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半导体开放世界

Gunn 器件

Gunn / Transferred-Electron Device也称 Gunn器件、冈恩二极管、TED、转移电子器件

利用高场谷间转移和负微分迁移率产生微波响应的体效应器件。

进阶出处 2 本教材
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利用高场谷间转移和负微分迁移率产生微波响应的体效应器件。

系统理解

约 2 分钟

高场使电子从高迁移率低能谷转移到低迁移率卫星谷，平均速度可随场增加而降低。空间电荷扰动可能成长为传播高场畴，其生成和消失造成周期电流；其他模式通过抑制或淬灭畴工作，不能统一套用全长渡越频率。

在漂移输运、能带和PN结基础上比较两种微波动态负阻机制；不要与隧穿负阻混为一谈。

关键参数

关键参数
参数单位含义
微分迁移率μ_dm²/(V·s)平均漂移速度对电场的局部斜率
有效长度Lm指定模式的有效输运长度
畴速度v_dm/s成熟高场畴的传播速度

常见误区

  • Gunn名称不表示一定有PN整流结
  • 负微分速度斜率不表示载流子反向移动
  • f≈v_d/L仅适用于相应渡越模式

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

体效应与材料条件

定义

Gunn器件不依靠整流PN结实现负阻

Gunn器件也称转移电子器件TED，通常利用偏置半导体中的体输运效应产生负微分电阻，而不是通过PN结整流来定义其核心功能。“Gunn二极管”的两端名称不能用来推定内部一定有整流结。12

成立条件 本页讨论传统多能谷转移电子器件；接触结构仍会影响实际器件注入与电场

机制

高场把电子转移到低迁移率卫星谷

电子受场加热后可从低能、高迁移率的导带谷散射到较高能、较低迁移率的卫星谷；高场下平均漂移速度因此可能随场增强而下降。机制是谷间占据的变化，不是晶体管栅极夹断。12

成立条件 材料具有相应的多谷能带与输运参数；不是所有半导体在任意高场都会发生相同转移

定义

负微分迁移率不等于平均漂移速度反向

负微分迁移率表示漂移速度对电场的局部斜率为负；平均速度仍可沿原方向为正。必须区分局部导数与速度除以电场的比值。1

μd=dvdE<0\mu_d=\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}E}<0
μ_d = dv/dE < 0
μ_d
微分迁移率，单位 m²/(V·s)
v
平均漂移速度，单位 m/s
E
电场大小，单位 V/m

成立条件 在规定稳态速度—场曲线上定义局部导数；沿一维场方向使用标量速度

边界

材料条件要使谷间转移先于破坏性失效

传统转移电子机制要求低能谷在低场有较高占据和迁移率，卫星谷具有较低迁移率，并存在合适能量间隔。还要避免在实现所需转移之前已被其他高场过程主导，不能只凭“多谷”标签判定器件可用。1

成立条件 这里限定教材多谷转移电子模型；高温、能谷间隔和其他散射机制都可能破坏简单图像

空间电荷与畴运动

机制

负微分迁移率能放大空间电荷扰动

局部高场让该处电子运动变慢，后方电子更快到达而前方电子继续离开，可使积累和耗尽成分增长，形成高场电偶极畴。负微分迁移率使均匀场状态可能不稳定，并不保证任何长度和掺杂都形成成熟畴。12

成立条件 必须同时有足够电荷与形成时间；这里采用一维体输运说明

机制

成熟高场畴把外部电流变成周期变化

在典型畴渡越模式中，高场畴由阴极附近生成并向阳极移动；畴在阳极消失后电场重新分布并可启动新畴。外部周期电流来自整个器件场分配和载流子输运，而不只是一个局部结的充放电。12

成立条件 典型单畴渡越模式；不推广为所有TED工作模式

公式

渡越模式的频率由畴速度与长度估计

当一个畴完成一次全长渡越近似对应一个周期时，频率可用畴传播速度除以有效长度估计。式中速度是相应工作状态的畴速度，不应直接用低场迁移率乘任意平均电场替代。1

f≈vdLf\approx\frac{v_d}{L}
f ≈ v_d/L
f
畴渡越振荡频率，单位 Hz
v_d
畴传播速度，单位 m/s
L
有效畴渡越长度，单位 m

成立条件 单畴全长渡越，忽略形成与消失的额外时间；不是外部谐振控制或提前淬灭模式的通用公式

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学估算：单畴渡越器件有效长度10 μm，畴速度1.0×10⁵ m/s，估计频率。

已知

  1. L=10 μm；v_d=1.0×10⁵ m/s，均为教学假设
  2. 一周期对应一次全长渡越

步骤

  1. T ≈ L/v_d = (10×10⁻⁶)/(1.0×10⁵) s = 1.0×10⁻¹⁰ s，先计算畴渡越时间。
  2. f ≈ 1/T = 1.0×10¹⁰ Hz = 10 GHz，取周期的倒数。
结果 约10 GHz。

缩短有效渡越长度可提高该模式的频率尺度。

不能外推到 未计算谐振负载、形成延迟、热或接触死区，不能视为型号性能保证。

模式与设计约束

定义

掺杂浓度和长度必须联合判断畴能否成长

掺杂提供的电荷与传播长度共同约束空间电荷成长；仅给平均场高于阈值，不足以判断器件处于稳定畴、积累层或其他模式。教材的临界积量属于其GaAs/InP模型，不能不加条件当作所有材料的常数。1

成立条件 限定传统GaAs/InP转移电子讨论；还应检查掺杂均匀性、接触和外部电路

边界

提前淬灭的畴不再按全长渡越决定周期

谐振回路可在畴尚未到达阳极时把偏置降至畴消失条件，下一周期再重新生成畴。此时振荡可由回路周期控制，因此不能仅凭长度反推频率。1

成立条件 淬灭畴模式需要满足实际电压摆幅和淬灭时间；与已经形成成熟畴后任其全长渡越的模式区分

机制

LSA模式通过时间安排限制空间电荷成长

受限空间电荷积累模式使偏置在一个射频周期内快速跨越负微分迁移率区，限制高场畴成长并在低场阶段清除积累。它利用时间尺度控制而不是假定材料没有空间电荷。12

成立条件 检查成长、清除和掺杂起伏的条件；不宣称LSA必然在所有器件中给出最高频率

边界

接触、热与能量弛豫限制简单缩短器件的收益

接触附近的电子加热死区会占用有效长度，能量弛豫与谷间散射也需要有限时间；同时器件需要导出直流偏置转化的热。不能只按频率与长度成反比无限缩小而忽略这些限制。1

成立条件 讨论传统TED工程限制；不将历史测得最高频率当作未来材料的固定上限

关联

Gunn器件可作微波源但负阻不是无源能量源

合适偏置与谐振负载把直流供能转换成射频输出，使TED可用于本振等微波源。负微分电阻描述能量交换的工作区，不意味着器件不需要直流电源或没有噪声。12

成立条件 需满足偏置、负载匹配与稳定工作模式；不把教材历史性能比较外推为当前所有微波源排名

出处

2 本教材 · 18 处引用
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    Physics of Semiconductor Devices

    S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021

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