Діод ганна зі ступінчастим інжектором гарячих електронів

Реферат: Діод Ганна з інжектором гарячих електронів містить металокерамічний корпус, елементи з'єднання, тепловідвід із золота та встановлену на ньому мезаструктуру, яка виконана у вигляді диска, на якій сформовано анодний омічний контакт, сформовано катодний омічний контакт із золота. Крім цього, мезаструктура зі сторони анода включає наступні шари: InP-підкладку товщиною 25 мкм, контактний InGaAs-шар товщиною 5 мкм, пролітну InGaAs-область товщиною 1,7 мкм, буферний InGaAs-шар товщиною 0,01 мкм, інжектор товщиною 0,1-0,5 мкм із In 1-x-yAlxGayAs-шapiв однакової товщини, буферний InGaAs-шар товщиною 0,01 мкм, контактний InGaAs-шар товщиною 5 мкм, причому інжектор включає десять шарів, в яких параметр х послідовно від шару до шару зростає від 0 до 0,48, параметр у послідовно від шару до шару зменшується від 0,47 до 0, при зміненні параметра (1-х-у) від 0,53 до 0,52. UA 112306 U (54) ДІОД ГАННА ЗІ СТУПІНЧАСТИМ ІНЖЕКТОРОМ ГАРЯЧИХ ЕЛЕКТРОНІВ UA 112306 U UA 112306 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до напівпровідникової надвисокочастотної (НВЧ) електроніки, зокрема до виготовлення діодів Ганна, і може застосовуватись при конструюванні діодів Ганна для НВЧ генераторів. Найближчим по технічної суті до корисної моделі, що заявляється (прототипом), є діод Ганна з арсеніду галію з інжектором гарячих електронів [Напівпровідниковий надвисокочастотний діод Ганна з арсеніду галію. Деклараційний Патент 8493, Україна, МПК H01L 29/10, 47/02. Опубл. 15.08.2005. Бюл. №8], який має металокерамічний корпус, елементи з'єднання, тепловідвід із золота та встановлену на ньому мезаструктуру, яка виконана у вигляді + ++ ++ диска із арсеніду галію типу n-n -n , на якій зі сторони n сформовано анодний омічний контакт, а зі сторони n сформовано пошаровий катодний омічний контакт, який включає шар золото-германієвого сплаву, антидифузійний шар із дибориду титану або дибориду цирконію та шар золота, причому золото-германієвий сплав має таке співвідношення компонентів: 5-6 германій мас. % 94-95 золото мас. %. Завдяки такій конструкції на межі метал-напівпровідник діода-прототипу утворюється шар підвищеного опору певної товщини, на якому електрони набувають енергію, тобто становляться "гарячими" і можуть здійснити "міждолинний перехід", при цьому частота генерації може бути підвищена до 80 ГГц (замість 60 ГГц для звичайних діодів Ганна з арсеніду галію). ГГц і така частота не є достатньою для потреб суспільства, яке в майбутньому орієнтується на частоти більш 100 ГГц в стабільному режимі, і тому це можливо віднести до недоліків діода-прототипу. Тому в основу корисної моделі, що заявляється, поставлена задача удосконалення діода Ганна з інжектором гарячих електронів таким чином, щоб він зміг забезпечити стабільний режим роботи приладу на частоті більш 100 ГГц. Вказана задача вирішується за рахунок того, що в діоді Ганна з інжектором гарячих електронів, що містить металокерамічний корпус, елементи з'єднання, тепловідвід із золота та встановлену на ньому мезаструктуру, яка виконана у вигляді диска, на якій сформовано анодний омічний контакт, сформовано катодний омічний контакт із золота, згідно з корисною моделлю, мезаструктура зі сторони анода включає наступні шари: підкладку з ІnР товщиною 25 мкм, контактний InGaAs-шар товщиною 5 мкм, InGaAs-пролітну область товщиною 1,7 мкм, буферний InGaAs-шар товщиною 0,01 мкм, інжектор товщиною 0,1-0,5 мкм із In1-x-yAlxGayAsшаpiв однакової товщини, буферний InGaAs-шар товщиною 0,01 мкм, контактний InGaAs-шар товщиною 5 мкм, причому інжектор включає десять шарів, в яких параметр х послідовно від шару до шару зростає від 0 до 0,48, параметр у послідовно від шару до шару зменшується від 0,47 до 0, при змінах параметра (1-х-у) від 0,53 до 0,52. Розкриємо суть. На відміну від прототипу, де електрони набувають енергію завдяки шару підвищеного опору певної товщини, в нашій моделі електрони набувають енергію завдяки ступінчастому інжектору електронів. Параметри х і у підібрано таким чином, що енергетичний рівень дна зони провідності напівпровідника In1-x-yAlxGayAs зростає від шару до шару, але стала кристалічної решітки In1-xyAlxGayAs не змінюється і практично дорівнює сталій кристалічної решітки ІnР. Це дуже важлива умова, тому що інакше на границі шарів з'являться дефекти кристалічної структури, які значно погіршують роботу приладу. У нашому випадку стала кристалічної решітки, тобто відстань між відповідними атомами, має дуже малі варіації до 0,1 %, що є задовільним для роботи діода Ганна. Десять шарів In1-x-yAlxGayAs виконують роль ступінчастого інжектора гарячих електронів, оскільки на виході ступінчастого інжектора електрони вже мають енергію, достатню для переходу з "головної долини" до "бічної долини" в напівпровіднику InGaAs, в якій електрони мають низьку рухливість. (Ми маємо на увазі терміни зонної теорії фізики твердого тіла.) Завдяки наявності переходу електронів в зону низької рухомості забезпечується ефект Ганна генерація НВЧ коливань. В нашому випадку параметри х, у можуть бути такими (як приклад): х: y: 50 0,00 0,47 0,06 0,41 0,12 0,35 0,18 0,29 0,22 0,25 0,26 0,21 0,30 0,17 0,36 0,11 0,42 0,05 0,48 0,00 Запропоноване технічне рішення може бути використано для конструювання діодів Ганна для НВЧ генераторів, а також і для створення НВЧ джерел в крайнє високочастотної (КВЧ) терапії. 1 UA 112306 U 5 10 15 20 На фіг. 1 зображено структуру діода Ганна зі ступінчастим інжектором гарячих електронів. На фіг. 2 зображено енергетичну діаграму діода Ганна. На фіг. 3 зображено вольтамперну характеристику діода Ганна. За допомогою програмного пакета Silvaco запропонована модель високочастотного діода була промодельована і отримані електричні характеристики діода Ганна. Для моделювання використовувалася дифузійно-дрейфова модель, основана на рішенні рівнянь Пуассона і неперервності. Результати моделювання вказують, що інжектор гарячих електронів забезпечує енергію електронів 0,4-0,42 еВ, яка відповідає переходу з "головної долини" до "бічної долини". Тобто виконується необхідна умова функціонування діода Ганна. Результати розрахунку вольтамперної характеристики вказують на наявність негативної диференційної електропровідності, тобто прилад може бути генератором коливань. Ця умова виконується лише при товщині інжектора 0,1-0,5 мкм, тобто при товщині кожного з десяти однакових шарів інжектора - 0,01-0,05 мкм. При цьому частота коливань дорівнює 106 ГГц, тобто відповідає рішенню поставленої задачі. Діод Ганна зі ступінчастим інжектором гарячих електронів працює таким чином. На діод подається напруга зміщення, при досягненні певного граничного значення якої електрони долають енергетичний бар'єр інжектора, набуваючи енергію 0,42 еВ на початку пролітної області. Завдяки цьому в активному InGaAs шарі зароджується домен, що рухається в бік анода і виникають стійкі коливання струму. Згідно з розрахунком частота коливань, яка обернено пропорційна часу проходження домену в активному шарі товщиною 1,7 мкм, дорівнює 106 ГГц. Таким чином, запропонована конструкція діода Ганна дозволяє збільшити частоту генерації з 80 ГГц до більш ніж 100 ГГц. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 Діод Ганна з інжектором гарячих електронів, що містить металокерамічний корпус, елементи з'єднання, тепловідвід із золота та встановлену на ньому мезаструктуру, яка виконана у вигляді диска, на якій сформовано анодний омічний контакт, сформовано катодний омічний контакт із золота, який відрізняється тим, що мезаструктура зі сторони анода включає наступні шари: InP-підкладку товщиною 25 мкм, контактний InGaAs-шар товщиною 5 мкм, пролітну InGaAsобласть товщиною 1,7 мкм, буферний InGaAs-шар товщиною 0,01 мкм, інжектор товщиною 0,10,5 мкм із In 1-x-yAlxGayAs-шapiв однакової товщини, буферний InGaAs-шар товщиною 0,01 мкм, контактний InGaAs-шар товщиною 5 мкм, причому інжектор включає десять шарів, в яких параметр х послідовно від шару до шару зростає від 0 до 0,48, параметр у послідовно від шару до шару зменшується від 0,47 до 0, при зміненні параметра (1-х-у) від 0,53 до 0,52. 2 UA 112306 U 3 UA 112306 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4