势越二极管（BARITT-diode，barrier injection transit-time diode，势垒注入渡越时间二极管）是一种微电子领域的高频半导体电子元件，属于二極體的一种。其相关元件包括。势越二极管利用少数载流子的注入与渡越时间特性，在微波频段产生负阻效应。少数载流子由正向偏置的边界层注入，该过程不发生雪崩击穿。因此，其相位移与输出功率均显著低于崩越二极管（IMPATT-diode）。
基于硅工艺的势越二极管生产持续至20世纪80年代中期。当时实现的最高振荡频率为60 GHz。尽管其输出功率远低于崩越二极管，但该元件的核心优势不在于发射功率，而是其极佳的噪声性能以及在都卜勒雷達应用中作为自激混频器的优异特性。
最简单的势越二极管由p+np+（或互补的n+pn+）半导体序列构成。p+（或n+）层代表高掺杂半导体区域。然而在高频应用中，将p-n结替换为金属-半导体结（肖特基接触）的结构显著优于传统的p+np+结构。因此，下文将以这种Mnp+结构（M代表肖特基接触中的金属）为例，说明势越二极管的工作原理。
历史
20世纪70年代初，势越二极管作为一种易于制造、频率约10 GHz的高频振荡器脱颖而出。威廉·肖克利早于1954年便描述了该二极管的工作原理（利用渡越时间效应产生高频负阻）。吕格（Rüegg）于1968年发表了pnp型势越二极管的高频功率与效率的理论基础及评估。1971年，科尔曼（Coleman）与施敏（Sze）率先成功制备出具备实际功能的势越二极管。他们在4.9 GHz频率下获得了50 mW的高频功率。采用Mnp+型二极管，弗格（Förg）于1982年获得了30 GHz下6 mW的功率，居蒂希（Güttich）于1986年获得了60 GHz下1 mW的功率。
直流特性
图1展示了在不同偏置电压U_o下，Mnp+型二极管均匀掺杂n区内部电场E的分布曲线。当U_o = 0时，由于p+n结与Mn结的作用，会形成两个空间电荷区（电场曲线D）。图2a描绘了基于能带理论的电势随位置变化的分布。施加如图1所示的直流电压后，反向偏置的p+n结处的空间电荷区发生扩展（电场曲线1）；当U_o = U_{DR}（电场曲线2，U_{DR}为穿通电压）时，该区域延伸至Mn结处的空间电荷区。
随着直流电压进一步升高，图2b所示的空穴势垒e(\Phi_p+U_m)随之降低，使得部分空穴能够依靠热能越过该势垒。此时，Mn结向有源n区注入空穴电流。在电场驱动下，空穴向p+n结漂移并由该处吸出。图1中的虚线电场曲线及图2c中相应的电势曲线（势垒完全消失，直流电压达到平带电压U_{FB}）在实际操作中无法实现，由于极端的热负载会烧毁二极管。图3展示了Mnp+型势越二极管的电流-电压特性曲线。当电压达到穿通电压时，电流开始导通。与对称的p+np+结构不同，此处出现两个大小不同的穿通电压U_{DR1}与U_{DR2}。
图3中的虚线轨迹示意了输出高频功率时的势越二极管特性曲线（高频整流效应）
高频特性
可借助图4的曲线定性分析势越二极管的高频特性。二极管偏置电压U_o叠加了一个随时间呈正弦变化的交流电压。当直流电压U_o与交流电压之和超过穿通电压U_{DR}时（图4a），系统向有源区注入载流子。脉冲电流I_C（图4b）的陡峭上升与下降源于电流与电压间的指数关系。注入的空穴以载流子云的形式漂移穿过有源区。根据静电感应原理，电场中移动的载流子会在二极管外电路中激发电流I_1，该电流在空穴渡越期间保持恒定。载流子的渡越时间与二极管宽度w成正比。通过合理设计w，可将图4中的渡越角\Theta设定至约为3\pi/2，从而使控制电压基波与外部电流基波之间的相位移大于\pi/2。崩越二极管因雪崩击穿机制，控制电压与雪崩电流之间已固有一个\pi/2的相位移；相比之下，势越二极管的相位移完全取决于渡越时间效应。相位移大于\pi/2会引发高频负阻效应，该效应可用于抵消谐振器的阻尼，进而产生高频振荡。
文献
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参考
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