氮化镓耿氏二极管

氮化镓耿氏二极管
  目前首先应用于太赫兹领域的半导体功率电子器件以负阻器件为主,比如基于砷化镓和磷化铟材料的耿氏二极管、肖特基二极管和崩越二极管等,但是由它们构成的电路,经倍频后信号输出功率太低(几百微瓦、几毫瓦的量级)。以碳化硅SiC和氮化镓GaN材料为代表的第三代宽禁带半导体材料由于具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、高异质结界面二维电子气浓度等优良特性,因此在微波毫米波大功率电子器件领域受到了人们广泛的关注。而近几年来,随着太赫兹这一新兴科学技术领域的迅猛发展,氮化镓基转移电子器件在太赫兹频段的应用研究日益蓬勃,这是由于氮化镓材料比传统的化合物半导体砷化镓(GaAs)具有更高的工作频率和输出功率。对氮化镓材料的蒙特卡罗模拟研究显示,氮化镓材料的负阻振荡基频频率可达750GHz,远远大于砷化镓材料的140GHz,而更为重要的是,在太赫兹工作频段,氮化镓基器件的输出功率比砷化镓高一到两个数量级,可以达到几百毫瓦甚至几瓦的功率,这在太赫兹技术中是最令人感兴趣的器件指标。宽带隙氮化镓半导体材料技术的日益发展给了人们很大的鼓舞,希望将其高频大功率的特性应用于太赫兹领域,但以当前的技术水平,氮化镓材料的制备和缺陷的控制仍存在较大的问题,因此目前最接近实用的氮化镓基太赫兹功率电子器件应首推耿氏二极管器件。
 
  耿氏二极管是一种利用耿氏效应工作的微波有源器件,其基于耿氏效应的负微分电阻效应(NDR),为微波振荡器提供了一个低成本,低噪声以及高功率的解决方案。过去这些器件主要用于微波测试仪器、汽车防撞系统、高速通信、生物监测、军用雷达等其他方面。
 
  耿氏二极管和雪崩二极管常常作为高频微波信号发射源,但与雪崩二极管相比,耿氏二极管具有工作频率高、稳定性强、可靠性高、噪声低、频带宽、电源电压低、成本低、体积小以及工作寿命长等优点。经过模拟可知,电子转移器件中的耿氏二极管具有在太赫兹波段工作的巨大潜力。耿氏二极管将是一种重要的便携式连续可调的成本较低的太赫兹发射源。由于其具有的许多优点,必定在毫米波和太赫兹领域中占有一席之地。
 
  当前的耿氏二极管主要基于砷化镓和磷化铟这两种III-V族化合物半导体来制造。尽管这两种材料提供了很好的可靠性,但是它们在工作频率以及功率输出能力方面由于其材料特性而受到了很大的限制。氮化镓材料作为一种宽禁带半导体材料,其速场关系同样表现出负微分电阻特性。相比砷化镓和磷化铟,其相对较大的谷间能带差,以及更高的峰值速度和饱和速度等特性,使其具有更加优良的功率处理能力和更高的工作频率。因此氮化镓耿氏二极管作为太赫兹领域里的太赫兹产生源之一。由于其具有的许多优点,必定在太赫兹领域中占有一席之地。

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