻，coci分別為輸出、輸入電容，互導(dǎo)gm可表達(dá)為gm= (qIc)/(△E)Ic為工作電流，△E為開(kāi)關(guān)這一電流的電子動(dòng)能改變量，通常小于0.1電子伏特。
適當(dāng)選取器件形狀，估算得到fmax＝1000GHZ，比現(xiàn)有器件要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
有關(guān)本器件的關(guān)鍵特性(高輸入阻抗)，已從實(shí)驗(yàn)上得到證實(shí)。其它部份則和通常的熱電子晶體管是一致的，實(shí)現(xiàn)起來(lái)應(yīng)無(wú)特別困難。
參考文獻(xiàn)(1)C.A.Mead.Proc.IRE.Vol.48.PP359-361(1960)(2)M.Heiblum.Solid State Electrenics Vol.24.
PP343-366(1981)(3)J.M.Shannon IEE J.Solid State & ElectronDevices Vol.3 PP142-144(1979)(4)R.J.Malik et al.Tech.Papers on 8th Bien.
eonf.Cornell University.PP75-85(1981)(5)N.Yokeyama et.al Digest of 1984 IEDM PP532-536(1984)(6)I Hase et.al Electron Letts.Vol.21 PP757-758(1985)
權(quán)利要求
1.本發(fā)明提出了一種新型結(jié)構(gòu)熱電子晶體管，它的輸入電壓不改變輸入電流的大小，而是調(diào)制電子流的動(dòng)能，改變它越過(guò)集電極勢(shì)壘的幾率從而控制輸出電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1，輸入異質(zhì)結(jié)包括一薄勢(shì)壘層，電子可以籍隧道效應(yīng)穿過(guò)它，同時(shí)包括一較厚的漂移區(qū)，組成這二層的材料分別是Ga0.65Al0.35As(50
)和GaAs(1000
)，n＝2.1015cm-3)也可以選取其它可構(gòu)成異質(zhì)勢(shì)壘之材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1，輸出集電極異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘較厚(200
)動(dòng)能不足夠，不能越過(guò)它的電子將被阻擋，它也同時(shí)包括一較厚的漂移區(qū)，以減少偏壓對(duì)勢(shì)壘高度的影響，并降低電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1，除了兩層勢(shì)壘區(qū)外，其它部分的材料將是具有高遷移率，長(zhǎng)電子自由路程以及極高電子彈道運(yùn)動(dòng)速度的材料。例如GaAs組成勢(shì)壘區(qū)的材料應(yīng)是和本體各層晶格匹配、禁帶更寬，電子親和勢(shì)低，能形成勢(shì)壘的材料。例如Ga0.65Al0.35As。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明提出了一種新結(jié)構(gòu)的熱電子晶體管，它在工作時(shí)，輸入電壓將基本上不改變輸入電流的大小，只調(diào)制輸入電子流的動(dòng)能從而調(diào)制了電子飛越輸出端集電極勢(shì)壘的幾率，控制了電流傳輸系數(shù)和輸出電流。
這一結(jié)構(gòu)克服了通常熱電子晶體管電流增益低，輸入電容大的缺點(diǎn)，具有輸入阻抗高，電流增益高，渡越時(shí)間短，電流密度和互導(dǎo)值高，無(wú)輸出——輸入電容反饋等優(yōu)點(diǎn)，亦即同時(shí)兼有場(chǎng)效應(yīng)管和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算表明極限工作頻率可以高達(dá)1000千兆周。
文檔編號(hào)H01L29/68GK86105050SQ86105050
公開(kāi)日1988年3月2日 申請(qǐng)日期1986年8月21日
發(fā)明者朱恩均 申請(qǐng)人:朱恩均導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan