氮化镓耿氏二极管最高工作频率计算

  在耿氏效应中,材料中的载流子必须积累到一定的能量,才能从其主能谷跃迁到其卫星能谷中。如果是通过外加电场给载流子提供能量,那么载流子就必须通过一定的时间加速来达到所需的能量。所以在以耿氏效应为工作原理的转移电子类器件中,存在载流子在主能谷中积累能量所需的时间以及载流子向卫星能谷跃迁所需的时间。由于上面的原因,所以以耿氏效应为机理的转移电子器件有一定的工作频率上限。
 
  下面以畴的观点来分析这个问题。在畴的理论模型下认为,一个畴从阴极开始形成,到并在向阳极漂移的过程中,一边生长,一边漂移,畴达到它稳定时所需时间即为最小的振荡周期。把畴的形成并稳定的这段时间称为畴的渡越时间或是畴的生长时间,也称为负微分电阻弛豫时间τ,其中包括谷间能量弛豫时间τER和谷间传输散射弛豫时间τET
计算公式1~2 
  能量弛豫指的是处于主能谷的载流子在外加电场的作用下通过加速获得动能的过程,即为载流子加速的过程。获得的这个动能至少应该等于主能谷和卫星能谷能量值之差ΔE才能发生跃迁。因此能量弛豫时间τER可视为,处于主能谷底部的载流子在外加电场作用下从静止态被加速,到获得的动能等于卫星能谷底与中心能谷底的能量差ΔE谷所需的时间,即
计算公式3 
  其中meff为载流子的有效质量,Eth为载流子临界跃迁电场。通过上式可以计算出氮化镓材料中的能量弛豫时间为0.15ps,而砷化镓材料的能量弛豫时间为1.5ps,氮化镓的τER比砷化镓的τER小10 倍左右。
 
  谷间传输弛豫时间可以通过对氮化镓材料进行蒙特卡洛仿真得到,现在得到的仿真值分别为氮化镓-1.2ps、砷化镓-7.7ps。从上面的计算中,可以看出相对于砷化镓材料,氮化镓在频率特性上的优势很大。氮化镓材料可以应用在需要更高的工作频率的场合。
 

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