第22卷 第2期 2002年5月
V o l . 22,N o. 2固体电子学研究与进展
M ay, 2002共振隧穿二极管交流小信号模型的建立
牛萍娟 郭维廉 梁惠来 张世林 吴霞宛
(天津大学电子信息工程学院, 300072)
20010710收稿, 20011123收改稿
Ξ
摘要:, , 验证了这种方法的正确性。
关键词:; . :A 文章编号:100023819(2002) 022137204
The AC S mall -signal M odel Establish m en t of
Resonat Tunneli ng D iodes (RT D )
N I U P ingjuan GU O W eilian L I AN G H u ilai ZHAN G Sh ilin W U X iaw an
(S chool of E lectron ic Inf or m a tion E ng . T ianj in U n iversity , 300072, CH N )
Abstract :T he A C s m all 2signal circu it m odel of R esonan t T unneling Do ide is estab lished . B ased on th is m odel the R TD A C charcteristic and its m icro stri p o scillato r are si m u lated by PSP I CE softw are . T he si m u lati on resu lts agree w ith the exp eri m en tal data very w ell so that th is m ethod is verified .
Key words :resonan t tunnel i ng d iode ; AC s ma ll -signa l m odel ; c ircu it si m ula tion EEACC :2560H
能优异的量子隧穿器件, 随着超大规模、甚大规模
1 引 言
作为一种性能优异的量子器件, 共振隧穿二极
管(R TD ) 具有响应速度快、工作频率高、低电压、低功耗和多功能等令人瞩目的优点。通过与高电子迁移率晶体管(H E M T ) 、异质结双极管晶体管(HB T ) 等器件相结合已经展现出广阔的应用前
集成电路的飞速发展, 器件线宽的不断减小, 量子效应将不可避免地摆到人们面前。下一代集成电路的重要发展方向之一就是共振隧穿器件, 其峰谷间转换频率预计可达1. 5～2. 5TH z , 实际R TD 器件的f m ax 已达2200GH z , 开关时间达1. 6p s [1]; 在结构和工艺方面, R TD 与M ESFET 、H E M T 等高速微波晶体管兼容, R TD 可在多态存贮、A D 转换、多值逻辑、分频、倍频等方面得到广泛的应用。
采用中科院物理所的分子束外延设备生长R TD 材料, 通过反复的工艺试验, 我们已经成功地
景。虽然在40多年前, E sak i 就发明了隧道二极管, 1970年他和T su 又提出了超晶格概念, 预言了半导体超晶格的负微分电阻现象。但在这期间, 由于半导体晶体管技术的蓬勃发展, 使人们忽略了性
ΞE 2m ail :p j niu @eyou . com
研制出了室温工作的R TD 单管[2]。目前所研制的
天津市自然科学基金资助项目(013601411)
138
固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 22卷
R TD 室温峰谷比已大于5∶1, 最高振荡频率大于26. 5GH z 。图1是台面工艺制作的R TD 单管直流
2
特性。(台面面积为5×5Λ本文的主要目的是m ) 。
采用R TD 的具有物理意义的电流2电压方程[3]。R TD 的电流主要由部分互相竞争的电流组
成, 分别是隧穿电流(由直接隧穿产生) 和过剩电流(与普通二极管相似) 如下式:
J =J R T +J EX
建立电路模拟用R TD 等效电路模型
。
(1)
J R T 是共振隧穿电流成分, 正是由它导致了I 2
V 特性曲线的负微分电阻; 是剩余过量电流元。
:
R T
B -=A ln (
1+e B -
(
C +n 1V ) e kT C -n 1V ) e kT
×
图1 台面面积为5×5Λm R TD 单管直流特性
F ig . 1 DC Characteristics of
the R TD fo r a 5×5Λm 2
m esa p rocess
2
) +tan -1(
2D
(2) (3)
n e V kT
J EX =H (e 2-1)
其中
3, B =E F , C =E r , D =# 2, n 1, n 2A =23
4Π∂
是拟合系数。E F 是发射区费米能级, E r 是相对于
2 共振隧穿二极管的等效电路模型
选择R TD 的等效电路模型时应结合其物理机制, 所选择R TD 等效电路如图2所示, 包括R TD 的本征微分负电阻R d (受控电流源来表示) 、本征电容C d 、串联电阻R s (包括引线电阻, 欧姆接触和晶片的扩展电阻) 、串联电感L s
。
阱底的量子化能级, #是共振宽度, 通过拟合, 对于该管芯, 最后化简所得到的电流表达式如下式:
I =4. 68×10
-4
-×ln
(
1+e -
(0. 1085+0. 187×V ) 0. 0. 1085-0. 187×V ) 0. 027
×1. 57+tan -1(
0.
014
…+2. 75×10-8(e
0. 027
-1) (4)
利用PSP I CE 中的电压控制电流源[4]建立起R TD 的直流模型。PSP I CE 模拟输出的I 2V 特性
见图3。从图3与图1的对比可以看出, 模拟结果与实验结果吻合得很好。
图2 R TD 的等效电路模型
F ig . 2 R TD equ ivalen t circu it model
2. 1 直流电流部分
图3 PSP I CE 模拟输出的R TD 直流I 2V 特性
F ig . 3 Si m u lated R TD DC I 2V characteristic
受控电流源的电流表达式是这样得到的:
2期牛萍娟:共振隧穿二极管交流小信号模型的建立
139
2. 2 交流小信号参数的提取
使用H P 8510(C ) 网络分析仪, 在45M H z ～26. 5GH z 的扫频测试范围内, 对该共振隧穿二极管的S 参数进行了在片测试[3]。所用的微波探针为R F cascade p robe 。压焊点的间距为150Λm , 直流偏置为0. 8V 。
对于单端口网络, 输出反射系数S 22=(Z in -(Z in +Z 0) , 归一化Z 0=508, Z o )
(1-S 22) , =Z 0(1+S 22) , 是可以直接得到, 根据电阻截止频率的定义:。可以由数据直接转换得到的R TD 阻抗得出:f R >26. 5GH z 。根据图2的等效电路图, 输入阻抗Z in 的表达式如下:
Z in =
R s +
]+
1+(w R C d ) 2
(5)
图4 PSP I CE 模拟输出阻抗与实际测量阻抗的对比
F ig . 4 Comparison of m easu red and si m u lated ou tpu t
i m pedance
2
j [w L s +
1+(w R d C d ) 2
通过计算与拟合得到等效电路参数。其中R d =-4428, C d =1. 01E -13F , R s =88, L s =1. 07E -11H 。
根据电阻截止频率为
f
R
=
2ΠR d C d -R s
从图4可以看出二者曲线吻合得较好, 不能精确吻合的原因不在于模型的不准确, 主要是由于测量时所使用的偏置电压没有经过精确的校准, 所以测量时与模拟时所设置的偏置电压不一定完全相同, 而微小的偏移就能导致微分负阻很大的变化。需要说明的是由于受一些干扰因素的影响, 某些偏置点无法稳定, 有可能在这些偏置点下有更大的最高振荡频率。根据国外林肯实验室E . R . B row n [5]等人对最大阻性截止频率的定义, 即随着偏压的改变, 微分负阻在负阻区有一个最小值, 当其最小时, f R 最大; 这个最小负阻大约为R s 的两倍, 由此估算出的最大阻性截止频率为98. 5GH z 。
图5(a ) 为经过调节偏置电压模拟的R TD 输出电压频率响应特性曲线; (b ) 是输出功率特性曲
(b ) 可以看出, R TD 的频率响应范围线; 根据(a ) 、
(b ) 是很宽, -3dB 带宽大概为29GH z 。图6(a ) 、常见的微带振荡器等效电路及模拟的振荡输出波
形, 用以验证所建电路模型的有效性。微带振荡器工作频率约为16GH z 。
1(6)
计算所得最高振荡频率分别为26. 3GH z , 与实际值相比, 有百分之十以内的误差, 这种误差通常是不可避免的。
在测试过程中还可以观察到在45M H z ～26. 5GH z 频率范围内都有振荡引起的稳定的功率输出, 说明该器件的频率响应范围很宽。
3 共振隧穿二极管交流特性模拟及
分析
综上所述, 将R TD 的直流部分与所提取的交流小信号参数相结合, 利用PSP I CE 建立起了R TD 的等效电路模型, 并模拟计算了R
TD 在0. 8V 直流偏置下的等效阻抗, 看是否和测量S 参
数转换所得的阻抗结果相符。输出结果见图4。
140
固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 22卷
4 结 论
建立了共振隧穿器件的交流小信号模型, 验证了该模型与实际特性吻合得较好, 利用该模型得出了其在交流应用中的重要参数, 并模拟了R TD 微。为下一步的设计, 。
文献
1 Guo W L , N iu P J , L iang H L . Study on resonan t
tunneling di ode . 20016th In terna tiona l Conf erence on S olid 2S ta te
and
In teg ra ted
C ircu it
T echnology
～1405P roceed ing s , 1403
2 Chow D H , Schu l m an J N , O zbay E , et a l .
Inves 2
tigati on of ln 0. 53Ga 0. 47A s A l A s resonan t tunneling di odes fo r h igh speed s w itch ing . A pp l P hy s L ett ,
图5 模拟输出的R TD 交流特性曲线
(a ) 输出电压频率响应特性; (b ) 输出功率频率响应特性
F ig . 5 Si m u lated R TD A C characteristics :(a ) T he dependence of vo ltage on frequency ; (b ) T he dependence of pow er on
frequency
1992; 61(14) :1685～1687
3 Schu l m an J N , L o s San to s H J . Physics 2based R TD
cu rren t 2vo ltage
equati on .
IE E E
E lectron
D ev ice
～222L etters [J ],1996:17(5) :220
4 姚立真等. 通用电路模拟技术及软件应用, 电子工业出
版社
5 B row n E R , Goodhue W D , So llner T C L G .
Fundam en tal o scillati on up to 200GH z in resonan t tunneling di odes and new esti m ates of their m ax i m um o scillati on frequency from stati onary 2state tunneling
～1529theo ry . J A pp l P hy s [J ]. 1988; 64(3) :1519
牛萍娟(N I U P ingjuan ) 1973年9月出生, 1996年在河北工业大学获应用电子技术专业学士学位, 1999年在同一所学校获半导体材料专业硕士学位, 现在天津大学电信学院攻读微电子学与固体电子学专业博士学位, 目前从事量子隧穿器件R TD 、
R T T 及其应用电路的研究工作。
图6(a ) 微带振荡器的等效电路模型;
(b ) 模拟振荡器输出波形
F ig . 6(a ) Equ ivalen t circu it model of
m icro stri p o scillato r ;
(b ) Si m u lated w avefo rm of o scillato r
郭维廉(GUO W eilian ) 1952年毕业于清华大学物理系, 天津大学电子信息工程学院教授, IEEE 高级会员。近期的研究方向包括量子隧穿器件、光电负SO I 集成电路、阻器件等。
第22卷 第2期 2002年5月
V o l . 22,N o. 2固体电子学研究与进展
M ay, 2002共振隧穿二极管交流小信号模型的建立
牛萍娟 郭维廉 梁惠来 张世林 吴霞宛
(天津大学电子信息工程学院, 300072)
20010710收稿, 20011123收改稿
Ξ
摘要:, , 验证了这种方法的正确性。
关键词:; . :A 文章编号:100023819(2002) 022137204
The AC S mall -signal M odel Establish m en t of
Resonat Tunneli ng D iodes (RT D )
N I U P ingjuan GU O W eilian L I AN G H u ilai ZHAN G Sh ilin W U X iaw an
(S chool of E lectron ic Inf or m a tion E ng . T ianj in U n iversity , 300072, CH N )
Abstract :T he A C s m all 2signal circu it m odel of R esonan t T unneling Do ide is estab lished . B ased on th is m odel the R TD A C charcteristic and its m icro stri p o scillato r are si m u lated by PSP I CE softw are . T he si m u lati on resu lts agree w ith the exp eri m en tal data very w ell so that th is m ethod is verified .
Key words :resonan t tunnel i ng d iode ; AC s ma ll -signa l m odel ; c ircu it si m ula tion EEACC :2560H
能优异的量子隧穿器件, 随着超大规模、甚大规模
1 引 言
作为一种性能优异的量子器件, 共振隧穿二极
管(R TD ) 具有响应速度快、工作频率高、低电压、低功耗和多功能等令人瞩目的优点。通过与高电子迁移率晶体管(H E M T ) 、异质结双极管晶体管(HB T ) 等器件相结合已经展现出广阔的应用前
集成电路的飞速发展, 器件线宽的不断减小, 量子效应将不可避免地摆到人们面前。下一代集成电路的重要发展方向之一就是共振隧穿器件, 其峰谷间转换频率预计可达1. 5～2. 5TH z , 实际R TD 器件的f m ax 已达2200GH z , 开关时间达1. 6p s [1]; 在结构和工艺方面, R TD 与M ESFET 、H E M T 等高速微波晶体管兼容, R TD 可在多态存贮、A D 转换、多值逻辑、分频、倍频等方面得到广泛的应用。
采用中科院物理所的分子束外延设备生长R TD 材料, 通过反复的工艺试验, 我们已经成功地
景。虽然在40多年前, E sak i 就发明了隧道二极管, 1970年他和T su 又提出了超晶格概念, 预言了半导体超晶格的负微分电阻现象。但在这期间, 由于半导体晶体管技术的蓬勃发展, 使人们忽略了性
ΞE 2m ail :p j niu @eyou . com
研制出了室温工作的R TD 单管[2]。目前所研制的
天津市自然科学基金资助项目(013601411)
138
固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 22卷
R TD 室温峰谷比已大于5∶1, 最高振荡频率大于26. 5GH z 。图1是台面工艺制作的R TD 单管直流
2
特性。(台面面积为5×5Λ本文的主要目的是m ) 。
采用R TD 的具有物理意义的电流2电压方程[3]。R TD 的电流主要由部分互相竞争的电流组
成, 分别是隧穿电流(由直接隧穿产生) 和过剩电流(与普通二极管相似) 如下式:
J =J R T +J EX
建立电路模拟用R TD 等效电路模型
。
(1)
J R T 是共振隧穿电流成分, 正是由它导致了I 2
V 特性曲线的负微分电阻; 是剩余过量电流元。
:
R T
B -=A ln (
1+e B -
(
C +n 1V ) e kT C -n 1V ) e kT
×
图1 台面面积为5×5Λm R TD 单管直流特性
F ig . 1 DC Characteristics of
the R TD fo r a 5×5Λm 2
m esa p rocess
2
) +tan -1(
2D
(2) (3)
n e V kT
J EX =H (e 2-1)
其中
3, B =E F , C =E r , D =# 2, n 1, n 2A =23
4Π∂
是拟合系数。E F 是发射区费米能级, E r 是相对于
2 共振隧穿二极管的等效电路模型
选择R TD 的等效电路模型时应结合其物理机制, 所选择R TD 等效电路如图2所示, 包括R TD 的本征微分负电阻R d (受控电流源来表示) 、本征电容C d 、串联电阻R s (包括引线电阻, 欧姆接触和晶片的扩展电阻) 、串联电感L s
。
阱底的量子化能级, #是共振宽度, 通过拟合, 对于该管芯, 最后化简所得到的电流表达式如下式:
I =4. 68×10
-4
-×ln
(
1+e -
(0. 1085+0. 187×V ) 0. 0. 1085-0. 187×V ) 0. 027
×1. 57+tan -1(
0.
014
…+2. 75×10-8(e
0. 027
-1) (4)
利用PSP I CE 中的电压控制电流源[4]建立起R TD 的直流模型。PSP I CE 模拟输出的I 2V 特性
见图3。从图3与图1的对比可以看出, 模拟结果与实验结果吻合得很好。
图2 R TD 的等效电路模型
F ig . 2 R TD equ ivalen t circu it model
2. 1 直流电流部分
图3 PSP I CE 模拟输出的R TD 直流I 2V 特性
F ig . 3 Si m u lated R TD DC I 2V characteristic
受控电流源的电流表达式是这样得到的:
2期牛萍娟:共振隧穿二极管交流小信号模型的建立
139
2. 2 交流小信号参数的提取
使用H P 8510(C ) 网络分析仪, 在45M H z ～26. 5GH z 的扫频测试范围内, 对该共振隧穿二极管的S 参数进行了在片测试[3]。所用的微波探针为R F cascade p robe 。压焊点的间距为150Λm , 直流偏置为0. 8V 。
对于单端口网络, 输出反射系数S 22=(Z in -(Z in +Z 0) , 归一化Z 0=508, Z o )
(1-S 22) , =Z 0(1+S 22) , 是可以直接得到, 根据电阻截止频率的定义:。可以由数据直接转换得到的R TD 阻抗得出:f R >26. 5GH z 。根据图2的等效电路图, 输入阻抗Z in 的表达式如下:
Z in =
R s +
]+
1+(w R C d ) 2
(5)
图4 PSP I CE 模拟输出阻抗与实际测量阻抗的对比
F ig . 4 Comparison of m easu red and si m u lated ou tpu t
i m pedance
2
j [w L s +
1+(w R d C d ) 2
通过计算与拟合得到等效电路参数。其中R d =-4428, C d =1. 01E -13F , R s =88, L s =1. 07E -11H 。
根据电阻截止频率为
f
R
=
2ΠR d C d -R s
从图4可以看出二者曲线吻合得较好, 不能精确吻合的原因不在于模型的不准确, 主要是由于测量时所使用的偏置电压没有经过精确的校准, 所以测量时与模拟时所设置的偏置电压不一定完全相同, 而微小的偏移就能导致微分负阻很大的变化。需要说明的是由于受一些干扰因素的影响, 某些偏置点无法稳定, 有可能在这些偏置点下有更大的最高振荡频率。根据国外林肯实验室E . R . B row n [5]等人对最大阻性截止频率的定义, 即随着偏压的改变, 微分负阻在负阻区有一个最小值, 当其最小时, f R 最大; 这个最小负阻大约为R s 的两倍, 由此估算出的最大阻性截止频率为98. 5GH z 。
图5(a ) 为经过调节偏置电压模拟的R TD 输出电压频率响应特性曲线; (b ) 是输出功率特性曲
(b ) 可以看出, R TD 的频率响应范围线; 根据(a ) 、
(b ) 是很宽, -3dB 带宽大概为29GH z 。图6(a ) 、常见的微带振荡器等效电路及模拟的振荡输出波
形, 用以验证所建电路模型的有效性。微带振荡器工作频率约为16GH z 。
1(6)
计算所得最高振荡频率分别为26. 3GH z , 与实际值相比, 有百分之十以内的误差, 这种误差通常是不可避免的。
在测试过程中还可以观察到在45M H z ～26. 5GH z 频率范围内都有振荡引起的稳定的功率输出, 说明该器件的频率响应范围很宽。
3 共振隧穿二极管交流特性模拟及
分析
综上所述, 将R TD 的直流部分与所提取的交流小信号参数相结合, 利用PSP I CE 建立起了R TD 的等效电路模型, 并模拟计算了R
TD 在0. 8V 直流偏置下的等效阻抗, 看是否和测量S 参
数转换所得的阻抗结果相符。输出结果见图4。
140
固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 22卷
4 结 论
建立了共振隧穿器件的交流小信号模型, 验证了该模型与实际特性吻合得较好, 利用该模型得出了其在交流应用中的重要参数, 并模拟了R TD 微。为下一步的设计, 。
文献
1 Guo W L , N iu P J , L iang H L . Study on resonan t
tunneling di ode . 20016th In terna tiona l Conf erence on S olid 2S ta te
and
In teg ra ted
C ircu it
T echnology
～1405P roceed ing s , 1403
2 Chow D H , Schu l m an J N , O zbay E , et a l .
Inves 2
tigati on of ln 0. 53Ga 0. 47A s A l A s resonan t tunneling di odes fo r h igh speed s w itch ing . A pp l P hy s L ett ,
图5 模拟输出的R TD 交流特性曲线
(a ) 输出电压频率响应特性; (b ) 输出功率频率响应特性
F ig . 5 Si m u lated R TD A C characteristics :(a ) T he dependence of vo ltage on frequency ; (b ) T he dependence of pow er on
frequency
1992; 61(14) :1685～1687
3 Schu l m an J N , L o s San to s H J . Physics 2based R TD
cu rren t 2vo ltage
equati on .
IE E E
E lectron
D ev ice
～222L etters [J ],1996:17(5) :220
4 姚立真等. 通用电路模拟技术及软件应用, 电子工业出
版社
5 B row n E R , Goodhue W D , So llner T C L G .
Fundam en tal o scillati on up to 200GH z in resonan t tunneling di odes and new esti m ates of their m ax i m um o scillati on frequency from stati onary 2state tunneling
～1529theo ry . J A pp l P hy s [J ]. 1988; 64(3) :1519
牛萍娟(N I U P ingjuan ) 1973年9月出生, 1996年在河北工业大学获应用电子技术专业学士学位, 1999年在同一所学校获半导体材料专业硕士学位, 现在天津大学电信学院攻读微电子学与固体电子学专业博士学位, 目前从事量子隧穿器件R TD 、
R T T 及其应用电路的研究工作。
图6(a ) 微带振荡器的等效电路模型;
(b ) 模拟振荡器输出波形
F ig . 6(a ) Equ ivalen t circu it model of
m icro stri p o scillato r ;
(b ) Si m u lated w avefo rm of o scillato r
郭维廉(GUO W eilian ) 1952年毕业于清华大学物理系, 天津大学电子信息工程学院教授, IEEE 高级会员。近期的研究方向包括量子隧穿器件、光电负SO I 集成电路、阻器件等。