[其他]动能调制热电子晶体管

说明书

热电子晶体管是一种超高速固体器件，早在1960年Mead〔1〕就已提出，60年代曾有不少工作，但都因当时的工艺条件限制没能成功。近年来，由于分子束外延等先进工艺技术的发展，这一课题又重新提上日程。1980年Heiblum对此作了详细的回顾，并提出异质结结构，此后，Shannon，〔2〕Malik，〔3〕Yokoyama，〔4〕Hase，〔5〕等人都先后报导了初步的实验结果。

通常的热电子晶体管，其结构和双极晶体管类似，发射极是一个隧道结，加偏压后，势垒厚度变薄，电子得以籍隧道效应注入，由于注入电子有足够能量，可以飞越集电极势垒，到达集电极。

迄今为止，这一类结构中的主要问题是：由于基区中的散射以及势垒处的量子力学反射，电流传输系数α不高（约为0.7），这样，器件的增益就比较低，此外，由于发射结势垒很薄，结电容比较大。

本发明提出了热电子晶体管的一种新结构，称为动能调制热电子晶体管，其结构和能带图如附图所示，图中各部分名称、材料、掺杂情况、厚度如下表：

序号    名称    材料    掺杂浓度    厚度

1 发射极 GaAs N⁺，3.10¹⁸cm^-2

2 发射极势垒 Ga_0.65Al_0.35As N^-50

3 发射极漂移区 GaAs N，2.10¹⁵cm^-31000

4 基区 GaAs N，2.10¹⁷cm^-3500

5 集电极势垒 Ga_0.65Al_0.35As N^-200

6 集电极漂移区 GaAs N，2.10¹⁵cm^-32000

7 集电极 GaAs N⁺3.10¹⁸cm^-3

它由两个反向偏置的异质结势垒串接而成;每一异质结都包括一薄层势垒区和一层较厚的漂移区，漂移区的作用，一为减小外加偏压，对势垒形状之影响;二为降低结电容。

发射极势垒②的厚度较薄，约为50左右，电子可以从发射极①隧道效应穿过势垒，由于较厚的发射极漂移区③的存在，加上发射极-基极偏压（发射极为正电压）后，电压大都降落在漂移区，对势垒形状影响不大，因此，发射极电流基本上是一常数，不随偏压改变。

注入电流经漂移区加速后，越过基区④达到集电极势垒⑤，如果电子动能足够高，它可以越过势垒，经集电极漂移区⑥到达集电极⑦如果电子动能不够，它将被集电极势垒阻挡，落入基区。

虽然发射极-基极输入电压不影响发射极电流的大小，但它却直接决定了注入电子流到达集电极势垒时的动能，从而控制了电子越过集电极势垒的几率，也就是说，输入电压控制了电流传输系数和输出电流。

这一结构的优点是：

（1）高输入阻抗    由于发射极电流基本上不随偏压改变，因此，交流输入阻抗很高，同时，由于有较厚的漂移区，因此输入电容也小得多。

（2）高电流增益 由于电流传输系数α本身是一个调变的量，从0到α_max（0.7左右）间变化，因此，α_max＜1.0不再是一个问题，由于输入电流（交流）很少，因此电流增益β＞＞1。

（3）极短渡越时间    因为只有通过了集电极势垒后，才出现交流信号电流，因此，电子渡越时间只包含集电极渡越时间这一项。

（4）高的电流密度和高的互导    热电子器件有类似于双极晶体管的性能，加上弹道运动速度很快，因此，电流密度、互导的值很高，器件面积可以做得极小。

（5）没有输出-输入间的反馈电容（基极接地时），这也是通常场效应管或双极晶体管所没有的。

总之，这一新结构将同时具有通常场效应晶体管（高输入阻抗）和双极晶体管（高电流密度、高互导）的主要优点。

初步计算表明，器件的最高振荡频率