Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z)
Исследовано возникновение и дрейф волн объёмного заряда в диоде Ганна на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) с n+-n катодом. Показано, что в варизонных диодах Ганна существуют эффекты, которых нет в диодах на основе пространственно-однородных по составу полупроводников. Сделано обобщение тройных вар...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10841 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) / И.П. Стороженко // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 1. — С. 243-249. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10841 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Стороженко, И.П. 2010-08-09T09:21:35Z 2010-08-09T09:21:35Z 2007 Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) / И.П. Стороженко // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 1. — С. 243-249. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10841 621.382.2 Исследовано возникновение и дрейф волн объёмного заряда в диоде Ганна на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) с n+-n катодом. Показано, что в варизонных диодах Ганна существуют эффекты, которых нет в диодах на основе пространственно-однородных по составу полупроводников. Сделано обобщение тройных варизонных полупроводников А3В5. Досліджено виникнення та дрейф хвиль об’ємного заряду в діоді Ганна на основі варізонного GaPx(z)As1-x(z). з n+-n катодом. Показано, що у варізонних діодах існують ефекти, яких нема у діодах Ганна на основі просторово-однорідних за складом напівпровідників. Зроблено узагальнення потрійних варізонних напівпровідників А3В5. Singularities formation and drift of volume charge wave in based variband GaPx(z)As1-x(z) Gunn diodes with n+-n cathode has been studied. These diodes are shown exist of phenomena’s which not in employing spatially efficiency homogeneous semiconductors. To made extension of А3В5 variband threefold semiconductors. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Вакуумная и твердотельная электроника Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) Особливості виникнення i дрейфу хвиль об’ємного заряду в приладах з мiждолинним переносом електронів на основі варiзонного GaPx(z)As1-x(z) Singularities formation and drift of volume charge wave in based variband GaPx(z)As1-x(z) intervalley transfer electron devises Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) |
| spellingShingle |
Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) Стороженко, И.П. Вакуумная и твердотельная электроника |
| title_short |
Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) |
| title_full |
Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) |
| title_fullStr |
Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) |
| title_full_unstemmed |
Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) |
| title_sort |
особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного gapx(z)as1-x(z) |
| author |
Стороженко, И.П. |
| author_facet |
Стороженко, И.П. |
| topic |
Вакуумная и твердотельная электроника |
| topic_facet |
Вакуумная и твердотельная электроника |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Особливості виникнення i дрейфу хвиль об’ємного заряду в приладах з мiждолинним переносом електронів на основі варiзонного GaPx(z)As1-x(z) Singularities formation and drift of volume charge wave in based variband GaPx(z)As1-x(z) intervalley transfer electron devises |
| description |
Исследовано возникновение и дрейф волн объёмного заряда в диоде Ганна на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) с n+-n
катодом. Показано, что в варизонных диодах Ганна существуют эффекты, которых нет в диодах на основе пространственно-однородных по составу полупроводников. Сделано обобщение тройных варизонных полупроводников А3В5.
Досліджено виникнення та дрейф хвиль об’ємного
заряду в діоді Ганна на основі варізонного GaPx(z)As1-x(z). з n+-n
катодом. Показано, що у варізонних діодах існують ефекти,
яких нема у діодах Ганна на основі просторово-однорідних за
складом напівпровідників. Зроблено узагальнення потрійних
варізонних напівпровідників А3В5.
Singularities formation and drift of volume charge wave in based
variband GaPx(z)As1-x(z) Gunn diodes with n+-n cathode has been
studied. These diodes are shown exist of phenomena’s which not
in employing spatially efficiency homogeneous semiconductors.
To made extension of А3В5 variband threefold semiconductors.
|
| issn |
1028-821X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10841 |
| citation_txt |
Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) / И.П. Стороженко // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 1. — С. 243-249. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT storoženkoip osobennostivozniknoveniâidreifavolnobʺemnogozarâdavpriborahsmeždolinnymperenosomélektronovnaosnovevarizonnogogapxzas1xz AT storoženkoip osoblivostíviniknennâidreifuhvilʹobêmnogozarâduvpriladahzmiždolinnimperenosomelektronívnaosnovívarizonnogogapxzas1xz AT storoženkoip singularitiesformationanddriftofvolumechargewaveinbasedvaribandgapxzas1xzintervalleytransferelectrondevises |
| first_indexed |
2025-11-25T23:45:20Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:45:20Z |
| _version_ |
1850583561210429440 |
| fulltext |
__________
ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 12, №1, 2007, с. 243-249 © ИРЭ НАН Украины, 2007
УДК 621.382.2
ОСОБЕННОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ДРЕЙФА ВОЛН ОБЪЁМНОГО ЗАРЯДА В
ПРИБОРАХ С МЕЖДОЛИННЫМ ПЕРЕНОСОМ ЭЛЕКТРОНОВ НА ОСНОВЕ
ВАРИЗОННОГО GaPx(z)As1-x(z)
И. П. Стороженко
Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина
4, пл. Свободы, Харьков, 61077, Украина
E-mail: storozhenko_igor@mail.ru
Исследовано возникновение и дрейф волн объѐмного заряда в диоде Ганна на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z) с n+-n
катодом. Показано, что в варизонных диодах Ганна существуют эффекты, которых нет в диодах на основе пространственно-
однородных по составу полупроводников. Сделано обобщение тройных варизонных полупроводников А3В5. Ил. 6. Библиограф.
назв. 14.
Ключевые слова: варизонный полупроводник, диод Ганна, дипольный домен, частота.
Приборы, работающие на эффекте меж-
долинного переноса электронов (МПЭ) в милли-
метровом диапазоне длин волн имеют ряд прин-
ципиальных проблем, ограничивающих сверху
рабочую частоту. Одна из основных проблем свя-
зана с разогревом электронного газа вблизи ка-
тодного контакта. Длина области начального ра-
зогрева электронов (“холодная” зона) в GaAs
диодах Ганна с омическим n n или m n
катодом равняется ~1 мкм [1]. Частотный предел
работы таких диодов ограничен 75-100 ГГц, что
значительно ниже частотных возможностей МПЭ
в GaAs (~600 ГГц) [2]. Для того, чтобы сократить
размеры “холодной” зоны, используют всевоз-
можные катодные контакты, которые обеспечи-
вают разогрев электронного газа у катода. Это,
как правило, резкие гомо- или гетеропереходы
[1-4], создающие в окрестности катода короткую
область с высоким значением электрического
поля, где электроны без столкновений набирают
энергию, достаточную для рассеяния в боковые
долины. Частотный предел таких GaAs приборов
лежит в интервале 200-280 ГГц. Использование
катодных контактов, позволяющих инжектиро-
вать в активную область диода электроны с высо-
ким уровнем энергии (туннельные контакты [5],
антизапорные гетеропереходы [6]), не имело зна-
чительного успеха. Другим подходом к данной
проблеме является поиск полупроводниковых
материалов с частотным пределом работы боль-
шим, чем GaAs или InP, например нитриды III
группы [7].
На ограничение частотных возможностей
субмикронных диодов оказывает отрицательное
влияние также и анодный контакт. Область высо-
кого поля анодного n n контакта влияет на
электроны, находящиеся в окрестности катодного
контакта. Для развязки катода с анодом исполь-
зуют двухзонный n n n n катод [8] или
гетеропереход [9] на аноде. Создание приборов со
сложными контактами является технологически
дорогостоящей задачей. Поэтому для получения
генерации электромагнитных колебаний в мил-
лиметровом диапазоне, как правило, используют
генерацию гармоник на диодах с омическим
n n или m n катодом и анодом.
В варизонных полупроводниках А3В5 ра-
зогрев электронного газа имеет ряд отличитель-
ных черт, которые позволяют принципиально по-
другому решить названные выше проблемы. Тео-
ретические исследования МПЭ в варизонных по-
лупроводниках и приборах на их основе были
предприняты в работах [10-13]. С помощью двух-
температурной модели МПЭ в варизонном полу-
проводнике, которая получена в [10], исследована
работа Inx(z)Ga1-x(z)As [11], Alx(z)Ga1-x(z)As [12],
InP1-x(z)Asx(z) [13] варизонных диодов Ганна с
n n и n n n катодами. По выходной
мощности и придельной рабочей частоте такие
диоды могут превосходить аналогичные диоды с
другими известными типами катодными контак-
тами. Обобщающих исследований физических
явлений, лежащих в основе улучшения высоко-
частотных свойств приборов с МПЭ на основе
варизонных полупроводников, проделано не бы-
ло. Результатом такого исследования могла бы
стать теория МПЭ в варизонных полупроводни-
ках, которая позволила бы систематизировать
варизонные полупроводники А3В5 для диодов
Ганна миллиметрового диапазона. В данной ра-
боте исследованы физические явления, связанные
с МПЭ и возникающие в диоде Ганна с n n
катодом на основе варизонного GaPx(z)As1-x(z), а
также обобщены полученные результаты для ва-
ризонных соединений А3В5.
И. П. Стороженко / Особенности возникновения и дрейфа…
_________________________________________________________________________________________________________________
244
1. Методика исследования. Исследова-
ния проводились с помощью двухтемпературной
модели МПЭ в варизонном полупроводнике [10],
которая состоит из уравнений непрерывности (1),
плотности тока (2), баланса энергии электронов
(3) для двух долин зоны проводимости и уравне-
ния Пуассона (4):
1 ji i i
ni nj
nn J n
t e z
; (1)
( ) 3
;
2
i
i i i i i
i i i i i i
i
i
J en E n
z
n T n T m
z m z
(2)
3 1
2
( )5 1
;
2
i i i
i i
j ji i i i
i j
n T
J E J
t e z
n TJ T n T
e z
(3)
0
4
i j
E e
n n n
z
, (4)
где индексы i, j относятся соответственно к цен-
тральной (Г) и боковой (L) долинам, или наобо-
рот, когда речь идет о процессах в боковой доли-
не; ni, i, mi, Ji, Ti - соответственно концентра-
ция, подвижность, эффективная масса, плотность
тока и температура электронов в i-й долине;
1/ ni и 1/ Ei - обратные времена релаксации элек-
тронов, усредненные соответственно по концен-
трации и энергии; i - энергия, необходимая для
перевода электронов с энергетического миниму-
ма i-й долины до локального уровня вакуума
(рис. 1); E - напряженность электрического поля;
n0 - концентрация ионизированных доноров; -
диэлектрическая проницаемость; e - модуль заря-
да электрона; k - постоянная Больцмана; t - время;
z - координата.
Исследуется работа диода Ганна с омиче-
ским катодным и анодным контактами -
n n n : GaPx(z)As1-x(z) (рис. 1). Процентная
доля GaP в соединении Ga1-x(z)Px(z)As зависит от
координаты z и определяется выражением:
1 2
2
0
( )
4( )
1 exp
v
x x
x z x
z z
l
, (5)
где x1 и x2 - предельное содержание GaP в
GaPx(z)As1-x(z) соответственно на - и + ; z0 - ко-
ордината центра варизонного слоя; vl – толщина
варизонного слоя. Электрофизические параметры
бинарных полупроводников GaAs и GaP взяты из
работы [14]. Энергия электронного сродства Г в
GaAs - 4,07 эВ и L в GaP - 3,8 эВ. Параметры
промежуточных по составу соединений между
GaAs и GaP определялись из предположения о
линейной зависимости параметров соединения от
x(z). Содержание GaP в GaPxAs1-x не превышало
35 %, так как при большем содержании GaP из-за
слишком малого значения ГL увеличивается за-
селенность электронами боковых долин и эффект
МПЭ отсутствует [14]. Координата центра вари-
зонного слоя z0 совпадает с центром активной
области (рис. 1). Длина активной области
lа=2,5 мкм, концентрация ионизированных при-
месей в ней n0 = 10
16
см
-3
. Температура кристал-
лической решетки Т0 считалась постоянной, рав-
ной 300 К. Рассмотрен случай уменьшения про-
центного содержания GaP в GaPx(z)As1-x(z)
(GaP0,35As0,65-GaAs диоды) и его возрастания
(GaAs-GaP0,35As0,65 диоды).
Рис. 1. Схематическая зонная диаграмма GaP0,35As0,65-GaAs
варизонного диода с омическим n+-n катодом: 0 - уровень
вакуума при отсутствии внешних сил; l - уровень вакуума с
внешними силами (локальный); C - дно зоны проводимости
(энергетический минимум Г - долины); F - энергетический
уровень Ферми; V - потолок валентной зоны; g - ширина
запрещенной зоны; Г- энергетический минимум Г - долины; L
- энергетический минимум L - долины; ГL - энергетический
зазор между минимумами Г- и L-долинами; Г - энергия элек-
тронного сродства для Г- долины; L - энергия электронного
сродства для L - долины; - потенциал внешних сил; z - ко-
ордината; l - длина катода; la - длина активной зоны
2. Анализ зависимостей от координаты
энергии электронного сродства и эффективной
массы электронов. В двухтемпературной модели
МПЭ в варизонных полупроводниках в отличие
от такой же модели МПЭ в пространственно-
однородных по составу полупроводниках в урав-
нениях сохранения импульса (2) и энергии (3)
электронов присутствуют слагаемые, зависящие
от энергии электронного сродства i и эффектив-
ной массы электронов mi [10].
Зависимости mi(z) и i(z) в варизонном по-
лупроводнике приводят к потоку электронов в на-
правлении увеличения mi и i. В GaP0,35As0,65-GaAs
L
g
L
ГL Г
И. П. Стороженко / Особенности возникновения и дрейфа…
_________________________________________________________________________________________________________________
245
диодах Г(z) - возрастающая, а mГ(z) - убываю-
щая функции. Следовательно, потоки электронов
в Г-долине, вызванные этими величинами, направ-
лены в противоположные стороны. Поэтому целе-
сообразней оценить их совместное влияние на
МПЭ в точке z = z0, где градиенты mi и i по
абсолютному значению максимальны и
x(z0) = 0,175. В качестве оценивающего параметра
будем использовать пороговое электрическое поле
и эквивалентный ему дрейфовый поток электронов
3
2
i i i
п
i
T m
eE
z m z
. (6)
Отсюда можно получить, что суммарное
воздействие mi и i эквивалентно воздейст-
вию порогового поля при толщине варизонного
слоя vl = lкр
2 12 1
2 1
2 1
4 ( ) 3 i i
кр i i i
п i i
m mx x
l T
eE m m
, (7)
где индексы 1 и 2 соответствуют параметрам
GaPx(z)As1-x(z) на - и + (для GaP0,35As0,65-GaAs
диода 1 - GaP0,35As0,65, 2 - GaAs); Еп - пороговое
поле зависимости дрейфовой скорости электро-
нов от электрического поля в GaPxAs1-x при
1 2( )x x x /2 = 0,175.
Численные оценки показывают, что плот-
ность тока, вызванная Г(z), в ~10 раз превышает
плотность тока, вызванную mГ(z). Их совместное
влияние становится эквивалентно пороговому
электрическому полю в GaP0,175As0,825 (~3,2 кВ/см)
при толщине варизонного слоя vl = 0,97 мкм.
Аналогичные оценки для электронов, находящих-
ся в боковых долинах, показали, что в L-долинах
плотность тока из-за L(z) в пять раз превышает
плотность тока, вызванного mL(z), а их совмест-
ное влияние в ~10 раз меньше, чем влияние Г(z)
и mГ(z). Причѐм направление потоков электро-
нов в Г- и L-долинах противоположно. В приве-
денных оценках распределение концентрации
электронов равномерно, а их температура равня-
лась температуре кристаллической решѐтки. По-
этому оценочное значение lкр оказалось несколько
завышенным. Так, максимальное значение поля в
варизонном слое при vl = 0,97 мкм равно
~2,9 кВ/см, а не 3,2 кВ/см. Следовательно, при
vl > 0,97 мкм влияние на МПЭ градиентов mi(z) и
i(z) в GaPx(z)As1-x(z) незначительное.
3. Электронные процессы. Вместе с тем
численные эксперименты показывают, что в
GaP0,35As0,65-GaAs диодах при vl >>0,97 мкм и да-
же при исключении i(z) и mi(z) из уравнений
сохранения импульса и энергии электронов про-
цессы, происходящие в диоде, значительно отли-
чаются от процессов в GaPxAs1-x диодах. После-
довательное исключение из модели зависимости
различных параметров полупроводника от коор-
динаты z показало, что наибольшее влияние на
электронные процессы в диоде оказывает зависи-
мость от координаты энергетического зазора ме-
жду центральной долиной и ближайшей к ней по
энергии боковой долиной (z). Энергетический
зазор влияет на время релаксации концентра-
ции и энергии электронов. В GaP0,35As0,65
= 0,073 эВ, а в GaAs = 0,36 эВ. При малых
полях, когда разогрев электронов в Г-долине не-
существенный (ТГ Т0), рассеяние электронов в
GaAs происходит преимущественно на оптиче-
ских и акустических фононах, а в GaP0,35As0,65 - на
междолинных. Время перехода электронов в бо-
ковые долины усредненно как по концентрации,
так и по энергии в GaP0,35As0,65 значительно
меньше, чем в GaAs. В GaP0,35As0,65-GaAs диодах
у катодного контакта актов рассеяния в боковые
долины происходит больше, чем у анодного кон-
такта. Обратный переход электронов из L-долин в
Г-долину интенсивней происходит у анода, чем у
катода. В результате из-за термического разогре-
ва, даже при отсутствии внешнего поля, концен-
трация электронов в боковых долинах в
GaP0,35As0,65-GaAs диодах убывает от катода к
аноду. Например, при vl = 3,5 мкм концентрация
электронов у катодного контакта в Г-долине
nГ 8,5 10
15
см
-3
и в L-долинах nL 4,2 10
15
см
-3
, а
у анодного контакта соответственно
nГ 12 10
16
см
-3
и nL 4,3 10
12
см
-3
. Градиент
концентрации электронов приводит к появлению
в долинах противоположно направленных диф-
фузионных потоков электронов. В Г-долине диф-
фузионный поток направлен от анода к катоду, а
в L-долинах, наоборот, от катода к аноду. Под-
вижность электронов в Г-долине значительно
больше подвижности электронов в L-долинах.
Диффузионный поток электронов в Г-долине по
абсолютному значению значительно превосходит
поток электронов в L-долинах. Для достижения
равновесия часть электронов смещается относи-
тельно центра варизонного слоя в сторону катода.
В результате в окрестности катода образуется
обогащенная электронами область, а у анода -
обеднѐнная (рис. 2). Такое распределение элек-
тронов приводит к появлению внутреннего поля,
направление которого совпадает с направлением
внешнего поля. Возникшее внутреннее электри-
ческое поле, кроме того, что приводит к появле-
нию дрейфовой составляющей потока электро-
нов, ещѐ дополнительно разогревает электроны и
стимулирует их переход из центральной долины в
боковые. Воздействие внутреннего поля неодно-
значно, тем не менее, можно утверждать, что в
И. П. Стороженко / Особенности возникновения и дрейфа…
_________________________________________________________________________________________________________________
246
диоде без внешнего поля возникает стационарное
равновесие всех дрейфовых и диффузионных со-
ставляющих плотностей тока в Г- и L-долинах с
распределением концентрации электронов соот-
ветствующему подвижному электрическому ди-
полю (рис. 2). При уменьшении толщины вари-
зонного слоя поле диполя возрастает, а его ли-
нейные размеры уменьшаются. Внутреннее поле
и размах концентрации электронов в диполе не-
значительны. Например, при vl = 1,2 мкм макси-
мальное значение поля диполя равно ~0,9 кВ/см.
Рис. 2. Распределение концентрации электронов при различной
толщине GaP0,35As0,65-GaAs слоя варизонного полупроводника,
в котором учтена только зависимость (z), все остальные пара-
метры соответствуют GaAs: 1 - 2,9 мкм; 2 - 2,3 мкм; 3 - 1,8 мкм;
4 - 1,2 мкм
Рассмотрим общий случай варизонного
полупроводника А3В5. В варизонном полупровод-
нике в соответствии с зависимостью от координа-
ты энергетического зазора между центральной
долиной и ближайшей к ней по энергии боковой
долиной (z), обратные времена релаксации кон-
центрации 1/ n и энергии электронов 1/ зависят
от координаты. Эта зависимость обусловлена теп-
ловым нагревом электронов и их преимуществен-
ным рассеянием на междолинных фононах в об-
ласти с меньшим значением (z). В центральной и
боковых долинах возникают градиенты концен-
трации электронов и соответствующие им диффу-
зионные потоки. Градиент концентрации электро-
нов в центральной долине совпадает по направле-
нию с градиентом энергетического зазора, а в бо-
ковых долинах имеет противоположное направле-
ние. Поток электронов в боковых долинах направ-
лен в сторону увеличения , где 1/ n и 1/ мень-
ше. В области с низкими значениями 1/ n и 1/
электроны из боковых долин возвращаются в цен-
тральную долину и начинают диффундировать в
обратном направлении, т. е. в сторону уменьшения
, где 1/ n и 1/ становятся больше. В области с
высокими значениями 1/ n и 1/ электроны
опять рассеиваются в боковые долины, и процесс
повторяется. Но так как подвижность электронов
в центральной долине значительно превосходит
подвижность в боковых долинах, то равновесие
только диффузионных составляющих недости-
жимо. Часть электронов относительно центра
варизонного слоя смещается в сторону уменьше-
ния . Возникающее внутреннее поле и связанная
с ним дрейфовая составляющая приводят к рав-
новесию. В центре варизонного слоя появляется
подвижный диполь заряда, направление вектора
поляризованности которого совпадает с направ-
лением градиента (z). Подвижный диполь заря-
да является прообразом дипольного домена.
Если к варизонном диоду с возрастаю-
щей функцией (z) приложить напряжение, то
равновесие нарушается. В случае, когда направ-
ления вектора поляризованности диполя и внеш-
него поля совпадают, дрейфовые составляющие
плотностей тока в центральной и боковых доли-
нах диполя возрастают. Увеличивается также ки-
нетическая энергия электронов Г-долины, причѐм
в большей степени у катода. У катода из-за зна-
чительной заселѐнности электронами боковых
долин средняя подвижность электронов меньше,
чем у анода. Следовательно, падение напряжения
на области у катода превышает падение напряже-
ния на области у анода. Дополнительный разо-
грев электронов в области у катодного контакта
стимулирует их рассевание в боковые долины.
Тем самым увеличиваются диффузионные потоки
электронов, связанные с зависимостью (z). Кон-
центрация электронов в переднем фронте диполя
подвижного заряда уменьшается, а в заднем - воз-
растает. Электрическое поле диполя возрастает ещѐ
больше, что приводит к форсированию процессов,
описанных выше. Диполь подвижного заряда рас-
тѐт. В диоде формируется домен высокого поля
независимо от типа катодного контакта (рис. 3).
Рис. 3. Распределение электрического поля в GaP0,35As0,65-GaAs
диоде с толщиной варизонного слоя
vl =2,3 мкм при напряже-
нии на диоде U=1,6 B в различные моменты времени
И. П. Стороженко / Особенности возникновения и дрейфа…
_________________________________________________________________________________________________________________
247
С эффектом возникновения дипольных
доменов связано уменьшению длины “холодной”
зоны. В варизонных диодах, у которых (z) - воз-
растающая функция координаты, происходят по-
вышения КПД, выходной мощности и предель-
ных рабочих частот [11-13].
В варизонных диодах существует эффект
ускорения или замедления дрейфа дипольного
домена, который связан с зависимостью подвиж-
ности электронов в боковых долинах от коорди-
наты L(z). Разогрев электронов в боковых доли-
нах незначителен и их температура ТL Т0. По-
этому в GaP0,35As0,65-GaAs диодах L(z) - стацио-
нарная, возрастающая функция координаты (в
Ga0,65P0,35As L 70 см
2
/(Вс), в GaAs -
~210 см
2
/(Вс)). Скорость дрейфа полностью
сформировавшегося домена, которая определяет-
ся в основном L, должна возрастать по мере
продвижения домена к аноду. В этом и заключа-
ется эффект ускорения или замедления дрейфа
дипольного домена в варизонных диодах. В ко-
ротких диодах дипольные домены полностью
сформироваться не успевают. Эффект ускорения
движения дипольного домена в GaP0,35As0,65-GaAs
диодах “смазывается” процессом роста диполь-
ного домена, из-за чего скорость его движения
падает. Тем не менее, как показали численные
эксперименты, даже в этом случае данный эф-
фект имеет место (рис. 4). Возрастание скорости
движения дипольных доменов происходит в об-
ласти от центра активной области до анода. Из
зависимости L(z) следовало ожидать, что ско-
рость движения домена должна возрасти пример-
но в три раза. На самом деле скорость возрастала
только в ~1,8 раза.
Рис. 4. Зависимость скорости дрейфа дипольного домена от
координаты в GaP0,35As0,65-GaAs диоде с толщиной варизон-
ного слоя
vl =2,3 мкм при различном напряжении U: 1 - 1 В;
2 - 1,4 В; 3 - 2 В; 4 - 3 B
В варизонных диодах возможен эффект
зависимости от напряжения глубины проникнове-
ния дипольного домена в активную область. При
сильной возрастающей зависимости (z) порого-
вое поле возникновения и рассасывания диполь-
ного домена возрастают вдоль активной области
диода. Внешнее поле в области у катода распре-
делено равномерно или имеет небольшой отрица-
тельный градиент. Возможна ситуация, когда у
катодного контакта поле равно пороговому зна-
чению возникновения дипольного домена, а на
некотором удалении от него меньше порогового
значения рассасывания домена. Дипольные доме-
ны образуются у катодного контакта и дрейфуют
в активной области до места, где внешнее поле
становится равным пороговому значению их рас-
сасывания. Домен рассасывается, и у катода обра-
зуется новый домен. По мере увеличения напря-
жения на диоде координата равенства значений
внешнего и порогового поля рассасывания доме-
на смещается к аноду. Тем самым проникновение
дипольных доменов от катода в глубь активной
области управляется внешним полем (рис. 3, 4).
Чем выше внешнее поле, тем больше длина про-
лѐтной области и ниже частота колебаний
(рис. 5). Эффект зависимости глубины проникно-
вения дипольных доменов в активную область в
GaP0,35As0,65-GaAs диодах наиболее выражен при
длине варизонного слоя vl = 2-2,8 мкм и напря-
жении на диоде U = 1,0-2,6 В (рис. 5, кривая 1).
Если U > 2,8 В дипольные домены рассасываются
на анодном контакте (рис. 4, кривая 4). Этот эф-
фект позволяет в варизонных диодах внешним
полем в широких пределах изменять пролѐтную
частоту колебаний (рис. 5, кривые 1 и 5). Анало-
гичный эффект должен также иметь место в
GaSb-GaAs, Al0,35Ga0,65As-GaAs, In0,5Ga0,5P-InP,
In0,94Al0,06P-InP, Al0,8B0,2N-AlN, Ga0,65B0,35N-GaN,
AlN-InN, AlN-GaN, In0,37Al0,63As-In0,78Al0,22As.
Рис. 5. Зависимость пролѐтной частоты от напряжения в
GaP0,35As0,65-GaAs (сплошные кривые) и GaP0,175As0,875 (пунк-
тирная кривая) диодах при различной толщине варизонного
слоя: 1 - 2,3 мкм; 2 - 2,9; 3 - 3,5; 4 - 4,1; 5 -
И. П. Стороженко / Особенности возникновения и дрейфа…
_________________________________________________________________________________________________________________
248
На процессы, происходящие в активной
области, оказывает влияние толщина варизонного
слоя vl . Уменьшение vl приводит к возрастанию
градиента процентного содержания GaP в
GaPx(z)As1-x(z) в центре варизонного слоя, т. е. в
нашем рассмотрении в центре активной области.
Поэтому при уменьшение vl все описанные выше
процессы в окрестности центра варизонного слоя
усиливаются. При vl < 1,5-1,8 мкм в GaP0,35As0,65-
GaAs диодах у катодного контакта < 0,1 эВ.
Практически все электроны у катодного контакта
находятся в L-долинах. В активной области меж-
ду катодным контактом и центром варизонного
слоя при любом внешнем поле формируется ста-
тический домен высокого поля (рис. 6).
Рис. 6. Распределение электрического поля в GaP0,35As0,65-
GaAs диоде с толщиной варизонного слоя
vl =1,2 мкм при
напряжении на диоде U=1,6 B в различные моменты времени
Рост vl приводит к ослаблению влияния
(z). При vl >> la GaPx(z)As1-x(z) можно считать в
активной области пространственно-однородным
по составу полупроводником близкому к
GaP0,175As0,825. При этом в активной области воз-
никают волны объѐмного заряда, напоминающие
обогащѐнные слои. Преобразование дипольных
доменов в обогащѐнные слои происходит посте-
пенно, без резких изменений в режимах работы.
Рост vl сопровождается увеличением линейных
размеров и уменьшением максимального поля
дипольного домена. При этом возрастает длина
области начального разогрева электронов. Таким
образом, случай vl >> la является предельным,
когда теория МПЭ в варизонном диоде преобра-
зуется в хорошо известную теорию МПЭ в диоде
на основе пространственно-однородных по соста-
ву полупроводников.
В случае GaAs-GaP0,35As0,65 диодов все
описанные выше процессы имеют противополож-
ную направленность. Энергетический зазор меж-
ду долинами убывает от катода к аноду. Из-за
зависимости (z) в активной области подвиж-
ный диполь образуется, но его вектор поляризо-
ванности имеет направление противоположное
внешнему полю. Внешнее поле приводит к рас-
сасыванию подвижного дипольного заряда. В
диодах происходит формирование волн объѐм-
ного заряда, напоминающих обогащѐнный слой.
При уменьшении толщины варизонного слоя vl
длина области начального разогрева электронов
растѐт. Если vl < ~7 мкм, то на анодном контакте
GaAs-GaP0,35As0,65 диода образуется статический
домен. Анализ работы GaAs-GaP0,35As0,65 диодов
показывает, что варизонные диоды с убывающей
функцией (z) мало эффективны по сравнению с
диодами на основе однотипных однородных по
составу полупроводников.
Выводы. Приборы с n n катодом на
основе варизонного GaPx(z)As1-x(z), работающие на
основе эффекта МПЭ, при температуре кристал-
лической решѐтки равной 300 К обладают сле-
дующими свойствами.
Величины градиентов энергии электрон-
ного сродства и эффективной массы электронов в
долинах зоны проводимости могут оказывать
ощутимое влияние на МПЭ в GaPx(z)As1-x(z) при
толщине варизонного слоя vl < 0,9 мкм.
Зависимость энергетического зазора
между центральной и ближайшей к ней по энер-
гии боковой долиной от координаты (z) приво-
дит к появлению подвижного электрического ди-
поля, вектор поляризованности которого по на-
правлению совпадает с градиентом (z). Если
внешнее поле совпадает по направлению с векто-
ром поляризованости диполя, как в GaP0,35As0,65-
GaAs диодах, то электрический диполь начинает
расти, и в активной области независимо от типа
катодного контакта реализуется режим с домена-
ми высокого поля. Если внешнее поле противо-
положно направлено вектору поляризованности
диполя, как в GaAs-GaP0,35As0,65 диодах, то ди-
поль разрушается, а вместо него формируется
волна объѐмного заряда, напоминающая обога-
щѐнный слой.
Возрастающую функцию (z) имеют
GaSb-GaAs, GaAs0,65P0,35-GaAs, Al0,35Ga0,65As-GaAs,
GaAs-In0,6Ga0,4As, Ga0,9B0,1As-GaAs, In0,5Ga0,5P-InP,
InP-InP0,6As0,4, In0,94Al0,06P-InP, In0,37Al0,63As-
In0,78Al0,22As, InP-In0,96B0,04As, GaSb-In0,69Ga0,31Sb,
In0,69B0,31As-In0,86B0,14As, In0,45Al0,55Sb-In0,85Al0,15Sb,
Al0,8B0,2N-AlN, Ga0,65B0,35N-GaN, AlN-InN, InN-
GaN и AlN-GaN варизонные полупроводники. В
диодах на их основе следует ожидать режим с
дипольными доменами, повышение выходной
мощности, КПД и предельной рабочей частоты.
И. П. Стороженко / Особенности возникновения и дрейфа…
_________________________________________________________________________________________________________________
249
В GaP0,35As0,65-GaAs диодах существует
эффект зависимости глубины проникновения до-
мена в активную область от напряжения из-за
чего пролѐтная частота меняется в интервале 30-
48 ГГц. Для сравнения пролѐтная частота в
GaP0,175As0,825 диоде лежит в интервале 32-36 ГГц.
Аналогичный эффект возможен в варизонных
полупроводниках с сильной зависимостью (z), в
таких, например, как GaSb-GaAs, Al0,35Ga0,65As-
GaAs, AlN-InN, AlN-GaN, In0,5Ga0,5P-InP,
In0,94Al0,06P-InP, Al0,8B0,2N-AlN, Ga0,65B0,35N-GaN,
In0,37Al0,63As-In0,78Al0,22As варизонных диодах.
В GaP0,35As0,65-GaAs диодах из-за зависи-
мости подвижности электронов в боковых доли-
нах существует эффект ускорения дрейфа ди-
польного домена при его пролѐте от катода к ано-
ду. Эффект возрастания скорости домена следует
ожидать в GaSb-GaAs, Al0,35Ga0,65As-GaAs и
In0,5Ga0,5P-InP диодах, а эффект уменьшение ско-
рости домена в GaAs-In0,6Ga0,4As и InP-InP0,6As0,4
диодах.
В варизонных диодах размеры домена за-
висят от толщины варизонного слоя vl . При воз-
растании vl увеличиваются линейные размеры
домена, уменьшается максимальное поле домена,
передний и задний фронт домена становится бо-
лее пологим, растѐт длина области начального
разогрева электронов. Если vl значительно боль-
ше длины активной области диода, то теория
МПЭ в варизонном диоде преобразуется в хоро-
шо известную теорию МПЭ в диоде на основе
пространственно однородных по составу полу-
проводников.
В GaP0,35As0,65-GaAs диодах при vl < 1,5-
1,8 мкм образуется статичный домен. Аналогич-
ное явление должно иметь место в варизонных
диодах, у которых минимальное значение в
активной области меньше чем ~0,1 эВ.
Таким образом, использование варизон-
ного полупроводника в активной области прибо-
ров с МПЭ, предположительно, позволяет улуч-
шить их высокочастотные свойства.
1. Аркуша Ю. В., Дрогаченко А. А., Прохоров Э. Д. Влияние
формы напряжения на энергетические характеристики ко-
ротких диодов Ганна // Радиотехника и электроника. -
1987. - 32, №9. - С.1947-1954.
2. Кальфа А. А., Пореш С. Б., Тагер А. С. Эффект Ганна на
высоких частотах // Электронная техника. Сер. 1. Элек-
троника СВЧ. - 1984. - Вып.4 (1008). - С.2-34.
3. Аркуша Ю. В., Дрогаченко А. А., Прохоров Э. Д. Влияние
запорного металлического катодного контакта на работу
коротких диодов Ганна // Радиотехника и электроника. -
1988. - 33, №6. - С.1295-1301.
4. Аркуша Ю. В., Прохоров Э. Д., Стороженко И. П. Гетеро-
катод InxGa1-xAs/GaAs в GaAs диоде Ганна мм-диапазона //
Радиотехника и электроника. - 2000. - 45, №4. - С.508-510.
5. Стороженко И. П., Прохоров Э. Д., Боцула О. В. GaAs
диоды Ганна с AlAs-GaAs-AlAs резонансно туннельным
катодом // Радиофизика и радиоастрономия. - 2006. - 11,
№4. - C.385-396
6. Sponer H., Couch N. R. Advances in hot electron injector
Gunn diodes // GEC Journal of Reseach. - 1989. - 7, N1. -
P.34-35.
7. Alekseev E., Pavlidis D. Large-signal microwave performance
of GaN-based NDR diode oscillators // Solid State
Electronics. - 2000. - 44. - P.941-947.
8. Кальфа А. А., Тагер А. С. Теоретическое исследование
арсенид-галлиевых диодов Ганна с двухзонным катодом //
Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. - 1982. -
Вып.10. - С.17-21.
9. Борисов В. И., Гореленок А. Т., Дмитриев С. Г. и др. Дио-
ды Ганна на основе гетероструктуры n-InGaAs/n+-InP //
Физика и техника полупроводников. - 1992. - 26, №4. -
C.611-613.
10. Стороженко И. П. Моделирование диодов Ганна на ос-
нове варизонных полупроводников // Радиофизика и элек-
троника. - Харьков: Ин-т. радиофизики и электрон. НАН
Украины. - 2003. - 8, №2. - С.287-294.
11. Аркуша Ю. В., Прохоров Э. Д., Стороженко И. П. Влия-
ние толщины варизонного слоя на энергетические и час-
тотные характеристики Inx(z)Ga1-x(z)As диодов Ганна // Ра-
диотехника и электроника. - 2006. - 51, №3. - С.371-377.
12. Стороженко И. П. Диоды Ганна на основе варизонного
Alx(z)Ga1-x(z)As c различными катодными контактами // Ра-
диофизика и радиоастрономия. - 2006. - 11, №2, - С.186-197.
13. Стороженко И. П. Варизонные InP1-x(z)Asx(z) диоды Ганна
с различными катодными контактами // Радиофизика и
электроника. - Харьков: Ин-т. радиофизики и электроники
НАН Украины. - 2006. - 11, №3. - С.421-429.
14. Прохоров Э. Д., Белецкий Н. И. Полупроводниковые мате-
риалы для приборов с междолинным переносом электро-
нов. - Харьков: Вища школа, 1982. - 144 с.
SINGULARITIES FORMATION AND DRIFT OF
VOLUME CHARGE WAVE IN BASED
VARIBAND GaPx(z)As1-x(z) INTERVALLEY
TRANSFER ELECTRON DEVISES
I. P. Storozhenko
Singularities formation and drift of volume charge wave in based
variband GaPx(z)As1-x(z) Gunn diodes with n+-n cathode has been
studied. These diodes are shown exist of phenomena’s which not
in employing spatially efficiency homogeneous semiconductors.
To made extension of А3В5 variband threefold semiconductors.
Key words: variband semiconductor, Gunn diode, dipole domain,
frequency.
ОСОБЛИВОСТІ ВИНИКНЕННЯ I ДРЕЙФУ
ХВИЛЬ ОБ’ЄМНОГО ЗАРЯДУ В ПРИЛАДАХ З
МIЖДОЛИННИМ ПЕРЕНОСОМ ЕЛЕКТРОНІВ
НА ОСНОВІ ВАРIЗОННОГО GaPx(z)As1-x(z)
I. П. Стороженко
Досліджено виникнення та дрейф хвиль об’ємного
заряду в діоді Ганна на основі варізонного GaPx(z)As1-x(z). з n+-n
катодом. Показано, що у варізонних діодах існують ефекти,
яких нема у діодах Ганна на основі просторово-однорідних за
складом напівпровідників. Зроблено узагальнення потрійних
варізонних напівпровідників А3В5.
Ключові слова: варізонний напівпровідник, діод
Ганна, дипольний домен, частота.
Рукопись поступила 30 октября 2006 г.
|