转移电子器件在微波振荡器中的工作原理

潘 龙

（作者单位：四川广播电视台520发射传输台）

1963年，美国的耿氏（Gunn）发现在一块N型砷化镓两端加上超过3 kV/cm的电压时，就会产生微波振荡，振荡频率与半导体的长度成反比。微波振荡是由N型砷化镓中电子转移现象产生的，所以叫做转移电子器件。它是基于多数载流子在半导体材料中的运动特性来产生微波振荡的，所以又叫做体效应二极管或耿氏效应二极管。转移电子器件振荡器的频率可以从1～100 GHz，能产生几毫瓦到2瓦的连续波功率，效率为百分之几到百分之十五。由于它具有宽调谐、低噪声等优点，因而广泛应用于微波电子系统中。

1 转移电子器件的工作原理

1.1 N型砷化镓的能带结构

砷化镓的能带结构如图1所示，由价带、导带和禁带组成，禁带的宽度为Eg=1.53eV。它的导带为多能谷结构，共具有七个能谷，其中位于中心位置最低能量的主谷与邻近的一个子谷最为重要，主谷和这个子谷的能级差ΔEg=0.36eV。处于这两个能谷中的电子，具有不同的有效质量和不同的迁移率μ。主谷即低能谷的电子为轻电子或快电子，它的有效质量较小，而迁移率较大，一般为μ1≈7 500～9 300 cm2/V×s；而子谷即高能谷的电子是重电子或慢电子，它的有效质量较大，而迁移率较小，为μ2≈110～150 cm2/V×s。在室温T0=290K时，砷化镓中的平均电子能量为k·T0≈0.025eV（k为玻尔兹曼常数，eV为电子伏特），远小于高、低能谷间的能级长差ΔEg，所以多数电子处于低能谷中。

当有外加电场E时，随着电场E增加，电子的运动速度增大。若电子的总能量大于0.36 eV时，低能谷中的电子就会被激发到高能谷中去。

图1 N型砷化镓的能带结构

1.2 砷化镓的平均速度—电场特性

设总的电子密度为n0，处于低、高能谷的电子密度分别为n1和n2。砷化镓材料中电子的平均速度与外加电场的关系如图2所示。

图2 砷化镓中电子的平均速度与外加电场的关系

（1）当外加电场强度E为0＜E＜E/时，几乎所有电子都处于低能谷，即n1≈n0，n2≈0。所以电子的平均速度可以表示为

这时平均速度—电场特性如图2（I）段所示。

（2）当外加电场E/＜E＜E/时，电子由低能谷不断跃迁到高能谷，即不断由高迁移率状态转到低迁移率状态，由快电子变为慢电子，电子的平均速度降低。这时的n1+n2=n0，所以电子的平均速度为

式中为平均迁移率。

当电场强度增大到Eth时，电子速度增大到峰值。如果外加电场超过Eth，由于高能谷中的电子即慢电子数增大了许多，使电子总的平均速度反而下降，如图2中的II段所示，此时微分迁移率。微分迁移率由正变负，经过零点，与这时对应的电场称为阀值电场Eth。为产生Eth而在器件两端所加的电压，就叫做阀值电压Vth。

流过砷化镓材料的电流为I=AJ，式中A为器件的横截面积，J是电流密度可由下式表示

式中σ为电导率，与电阻率互为倒数。它又可用下式表示

其中e是电子电荷量。由于μd为负值，所以σ也为负值。即与负的微分迁移率相对应，砷化镓在一定的电场范围内具有负的微分电导率。这就是砷化镓材料能产生负阻的基本原理。

（3）当外加电场E＞E//时，几乎所有的电子迁移率都跃迁到高能谷中去了，这时n1≈0，n2≈n0，所以

电子的平均迁移率随外加电场的增加略有增大，微分迁移率再次变为正，如图2的Ⅲ段所示。

综上所述，由于砷化镓具有多能谷的能带结构，在外加电场的作用下，电子从低能谷转移到高能谷的过程中，出现了负的微分迁移率，而负的微分迁移率又与负的微分电导率相对应。因此，这种材料在一定的电场作用下具有负阻特性。

1.3 偶极畴（高场畴）

前面介绍了砷化镓材料形成负阻的机理，下面具体讨论它产生微波振荡的过程。

1.3.1 畴的产生

当砷化镓材料上所加直流电压V＜Vth（即E＜Eth）时，材料中的电场分布均匀，载流子在两极之间均匀连续的漂移，没有发生电子转移。

当外加电压增大到V＞Vth（即E＞Eth）时，由于砷化镓材料和阴极接触的界面上存在较大的电阻，同时由于杂质的不均匀性，在阴极附近的电压降比较大，电场也较强。这时，阴极附近某处x0的电场首先超过阀值电场Eth而进入负阻区，如图3（c）所示。这样，x0处的电子的平均漂移速度减慢，x0左边的电子由于E＜Eth而仍以较快的速度走向x0，电子在x0处积累起来，这种空间电荷的积累叫做畴。同时x0右边的电子仍以原来的快速度向阳极运动，由于x0处的电子速度慢，不能立即补充，使x0右边欠缺电子，而留下一层正的空间电荷。x0处的正负电荷就形成了偶极层，也就是偶极畴。这个畴本身的电场方向与外加电场方向相同，从而使畴内电场比畴外电场高得多，所以偶极畴又叫高场畴。由于外加电压和砷化镓材料的长度都是一定的，畴内电场高了，畴外电场就必然低，也就是说外加电压的大部分降在高场畴上了。这样一来，畴外电场一般不可能超过阀值，因此，在转移电子器件内只会形成一个高场畴。高场畴产生后，器件内的电场分布就不再是均匀的了，而成为如图3（e）所示的情况。

图3 偶极畴产生时的电荷、电场分布

1.3.2 畴的发展和消失

高场畴在外加电场的作用下，要从阴极渡越到阳极，并在渡越中逐渐长大，刚开始的畴很小，由于畴内电场比畴外强，使畴内电子积累和耗尽更加强烈，畴内的电场也就越来越强，畴外的电场也就越来越弱。这一过程一直持续到畴内电子的平均运动速度与畴外电子的运动速度相等时，畴就不再增大。同时畴以一定的速度运动到阳极直到被阳极吸收为止，然后又在阴极附近产生新的畴，并重复上述过程。图4表示了畴的形成、生长、渡越和消失的过程以及材料内电场的关系。

图4 偶极畴的形成和渡越过程

1.3.3 电流波形

转移电子器件内电子运动的平均速度与时间的关系如图5所示，其中a点表示畴开始形成，ab段表示畴在长大，bc段表示畴成熟后向阳极渡越，cd表示畴到达阳极消失。前面已提到转移电子器件内的电流为I=AJ，并由式（2）（3）（4）可得

也就是说I与成正比，所以转移电子器件内的电流波形应与图5所示曲线一致。

图5 转移电子器件内电子平均速度与时间的关系

1.3.4 电流—电压特性

转移电子器件的电流—电压特性曲线如图6所示，它与速度—电场曲线有相似之处，但有也明显差别。当器件两端的电压从零开始上升时，电流沿直线段AB增加；当外加电压超过电压Vth时，电流沿线段BC下降，在这期间，转移电子器件内有偶极畴的生长和渡越，器件呈现负阻；之后再继续加大外加电压时，电流缓慢增加，如CD所示。

反之，当外加电压从较高的值下降时，电流变化曲线为DC；当电压继续下降时，电流的变化曲线不再是CB了，而是沿虚线所示的CE段变化，也就是说，在偶极畴渡越期间，外加端电压即使下降到阀值Vth以下时，畴内电场还是很高，畴不会立即消失；只有在端电压下降到VS以后，畴才会立即消失，这里的VS叫做畴的维持电压；畴消失后，随着电压的下降，电流逐渐降到零，变化曲线如线段EA所示。

图6 转移电子器件的电流—电压特性

1.3.5 等效电路

转移电子器件的等效电路如图7所示，其中-Rd和Cd为畴的电阻和电容，R0和C0为畴外部的电阻和电容，LS是引线电感，CP为管壳电容。

图7 转移电子器件的等效电路

2 转移电子器件的振荡模式

2.1 畴的生长时间TD、渡越时间Tt和产生振荡的条件

偶极畴从产生、长大到成熟所需要的时间叫做畴的生长时间，用TD表示。由电磁场理论可知，在均匀线性媒质中，电荷随时间变化的规律为

式中，ρ0为电荷密度的初始值：。

如果在导电媒质中，μd＜0，则Td＜0，这时该媒质中的任何电荷不均匀性都要按指数规律增长，|μd|越大，生长就越快。于是定义

为负微分迁移率媒质的电荷生长时间，它是电荷密度增加到初始值得e倍所需要的时间。

如果转移电子器件中畴的渡越区间（又叫做工作层或有源区）的长度为L，电子的饱和漂移速度为vS，则畴的渡越时间为

当TD＞Tt时，表示电子会在畴成熟之前到达阳极，所以不能形成畴。欲使畴形成，必须有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

上式就是砷化镓材料中产生振荡的条件。即要产生振荡，除器件必须有足够的载流子浓度外，还必须有足够的有源区长度。

2.2 纯粹渡越时间模（T0=Tt）

转移电子器件与适当的外电路结合就构成了振荡器。由于器件外面接有谐振电路等外电路，因而器件上除加有直流电压外，还重叠有谐振电路上的交流电压，受这个交流电压的影响，器件可以产生不同的振荡模式，纯粹渡越时间模就是其中的一种。在这种模式中，器件的偏压Vb超过阀值电压Vth，外电路采用低Q值的谐振回路，因而交流电压幅度很小，从而合成电压的最小值仍然大于阀值电压，如图8所示。

图8 纯粹渡越时间模的工作原理

在t1瞬间，器件内形成偶极畴，电流立即从a点快速下降到b点；t1～t2期间，偶极畴向阳极渡越，在t2瞬间，畴到达阳极被吸收而消失，电流迅速上升，同时在阴极附近又产生一个新的畴，这样不断反复，就形成了一系列的电流脉冲，这种模式的高频振荡周期T0就等于渡越时间Tt。

如前所示，减少器件的有源区长度L就可以提高振荡频率，但L太小，承受功率的能力也就降低，因此两者是相矛盾的。而且由于电流是尖脉冲，效率就低，大约为7%。

2.3 淬灭畴模（TD＜T0＜Tt）

当Vb＞Vth时，由于外电路采用高Q值谐振回路，所以反作用到器件上的交流电压幅度较大，导致合成电压在一个周期的大部分时间内处于阀值电压以上，只有小部分时间在维持电压以下，如图9所示。

图9 淬灭畴模的工作原理

当外加电压由最小值Vmin上升时，电流特性曲线沿oda线上升，当达到a点以后，电压超过阀值，偶极畴产生并成长，电流特性曲线沿ab线迅速下降，达到b点后，偶极畴已成熟并在器件内渡越，电流特性曲线沿bc曲线变化，直到电压达到最大值。

当电压从最大值开始下降时，电流特性曲线沿cbd曲线变化，在t2瞬间，外加电压小于维持电压，偶极畴淬灭，电流特性曲线沿ado曲线下降，直到第二个Vmin……，如此不断重复，就称为淬灭模振荡。

由上述可见，偶极畴的生长和淬灭由交流电压控制，即振荡频率由谐振电路控制，与工作层长度L无关。由于T0＜Tt，所以淬灭模的振荡频率ft要比渡越频率ft高，但f0的上限要保证在t2～t3时间内畴能淬灭，否则会接着产生第二个畴。这种模式的效率比纯粹渡越时间模要高，约为13%。

2.4 延迟畴模（TD＜Tt＜T0）

在渡越时间Tt＜T0的条件下，偶极畴到达阳极被吸收时，合成电压正好下降到阀值电压以下，这时新的畴不能产生，器件内没有畴，直到合成电压再次上升到超越阀值电压时，才又产生一个新的畴。这种畴由于外电路的原因而延迟了产生，所以叫做延迟畴模，如图10所示。延迟畴模外电路的Q值和器件的偏置与淬灭模类似，同样TD＜Tt，即在阴极产生的畴能充分成长并渡越。

延迟畴模的工作过程与淬灭畴模相似，差别在于t=t2时，即器件的合成端电压由最大值下降到Vt2时，偶极畴已经到达阳极并消失，同时Vt2＜Vth，所以没有新畴产生。电流特性曲线就从cbd线突然变到ade线上（见图中的向上的箭头），并沿ade线下降，然后再沿eda线上升，直到t=t3瞬间，合成端电压再次上升到阀值，器件内又产生一个新的畴。这种畴的周期被延迟了一段时间Δτ=t3-t2。

延迟畴模振荡的频率范围是ft/2＜f0＜ft，其中f0＜ft是由延迟畴模的定义所决定，f0＞ft/2是为保证偶极畴到达阳极时，电压低于Vth。延迟畴模的理论效率可达27%。

以上三种振荡模式在器件里都必须形成偶极畴，所以统称为行畴模。不过在实际振荡器中，各种模式的界限并不是十分严格。

图10 延迟畴模的工作原理

耿氏二极管是转移电子器件之一。此外，还有其他振荡模式（如限制空间电荷模式、弛豫振荡模式、混合振荡模式等）的转移电子器件，但实际应用的模式还是偶极畴渡越时间模式，它在微波电路中已得到有效的应用。