器件的电子学特性解析

在施加偏压时,器件的双肖特基栅阵中耗尽层宽度W会随着偏压V的增大而增大(反向偏压时V取负值),满足如下公式[7]：

式中,n-GaAs的介电常数εn GaAs=12.9;ε0为真空中的介电常数;e为电子电荷量;n-GaAs的掺杂浓度N d=3×1016 cm-3;V bi为内建电势差,表示为

式中,金的功函数Φm=5.1 V;n-GaAs的电子亲和能χ=4.07 V;K为波耳兹曼常数;温度T=300 K;n-GaAs的电子有效态密度N c=4.7×1017 cm-3。由式(4.4)和式(4.5)可以得到图4.23(a)所示的耗尽层宽度与偏压的关系曲线。

图4.23　(www.xing528.com)

(a)耗尽层宽度与偏压的关系曲线;(b)掺杂区与耗尽层n GaAs在THz波段的介电常数的实部和虚部

由于耗尽层中载流子浓度远远低于耗尽层外掺杂区载流子浓度,这就使得掺杂区与耗尽层n-GaAs在THz波段的介电性质完全不同,两者的介电常数满足Drude模型。等离子体频率ωp=(N d e 2/ε0m*)1/2,其中n-GaAs的有效质量m*=0.067m e(m e为电子质量);弛豫时间τ=3.2×10-13 s。由式(2.3)可以得到图4.23(b)中的结果,可见在THz波段,掺杂区n-GaAs对THz波具有强烈的反射和损耗,可以看作有损金属,而耗尽层n-GaAs对于THz波几乎是无损电介质。因此,当器件施加偏压时,随着耗尽层宽度的变化,器件的光波导结构发生了变化,从而导致器件对THz波的传输性质和谐振特性发生改变,利用这一特性可以在特定频率实现对THz波的调制。

图4.24所示为不同电压下器件载流子(电子)浓度分布的模拟结果。其中蓝紫色部分具有极低的电子浓度(＜108 cm-3),即为肖特基势垒的耗尽层;红色部分为掺杂区,电子浓度为3×1016 cm-3;黄色部分为Si-GaAs基底,其电子浓度为1012 cm-3量级。由图4.24可以看到,0 V时,肖特基势垒耗尽层宽度约为0.1μm;15 V时,栅格台阶处耗尽层宽度增加到约1μm,整个栅格台阶部分的电子被抽运;-15 V时,Si-GaAs基底下方的耗尽层宽度增加到约1μm。电压对器件电子学特性的调控实质上就是对其耗尽层宽度的控制,影响着非掺杂和掺杂n GaAs在器件中的区域分布。模拟结果与图4.23(a)中理论公式的计算结果吻合很好。

图4.24　不同电压下器件载流子(电子)浓度分布的模拟结果

(a)0 V;(b)15 V;(c)-15 V