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绪论1

0.1共振隧穿器件1

0.2共振隧穿器件的特点1

0.3共振隧穿器件的分类2

0.4共振隧穿器件的应用3

参考文献3

第1章 共振隧穿二极管概述和物理基础5

1.1共振隧穿二极管的概述5

1.1.1 RTD的工作原理5

1.1.2 RTD的设计9

1.1.3 RTD的参数及测试11

1.2 RTD的物理模型13

1.2.1 RTD的量子力学基础13

1.2.2双势垒单势阱结构共振隧穿的两种物理模型15

1.2.3不同维度下隧穿的特征18

1.3 RTD中电荷积累效应20

1.3.1 RTD的电荷积累与负阻区本征双稳态20

1.3.2简化的势阱电荷方程21

1.3.3发射区存在积累层，势阱有积累电荷和集电区存在耗尽层时的势阱电荷方程24

1.3.4负阻区本征双稳态的产生27

1.4强磁场中的共振隧穿效应27

1.4.1不含磁性材料RTD的强磁场共振隧穿效应27

1.4.2势阱含磁性材料的RTD-自旋选择磁RTD33

1.5不对称势垒和不对称势阱结构的共振隧穿效应37

1.5.1不对称势垒结构的共振隧穿效应37

1.5.2不对称势阱结构的共振隧穿效应43

参考文献46

第2章 共振隧穿二极管的器件模型和模拟49

2.1电路模拟、器件模型和器件模拟49

2.2 RTD的直流器件模型50

2.2.1基于物理参数I-V方程RTD模型50

2.2.2高斯函数、指数函数RTD直流模型51

2.3利用ATLAS器件模拟软件进行RTD器件模拟53

2.3.1 ATLAS模拟软件简介53

2.3.2 RTD器件模拟54

2.4利用维格纳函数-泊松方程模拟RTD I-V特性57

2.4.1 RTD I-V特性负阻区平台（plateau-like）结构57

2.4.2数值计算和维格纳函数方程-泊松方程57

2.4.3模拟结果对RTD J-V特性负阻区平台结构的解释60

2.4.4用模拟结果分析负阻区平台结构和滞后特性随RTD结构参数变化62

2.5 RTD交流小信号等效电路模型66

2.5.1简单的RN C等效电路模型67

2.5.2量子阱电感LQw等效电路模型68

2.5.3集电极耗尽区渡越时间等效电路模型69

2.5.4理论综合等效电路模型71

参考文献75

第3章 共振隧穿二极管的设计、制造、测量和可靠性77

3.1 RTD的材料结构设计77

3.1.1 RTD材料设计的重要性和核心问题77

3.1.2 RTD材料结构设计原则78

3.1.3 RTD材料结构设计范例与分析80

3.2 RTD器件结构及制造工艺84

3.2.1 RTD器件结构分类84

3.2.2几种重要的RTD器件结构84

3.2.3 RTD器件制造工艺90

3.2.4对平面型RTD（PRTD）的改进92

3.2.5 InP基RTD的设计与制造96

3.3 RTD器件参数及测量方法99

3.3.1 RTD直流负阻参数及其测量方法99

3.3.2 RTD的I- V特性和直流参数的异常现象所反映出的问题101

3.3.3 RTD等效电路电学参数及其测量方法102

3.3.4频率响应和开关时间参数的测量107

3.4 RTD的串联电阻及其测量方法111

3.4.1 RTD串联电阻的形成111

3.4.2 RTD串联电阻对器件参数的影响112

3.4.3 RTD串联电阻Rs的测量方法113

3.4.4减少串联电阻Rs的方法117

3.5 RTD I-V特性表观正阻产生的机理117

3.5.1 RTD I- V特性表观正阻问题的背景117

3.5.2为澄清有关问题而进行的试验118

3.5.3 RTD和串联电阻Rs反相器双稳态模型122

3.5.4利用RTD／Rs反相器双稳态模型验证表观正阻产生机理123

3.6 RTD的可靠性和抗辐射能力124

3.6.1 RTD可靠性实验研究124

3.6.2 RTD抗辐射能力的研究127

参考文献131

第4章 带间共振隧穿二极管和锗硅／硅共振隧穿二极管135

4.1带间共振隧穿二极管135

4.1.1隧穿器件的分类和RITD在各类隧穿器件中的特殊性135

4.1.2 RITD器件特点和分类136

4.1.3 RITD的物理机制和物理模型137

4.1.4 Ⅱ类异质结RITD140

4.1.5 p-n双势阱Ⅰ类RITD142

4.1.6 δ掺杂RITD145

4.2锗硅／硅共振隧穿二极管147

4.2.1 GeSi／Si RTD的三种结构147

4.2.2空穴型GeSi／Si RTD147

4.2.3应力型 GeSi／Si RTD149

4.2.4 GeSi／Si带间共振隧穿二极管（GeSi／Si-RITD）153

4.2.5利用GeSi RITD构成的单-双稳逻辑转换单元（MOBILE）156

4.2.6 GeSi／Si RITD的最新进展157

参考文献164

第5章 共振隧穿晶体管166

5.1共振隧穿晶体管的特点、定义和分类166

5.1.1共振隧穿晶体管的特点166

5.1.2 RTT的定义和分类166

5.2 GRTT167

5.2.1肖特基自对准栅GRTT167

5.2.2沟槽栅型RTT169

5.2.3 pn结GRTT171

5.2.4高PVCR高峰值跨导栅型RTT（GRTT）的设计与研制172

5.3复合型RTT179

5.3.1共振隧穿金属半导体场效应晶体管179

5.3.2共振隧穿异质结双极晶体管179

5.3.3共振隧穿高电子迁移率晶体管（RTD／ HEMT型RTT）183

5.3.4 DBS共振隧穿热电子晶体管191

5.3.5高PVCR、高栅压对峰值电压调控比RTT的设计与研制194

5.4共振隧穿晶体管的反相器统一模型200

5.4.1各种RTT结构与特性的回顾200

5.4.2共振隧穿晶体管I-V特性的分类200

5.4.3 RTT按器件结构分类和统一模型的提出202

5.4.4利用RTT的反相器统一模型分析RTT的I-V特性204

5.4.5不同I-V特性的RTD和FET构成RTT的各种类型I-V特性206

5.4.6 RTT反相器统一模型与实验结果的比较208

5.4.7 RTT反相器统一模型与电路模拟结果相比较208

参考文献209

第6章 共振隧穿型光电器件211

6.1 RTD型光探测器211

6.1.1 ORTD器件结构211

6.1.2 ORTD工作原理211

6.1.3 ORTD特性参数213

6.2波导型光电RTD214

6.2.1光波导型RTD器件结构和工作原理214

6.2.2光波导型RTD测量结果和器件模型216

6.3电场开关型RTD光电调制器（RTD-EAM）217

6.3.1 RTD电场变化原理218

6.3.2 RTD-EAM器件结构218

6.3.3 RTD-EAM特性参数220

6.4三角势垒RTD光开关器件（TBRTD）221

6.4.1 TBRTD光开关材料与器件结构221

6.4.2 TBRTD光开关能带结构和工作原理222

6.5子能带间跃迁RTD长波红外光开关器件224

6.5.1 AlGaAs／GaAs不对称势垒ISBT光开关器件225

6.5.2改进型ISBT光调制器的提出和计算229

参考文献231

第7章 共振隧穿器件在微波、毫米波电路中的应用232

7.1 RTD微波、毫米波振荡器概述232

7.1.1两端负阻器件振荡器232

7.1.2由RTD构成的振荡器电路234

7.1.3 RTD振荡器稳定性分析236

7.2 RTD毫米波、亚毫米波振荡器239

7.2.1振荡频率超过200GHz的AlAs／GaAs毫米波振荡器239

7.2.2振荡频率达到712GHz的InAs／AlSb RTD振荡器243

7.2.3亚毫米波单片集成650GHz RTD振荡阵列245

7.2.4高次谐波频率达到太赫兹的RTD振荡器248

7.3其他RTD（也适用于其他负阻器件）振荡器251

7.3.1由RTD和HEMT串联构成的振荡器252

7.3.2 RTD／HEMT新型振荡电路253

7.3.3 RTD／MOSFET构成的新型振荡电路256

7.3.4漏极RTD型HEMT压控振荡器（VCO）259

参考文献262

第8章 共振隧穿器件在高速数字电路中的应用264

8.1单-双稳转换逻辑单元及以它为基础的数字电路265

8.1.1单-双稳转换逻辑单元的工作原理和逻辑功能265

8.1.2低功耗RTD／ HFET静态随机存储（SRAM）单元269

8.1.3用MOBILE构成的柔性逻辑门270

8.1.4用MOBILE构成的RTD神经元晶体管271

8.1.5用MOBILE构成的RTD／HEMT静态分频器274

8.2 RTD／HEMT MOBILE瞬态特性分析276

8.2.1 MOBILE瞬态特性分析的基础276

8.2.2加信号的瞬态过程和瞬态基本方程277

8.2.3瞬态响应时间计算公式的推导278

8.2.4通过VM-VcK等高图分析VM随VcK变化的过程280

8.2.5 MOBILE瞬态时间的计算281

8.3三个以上RTD串联构成的电路286

8.3.1“遏止”状态及其对串联电路电压分布的影响286

8.3.2多值逻辑中的文字逻辑功能门289

8.3.3 MVL三态反相器291

8.3.4折线量化器292

8.3.5异或门电路292

8.3.6可编程综合逻辑门电路294

8.4 SD／RITD流水线逻辑门电路299

8.4.1 SD／RITD流水线逻辑门电路结构和工作原理300

8.4.2 SD／RITD流水线逻辑门电路材料结构、光刻版图和工艺304

8.4.3 SD／RITD流水线逻辑门电路逻辑功能测量306

8.5由RTD／HFET新型MOBILE构成的柔性NOR／NAND逻辑门和阈值逻辑流水线加法器的设计308

8.5.1 RTD／HFET新型MOBILE电路结构和特性308

8.5.2由新MOBILE构成的NOR／NAND柔性（或可编程）逻辑门311

8.5.3 RTD／HFET阈值逻辑原理312

8.5.4流水线逻辑314

8.5.5 RTD／HFET加法器电路设计315

参考文献317

第9章 RTD光控单-双稳逻辑转换单元320

9.1四种光控RTD MOBILE结构320

9.2光控RTD／HPT MOBILE321

9.2.1 RTD／HPT型光控MOBILE的工作原理321

9.2.2化合物异质结光电双极管322

9.2.3 RTD与HPT的集成结构327

9.2.4 RTD／HPT光控MOBILE逻辑功能的模拟实验327

9.3 RTD／UTC-PD高速光控MOBILE329

9.3.1 UTC-PD光探测器329

9.3.2 RTD／UTC-PD高速光控MOBILE333

9.4采用RTD／MSM／HEMT或栅型（G） RTT／MSM结构实现多种高速MOBILE应用电路的光电集成340

9.4.1 RTD／MSM／HEMT， GRTT／MSM结构340

9.4.2光控RTD／MSM／HEMT（或GRTT／MSM）柔性逻辑门342

9.4.3光控RTD／HEMT／MSM神经元电路342

9.4.4利用光控RTD／HEMT／MSM结构设计交叉光开关342

9.4.5 RTD／HEMT／MSM光存储电路344

9.4.6光控二极管／RITD流水线逻辑门电路345

9.5由RTD／MSM和RTD／ HEMT／MSM组成的各种光学双稳态电路345

9.5.1以电阻R为负载以RTD／HEMT／MSM为驱动的光学双稳态345

9.5.2光功率调制有效偏压变化RTD／R光学双稳态346

9.5.3光功率调制负载电阻形成的RTD／MSM光学双稳态347

9.5.4光调制负载HEMT I-V特性RTD／HEMT光学双稳态348

参考文献349

第10章 共振隧穿器件及其集成技术发展趋势和目前研究热点350

10.1共振隧穿器件的特点350

10.2共振隧穿器件及其集成的发展趋势及规律351

10.3共振隧穿器件及其集成目前的几个重要研究热点352

10.3.1 RTD／HEMT高速数字电路和高速光电集成电路353

10.3.2硅基共振隧穿器件及其集成技术354

10.3.3用新型材料体系研制成的RTD355

10.3.4利用新的物理效应研制成的RTD356

10.3.5作为太赫兹波振荡器RTD的研究357

参考文献358

附录1 缩略词359

附录2 主要符号表363

《半导体科学与技术丛书》已出版书目371