Напівпровідниковий діод для генерації нвч коливань

1. Напівпровідниковий діод для генерації НВЧ коливань, що містить високоомну підкладку, шар напівпровідникового матеріалу n-типу, а також стік (анод), витік (катод) і затвор, розміщені на зовнішній поверхні напівпровідникового матеріалу, який відрізняється тим, що як напівпровідниковий матеріал n-типу використана епітаксіальна плівка nGaAs з товщиною 1 мкм і концентрацією донорів n 16 -3 = 10 см , а затвор, як тунельна межа, виконаний + у вигляді сильнолегованої n -області GaAs з кон18 -3 центрацією донорів 10 см та розташованої на n 3 65202 Поставлена задача вирішується тим, що в найближчому аналогу, який містить високоомну підкладку, шар напівпровідникового матеріалу nтипу, а також стік (анод), витік (катод) і затвор, розміщені на зовнішній поверхні напівпровідникового матеріалу, згідно з корисною моделлю, як напівпровідниковий матеріал n-типу використана епітаксіальна плівка n-GaAs з товщиною 1 мкм і 16 -3 концентрацією донорів n=10 см , а затвор, як тунельна межа, виконаний у вигляді сильнолего+ ваної n -області GaAs з концентрацією донорів 18 -3 + 10 см та розташованої на n -області сильноле+ гованої р -області з концентрацією акцепторів 18 19 -3 + 3  10 -10 см , причому р -область тунельної + межі з'єднана з n -областю анода та з позитивним полюсом джерела напруги. Найкраще, для планарного варіанта виконання, коли тунельна межа розташована уздовж шару напівпровідникового матеріалу, який вирощено на напівізолюючій підкладці (GaAs легований Сr), + + + омічні контакти n -GaAs, n -анода і n -катода, формуються до провідного каналу n-типу GaAs напиленням і вплавленням сплаву AuGe (Au88 %, Ge12 %). Найкраще, для "сандвіч"-варіанта виконання, коли тунельна межа розташована перпендикулярно шару напівпровідникового матеріалу, який ви+ рощено на сильнолегованій підкладці n -GaAs з 18 -3 концентрацією донорів приблизно 10 см , кон+ такт n-n між епітаксіальною плівкою і сильнолегованою підкладкою є катодом. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 зображена планарна структура діода + + з бічною р -n тунельною межею на епітаксіальній плівці n-GaAs, вирощеної на напівізолюючій підкладці (GaAs-Cr). На фіг. 2 зображена структура типу "сендвіч" на епітаксіальній плівці n-GaAs, вирощеної на си+ льнолегованій підкладці n -GaAs при прямому включенні тунельної межі. На фіг. 3 зображена еквівалентна схема діода + + з тунельною р -n межею. На фіг. 4 зображені вольт-амперні характеристики при прямому включенні діода з тунельною межею при R 2 = 0,5 Ом і різних R1 : 1-5 Ом, 2-10 Ом, 3-20 Ом. На фіг. 5 зображена ефективність генерації при прямому включенні діода з тунельною межею при R 2 =0,5 Ом і різних R1 ; 1 - 5 Ом, 2 - 10 Ом, 3 20 Ом. На фіг. 6 зображена залежність ефективності генерації від частоти діода з тунельною межею при ємностях тунельної межі: 1 - 0,1 пФ, 2 - 1 пФ. Модель діода показана на фіг. 1 у планарному і на фіг. 2. в "сандвіч"-варіантах. Діод являє собою електронний напівпровідник (Ge, Si, GaAs та ін.) з ITM(U)  Imax U Umax exp(1  U Umax + омічними контактами n . Концентрація в області 16 16 між катодом (K) та анодом (А) складає 10 …510 -3 + см , концентрація в n -областях катода і анода 18 -3 становить приблизно 10 см . Концентрації в си+ + льнолегованих областях тунельної межі n -р 18 19 -3 складають 10 …10 см . Тунельна межа (ТМ) з'єднана з анодом і на неї подається плюс напруги. Структура являє собою діод. Між анодом і катодом протікає струм I A K . Напруга між катодом і ано+ + дом така, що тунельний n -р перехід (перехід різкий з товщиною 100-150 Å, в якому тунельна складова струму набагато більше дифузійнодрейфової складової) включений в прямому на+ + прямку. Сумарний струм через n -р перехід IТМ . При збільшенні напруги на діоді U струми IТМ і I A K збільшуються до тих пір, поки струм тунельної межі не досягне максимального значення. При подальшому збільшенні напруги струм тунельної межі різко зменшується, що призводить до зменшення струму між катодом і анодом діода. При подальшому збільшенні напруги U струм IТМ зростає, як і струм I A K . Таким чином, діод + + катод-анод n -n-n з бічною межею у вигляді виро+ + дженого n -р переходу має ВДП, тобто має ділянку на ВАХ з dI / dU  0 . Планарна структура діода двовимірна, тому для визначення розподілу електричного поля в структурі, струмів в структурі та інтегральних характеристик необхідно вирішувати двовимірну задачу. Далі розглядається структура типу "сендвіч" як більш проста для аналізу ВАХ та ефективності генерації діодів з тунельною межею. Загальний струм через діод I0 (U) в одновимірному наближенні складається з струму через тунельну IТМ(U) межу і струму через проміжок анод-катод I A K (U) : (1) I0 (U)  ITM(U)  I A K (U) , де U - прикладена до діода напруга. Вираз (1) є ВАХ діода. Розглянемо складові струму діода. Струм I A K (U) визначається через параметри матеріалу n-області і прикладену напругу: en n S (2) I A  K (U)   U , l де n, S - концентрація електронів в n - області і площа між катодом і анодом,  n - рухливість електронів в n-області, l - відстань між катодом і анодом. В планарній структурі та в структурі типу "сендвіч" рівняння (1), (2) наближено відображають дійсний струм між анодом i катодом. Струм ITM(U) може бути записаний і у вигляді апроксимації [3]: )  Imin exp(A(U  Umin))  IS exp(b де Imax - максимальний тунельний струм через діод при напрузі Imax , Imin - мінімальний 4 eU  1) , kT (3) струм через діод при напрузі Umin , A - постійна, характерна для конкретного напівпровідникового 5 65202 матеріалу, b - показник зростання дифузійного струму через перехід, IS - струм насичення тунельного переходу без урахування тунелювання. Відношення Imax / Imin може змінюватися від одиниць до 30-40 для GaAs. Для оцінки ВАХ аналізованих структур можна скористатися поданням структури типу "сендвіч" у вигляді еквівалентної схеми з зосередженими параметрами. Наближена еквівалентна схема такої структури показана на фіг. 3. Тут ТМ - опір тунельної межі, С - ємність діода, R 2 - опір включений послідовно з тунельною межею і складається з опору втрат R S і опору між тунельною межею і катодом, R1 опір каналу між анодом і катодом, включене паралельно тунельної межі, ємність А-К значно менше ємності тунельної межі ТМ ( l1  l 2 - відстань між тунельною межею і катодом). ВАХ діода на постійному струмі й напрузі випливає з еквівалентної схеми: (4) I(U)  ITM(U  ITMR 2 )  U / R1 , I(U)  ITM  U / R , (5) де ITM(U) відома залежність струму через тунельну межу від напруги на ТМ (3). Розв'язуючи це трансцендентне рівняння можна визначити ВАХ діода з ТМ залежно від параметрів ТМ і параметрів всієї структури R1 і R 2 . Чисельні розрахунки ВАХ проведені для наступних параметрів(і): матеріал GaAs, 16 cм 3 ,   7000 см2 /(В  с), площа аноn  10 n дного контакту S1  10 6 cм 2 (діаметр 10 мкм), l відстань між катодом і анодом, яку можна змінювати (при l  10 4 см , опір при вказаних параметрах R1  10 Ом ), Imax  0,2 A , Umax  0,1B , IS  10 6 A , b=0,3. Опір R 2 при l1  10 5 с м , і S 2  10 6 см2 становить менше 1 Ома, його можна змінювати, змінюючи l1. Ємність C  1 пФ 6 ( C   0 S / L , де L - товщина ТМ менше 10- см) включена паралельно провідності ТМ, при розрахунках ВАХ на постійному струмі й напрузі вона не враховувалася. ВДП діода визначалася по ВАХ. На фіг. 3 видно, що ВАХ має ВДП, яка регулюється в основному величиною опору каналу. Визначення ефективності генерації в залежності від параметрів діода з ТМ. У режимі генерації в одноконтурному резонаторі на діоді діє напруга U(t )  U0  U1 sin t при U0  Umax при співвідношенні амплітуді - U0  U1  0,5Umax . Робоча точка протягом періоду коливань переміщається по залежності I(U) . Струм через діод розкладається в ряд Фур'є. Для визначення ефективності генерації, наприклад, на першій гармоніці необхідно визначити постійну складову струму і амплітуду першої гармоніки: 6 I(U0 )  T 1 I(U( t ))dt , T  0 (6) T 2 (7) I(U( t )) sin tdt . T  0 Для отримання максимального значення ефективності генерації для заданого поля U0 ампліI1  туда першої гармоніки U1 , оптимізується (знаходиться така амплітуда першої гармоніки, при якій коефіцієнт корисної дії ККД максимальний). ККД визначається у вигляді: 1 I1U1 (8) KKД   100% . 2 I(U0 )U0 Таким чином, визначається максимальна ефективність генерації на конкретній частоті f. На частотах, на яких не позначається вплив ємності ТМ, залежності ККД від прикладеної напруги показані на фіг. 5. Зі збільшенням частоти істотну роль буде грати ємнісний опір R  1/ C , який включено паралельно активній провідності ТМ і який буде шунтувати ТМ. Зі збільшенням частоти через опір R 2 буде протікати не тільки струм провідності ТМ, але струм через ємнісний опір. Тоді струм I2 , протікаючий через ТМ дорівнюватиме: U  I2R 2 (U) I2   IТГ (U  I2R 2 (U)) . (9) ZC Рівняння для ВАХ діода з ТМ запишемо в вигляді: U . I(U)  I 2 (U)  (10) R1(U) Вирішуючи рівняння (9-10), отримуємо частотні залежності струму через діод від напруги і розраховані за цими залежностями ККД (f). На фіг. 6 показані залежності ККД (f) для параметрів діода, наведених вище (крива 2), і параметрів, наведених нижче (крива 1): матеріал GaAs з n  1016 см3 ,  n  7000 cм 2(В  с ) при S  10 7 см2 (діаметр 3 мкм), l1  10 5 cм , опір R1  10 Ом , опір R 2 при l 2  10 6 cм і S 2  10 7 cм 2 складає менше 1 Ома, Imax  0,02 A , Umax  0,1B , IS  10 7 A , b  0,3 . Ємність C  0,1 пФ (параметри 2). Таким чином, ККД діода з ТМ при збільшенні частоти зменшується, а верхня частотна межа залежить від параметрів діода з ТМ. Такі діоди можуть працювати в діапазоні частот від десятків ГГц до 1000 ГГц. Запропонований напівпровідниковий діод виготовляли на основі епітаксійних плівок GaAs, вирощених на напівізолюючій підкладці (GaAs: Сr) планарна структура або на сильнолегованій підк+ 18 -3 ладці n -GaAs з концентрацією донорів 10 см "сендвіч". При реалізації запропонованої корисної моделі провідний канал був виконаний на основі епітак 7 сійної плівки n-GaAs з товщиною приблизно 1 мкм і 16 -3 концентрацією донорських домішок n=10 см , вирощеної на напівізолюючій підкладці (GaAs ле+ гований Сr). Омічні контакти n -GaAs анода і катода, сформовані до провідного каналу n-типу GaAs за допомогою фотолітографії, напилюванням і 18 -3 наплавленням мали концентрацією 2-3 10 см . За допомогою фотолітографії формували області + + + n -катода, n -анода і n тунельної межі. Омічні контакти до катода і анода створювали напиленням і + вплавленням сплаву Au Ge Ni. Область р тунельної межі створювали напиленням і вплавленням сплаву з акцепторними домішками для GaAsSn+T1(10 %). Утворена рекресталізована область 19 містила концентрацію акцепторів приблизно 10 -3 + см . Області n -GaAs між анодом і тунельною межею, між катодом і тунельною межею стравлювалися. Тунельна межа з'єднана з анодом Аu дротом діаметром 10 мкм або смужкою з фольги Аu товщиною 5-10 мкм. 65202 8 "Сендвіч"-структуру виготовляли на епітаксіа+ льних плівках n-n . За допомогою фотолітографії і травлення створювали поглиблення для тунельної межі (на n-плівці товщиною приблизно 1 мкм поглиблення складали 0,7-0,8 мкм). За допомогою молекулярно-променевої епітаксії створюється + + вироджений n -р перехід в поглибленнях і на плі+ вці 1 мкм р -області на плівці 1 мкм стравлюється. + + Область n , що залишилась, з'єднується з р областю тунельної межі. Для параметрів 1 потужність, що розсіюється 20-200 мВт, корисна 5-50 мВт. Частота, на якій ККД дорівнює нулю, становить приблизно 100 ГГц. Джерела інформації: 1. Зі С. Фізика напівпровідникових приладів, М.: Мир, т. 1. - С. 325 2. Патент RU № 2093924. МПК H01L29/772, опубл. 20.10.1997. 3. Прохоров Э. Д. Твердотельная электроника, Харьков: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2008, С. 240. 9 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 65202 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601