Влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе GaAs
Исследованы вольт-амперные характеристики и эффективность генерации диодов с туннельными границами в структурах типа ''сэндвич'' на основе GaAs. Показано, как влияет междолинный перенос электронов в областях, прилегающих к туннельной границе, на эффективность генерации диодов в д...
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Доповіді НАН України |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49491 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе GaAs / Э.Д. Прохоров, О.В. Боцула, О.А. Клименко // Доп. НАН України. — 2012. — № 4. — С. 75-80. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-49491 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-494912025-02-09T09:40:27Z Влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе GaAs Вплив міждолинного перенесення електронів на ефективність генерації діодів з тунельними межами на основі GaAs Effect of intervalley electron transfer on the efficiency of the generation in diodes with tunnel boundaries based on GaAs Прохоров, Э.Д. Боцула, О.В. Клименко, О.А. Фізика Исследованы вольт-амперные характеристики и эффективность генерации диодов с туннельными границами в структурах типа ''сэндвич'' на основе GaAs. Показано, как влияет междолинный перенос электронов в областях, прилегающих к туннельной границе, на эффективность генерации диодов в диапазоне частот. Досліджено вольт-амперні характеристики та ефективність генерації діодів з тунельними межами в структурах типу ''сендвіч'' на основі GaAs. Показано, як впливає міждолинне перенесення електронів в областях, прилеглих до тунельної межі, на ефективність генерації діодів у діапазоні частот. The current-voltage characteristics and the effectiveness of the generation in diodes with tunnel boundaries in structures of the sandwich type on the basis of GaAs are studied. The effect of the intervalley electron transfer in the areas adjacent to the tunnel border on the generation efficiency for diodes in a certain frequency range is described. 2012 Article Влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе GaAs / Э.Д. Прохоров, О.В. Боцула, О.А. Клименко // Доп. НАН України. — 2012. — № 4. — С. 75-80. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49491 621.382.2 ru Доповіді НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Фізика Фізика |
| spellingShingle |
Фізика Фізика Прохоров, Э.Д. Боцула, О.В. Клименко, О.А. Влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе GaAs Доповіді НАН України |
| description |
Исследованы вольт-амперные характеристики и эффективность генерации диодов с туннельными границами в структурах типа ''сэндвич'' на основе GaAs. Показано, как влияет междолинный перенос электронов в областях, прилегающих к туннельной границе, на эффективность генерации диодов в диапазоне частот. |
| format |
Article |
| author |
Прохоров, Э.Д. Боцула, О.В. Клименко, О.А. |
| author_facet |
Прохоров, Э.Д. Боцула, О.В. Клименко, О.А. |
| author_sort |
Прохоров, Э.Д. |
| title |
Влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе GaAs |
| title_short |
Влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе GaAs |
| title_full |
Влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе GaAs |
| title_fullStr |
Влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе GaAs |
| title_full_unstemmed |
Влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе GaAs |
| title_sort |
влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе gaas |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Фізика |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49491 |
| citation_txt |
Влияние междолинного переноса электронов на эффективность генерации диодов с туннельными границами на основе GaAs / Э.Д. Прохоров, О.В. Боцула, О.А. Клименко // Доп. НАН України. — 2012. — № 4. — С. 75-80. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT prohorovéd vliâniemeždolinnogoperenosaélektronovnaéffektivnostʹgeneraciidiodovstunnelʹnymigranicaminaosnovegaas AT boculaov vliâniemeždolinnogoperenosaélektronovnaéffektivnostʹgeneraciidiodovstunnelʹnymigranicaminaosnovegaas AT klimenkooa vliâniemeždolinnogoperenosaélektronovnaéffektivnostʹgeneraciidiodovstunnelʹnymigranicaminaosnovegaas AT prohorovéd vplivmíždolinnogoperenesennâelektronívnaefektivnístʹgeneracíídíodívztunelʹnimimežaminaosnovígaas AT boculaov vplivmíždolinnogoperenesennâelektronívnaefektivnístʹgeneracíídíodívztunelʹnimimežaminaosnovígaas AT klimenkooa vplivmíždolinnogoperenesennâelektronívnaefektivnístʹgeneracíídíodívztunelʹnimimežaminaosnovígaas AT prohorovéd effectofintervalleyelectrontransferontheefficiencyofthegenerationindiodeswithtunnelboundariesbasedongaas AT boculaov effectofintervalleyelectrontransferontheefficiencyofthegenerationindiodeswithtunnelboundariesbasedongaas AT klimenkooa effectofintervalleyelectrontransferontheefficiencyofthegenerationindiodeswithtunnelboundariesbasedongaas |
| first_indexed |
2025-11-25T11:21:41Z |
| last_indexed |
2025-11-25T11:21:41Z |
| _version_ |
1849761158604521472 |
| fulltext |
УДК 621.382.2
© 2012
Э.Д. Прохоров, О. В. Боцула, О. А. Клименко
Влияние междолинного переноса электронов
на эффективность генерации диодов с туннельными
границами на основе GaAs
(Представлено академиком НАН Украины В.М. Яковенко)
Исследованы вольт-амперные характеристики и эффективность генерации диодов
с туннельными границами в структурах типа “сэндвич” на основе GaAs. Показано, как
влияет междолинный перенос электронов в областях, прилегающих к туннельной гра-
нице, на эффективность генерации диодов в диапазоне частот.
Исследуются диоды, в которых при определенных напряжениях между омическими кон-
тактами возникает отрицательная дифференциальная проводимось (ОДП), в основном, за
счет туннелирования электронов через боковые границы диода [1, 2].
Диод с туннельной границей (ТГ) в варианте “сэндвич” показан на рис. 1. Между ано-
дом и катодом (А-К) протекает ток IA−K . Напряжение между А-К таково, что туннельный
n+
− p+ переход (переход резкий с толщиной 100–150 Å, в котором туннельная составляю-
щая тока намного больше диффузионно-дрейфовой [3, 4], включен в прямом направлении).
P+-область ТГ соединена с анодом. Суммарный ток через n+
− p+ переход — IТГ. При уве-
личении напряжения на диоде U токи IТГ и IA−K возрастают до тех пор, пока ток ТГ не
достигнет максимального значения. При дальнейшем увеличении напряжения ток TГ рез-
ко уменьшается, что приводит к уменьшению тока между А-К диода. При последующем
увеличении напряжения U ток IТГ возрастает [1, 2].
Ток IA−K определяется зависимостью скорость–поле материала, на основе которого
выполнен диод (это могут быть Ge, Si, GaAs и др.) Ток IA−K может расти, если напря-
женность электрического поля меньше пороговой, будет насыщаться, если напряженность
Рис. 1. Структура типа “сэндвич” на сильнолегированной подложке n
+-GaAs при прямом включении ТГ
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №4 75
электрического поля больше пороговой (например в Ge, Si), или уменьшаться при напря-
женностях электрического поля выше пороговой, как в GaAs. В последнем случае в про-
межутке А-К возникает ОДП за cчет междолинного переноса электронов (МПЭ). Таким
образом, диод катод–анод n+
− n − n+ c боковыми границами в виде n+
− p+ перехода
обладает ОДП вследствие туннелирования через ТГ [5] и МПЭ между А-К [6].
Ниже исследуются влияние МПЭ на характеристики таких диодов и эффективность их
генерации в диапазоне частот.
Методика расчетов. Эквивалентная схема такой структуры представляет собой про-
водимость ТГ, параллельно которой включена емкость ТГ–С. Последовательно с ТГ вклю-
чено сопротивление R2, состоящее из сопротивления потерь Rs и сопротивления между ТГ
и катодом. Емкость А-К намного меньше емкости ТГ (l1 ≫ l2, l1 — расстояние между А-К,
l2 — расстояние между ТГ и катодом). Сопротивление R1 (сопротивление А-К) включенно
параллельно ТГ и R2. С увеличением частоты существенную роль будет играть емкостное
сопротивление Zc = 1/ωC, которое включено параллельно активной проводимости ТГ.
Сопротивления зависят от приложенного напряжения к диоду, поскольку в материалах
этих сопротивлений подвижность и дрейфовая скорость зависят от напряженности элект-
рического поля и различны для Ge, Si, GaAs.
Отсюда следуют два случая:
1) диод выполнен на полупроводниках с зависимостями v(E) без ОДП, тогда его вольт-
амперные характеристики (ВАХ), энергетические и частотные характеристики определяет
ТГ (Ge, Si);
2) диод выполнен на основе полупроводника с зависимостью v(E), имеющей участок
ОДП, и тогда его энергетические и частотные характеристики будут определяться не только
ТГ, но и МПЭ в области А-К.
Рассмотрим эти случаи.
1. Если диод выполнен на основе полупроводников с зависимостями v(E) без ОДП (Ge,
Si и др.), то сопротивления равны:
R1(U) =
U
enSv(U/l1)
, R2(U2) =
U2
enSv(U2/l2)
. (1)
Отметим, что R2 ≪ R1, падение напряжения на нем мало, можно полагать R2 постоян-
ным при приложенных к нему напряжениях U2 ≪ Up. В этом случае ограничения тока
IТГ(U) из-за насыщения дрейфовой скорости через R2 не происходит.
С увеличением частоты через сопротивление R2 будет протекать не только ток прово-
димости ТГ, но и ток через емкостное сопротивление. Тогда ток I2, протекающий через
сопротивление R2, определяется из трансцендентного уравнения
I2(U) =
U − I2R2
Zc
+ IТГ(U − I2R2). (2)
Уравнение для ВАХ диода с ТГ запишется в виде
I0(U) = I2(U) + enSv(U/l). (3)
Решая уравнения (2), (3), получаем зависимости тока через диод I0(U) от частоты.
Ток проводимости ТГ IТГ(U) может быть записан и в виде следующей аппроксима-
ции [5, 6]:
IТГ(U) = Imax
U
Umax
exp
(
1−
U
Umax
)
+ Imin exp(A(U − Umin)) + Is exp
(
b
eU
kT
− 1
)
, (4)
76 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №4
где Imax — максимальный туннельный ток через диод при напряжении Umax; Imin — ми-
нимальный ток через диод при напряжении Umin; A — постоянная, характерная для кон-
кретного полупроводникового материала; b — показатель роста диффузионного тока через
переход; Is — ток насыщения туннельного перехода без учета туннелирования.
Эффективность генерации (КПД) определяется по зависимостям I0(U(t)) в режиме ге-
нерации в одноконтурном резонаторе. На диоде действует напряжение U(t) = U0+U1 sin(ωt)
при U0 > Umax при условии U0 − U1 > 0. Рабочая точка в течение периода колебаний пере-
мещается по зависимости I0(U(t)). Для определения КПД на первой гармонике необходимо
определить постоянную составляющую тока и амплитуду первой гармоники из разложения
тока I0(U(t)) в ряд Фурье. Для получения максимального значения КПД для задаваемого
напряжения U0 амплитуда первой гармоники U1 оптимизируется (находится такая ампли-
туда первой гармоники, при которой КПД максимален).
Следует отметить, что в расчетах не учитывается инерционность туннельного механиз-
ма проводимости. Это обусловлено тем, что время туннелирования через барьер в 1,45 эВ
(GaAs) и шириной 100–150 Å составляет 10−14–10−15 с, что намного меньше периода коле-
баний рассматриваемых частот (10−11–10−12 с).
2. Если диод выполнен на основе полупроводников с зависимостями v(E) с ОДП, то
сопротивления по-прежнему определяются выражениями (1).
На частотах до 30–50 ГГц для зависимости v(E) GaAs можно использовать выраже-
ние [6]
v(U/l) =
µn(U/l) + vs(U/Up)
4
1 + (U/Up)4
, (5)
где vs — дрейфовая скорость насыщения в GaAs (∼107 см/с); Up — пороговое напряжение.
На частотах, где сказывается инерционность перераспределения электронов между до-
линами зоны проводимости GaAs, необходимо использовать динамические зависимости
v(E) GaAs. С увеличением частоты зависимости v(E) GaAs начнут отличаться от стати-
ческих зависимостей и будут представлять гистерезисные кривые [8].
Таким образом, в рассматриваемом случае при определении зависимости КПД диода
с ТГ от частоты необходимо учитывать и туннелирование через ТГ, и МПЭ в области А-К.
Рассмотрение проведено в режиме однородного поля в области А-К. В режиме одно-
родного поля использовались частотные зависимости v(E), рассчитанные многочастичным
методом Монте-Карло [7] для GaAs. При расчетах применялась следующая модель GaAs.
Электроны при разогреве электрическим полем переносились из Г-долины, расположенной
в центре зоны Бриллюэна, в боковые долины L и X, расположенные выше по энергии над
Г-долиной. Учитывались все переносы электронов между долинами. Принимались в расчет
все существенные механизмы рассеяния электронов: акустическое, полярное оптическое,
примесное, пьезоэлектрическое, междолинное и эквивалентное междолинное. Во всех до-
линах учитывалась непараболичность. Все параметры, необходимые в расчетах для GaAs,
были взяты из работы [8].
Результаты численных расчетов. Проводились расчеты для случая GaAs, когда
неустойчивости за счет МПЭ нет, и для случая, когда неустойчивость возникает. В первом
случае сопротивления R1 и R2 определяются зависимостями (1) с учетом (5), во втором —
использовались динамические зависимости v(E), рассчитанные методом Монте-Карло.
Численные расчеты ВАХ диодов с ТГ при прямом смещении проводились при следую-
щих параметрах.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №4 77
Рис. 2. Ток через диод с ТГ (а) и эффективность генерации (КПД) от приложенного напряжения (б): а —
1 — ток через диод при R1 = const; 2 — ток через R1 = const; 3 — ток через диод при R1 = f(U); 4 — ток
через R1 = f(U); 5 — ток через туннельную границу; 6 — ток через промежуток А-К; 7 — суммарный ток
через туннельную границу и параллельно включенный А-К; б — 1 — КПД при R1 = const; 2 — КПД при
R1 = f(U); 3 — КПД для первой зоны генерации для случая примерного равенства токов ТГ и тока А-К;
4 — КПД для второй зоны генерации для случая примерного равенства токов ТГ и тока А-К
А. Первый вариант: материал GaAs, n = 1016 см−3, µn = 7000 см2/(В · c), площадь
анодного контакта S1 = 10−6 см2, l1 — расстояние между А-К, при l1 = 10−4 см, сопротив-
ление до порогового поля R1 ≈ 10 Ом, Imax = 0,2 A, Umax = 0,1 B, Is = 10−6 A, b = 0,3.
Сопротивление R2 при l2 = 10−5 см и S2 = 10−6 см2 менее 1 Ома. Емкость C < 1 пФ
(C = εε0S1/L, где L — толщина ТГ менее 10−6 см). Рассеиваемая мощность для указанных
выше параметров — 20–200 мВт и полезная мощность — 5–50 мВт.
Б. Второй вариант: материал GaAs тот же, что и в первом варианте, но другие площади
и толщины: S1 ≈ 10−7 см2, l1 = 10−5 см, l2 = 10−6 см и S2 = 10−7 см2, Imax = 0,02 A,
Umax = 0,1 B, Is = 10−7 A, b = 0,3. Емкость C < 0,1 пФ. Рассеиваемая мощность —
2–20 мВт, полезная — 0,2–6 мВт.
1. Если неустойчивости в GaAs нет, то ток через сопротивление А-К вначале растет,
а затем уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления А-К (рис. 2) и улучшению
энергетических характеристик диода с ТГ.
При указанных выше параметрах диода с ТГ максимальная частота генерации состав-
ляет порядка 120 ГГц (вариант А). При уменьшении площади диода и ТГ до S1 и S2 до
10−7 см2 уменьшается емкость ТГ (C < 0,1 пФ) и увеличивается частота, на которой ВАХ
не имеет участка ОДП и КПД стремится к нулю (вариант Б). Эта частота составляет при-
близительно 1000 ГГц.
Если ток через сопротивление R1(U) сравним с током через ТГ, то может возникнуть
ситуация, когда суммирование токов через ТГ и через промежуток А-К приведет к двум
участкам ОДП на ВАХ диода и двум зонам генерации. Такой случай показан на рис. 2. Два
участка ОДП на ВАХ и две зоны генерации получаются при различных значениях: Up — для
МПЭ и Umax — для туннелирования. Первая зона генерации обусловлена туннелированием,
а вторая — МПЭ и туннелированием.
2. Если неустойчивость возникает, то переменный ток через диод с ТГ является суммой
токов через ТГ и канал А-К. Суммарный ток через диод с ТГ представляет собой кривые,
определяемые гистерезисными зависимостями I(E(t)) = env(E(t)) за счет МПЭ и тока
78 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №4
Рис. 3. Токи через диод с ТГ: 1 — ток, обусловленный междолинным переносом электронов в промежутке
А-К, рассчитанный методом Монте-Карло; 2 — туннельный ток; 3 — суммарный ток
Рис. 4. Зависимость эффективности генерации диода с ТГ с учетом междолинного переноса электронов для
концентраций в области А-К 1 · 1016 см−3 (2 и 4) и 3 · 1016 см−3 (1 и 3) (1, 2 — первый вариант параметров,
3, 4 — второй вариант параметров). На низких частотах менее 1 ГГц эффективности генерации одинаковы
для обоих вариантов параметров
через ТГ в течение периода колебаний. При увеличении частоты возрастает сдвиг по фазе
между напряжением на диоде с ТГ и суммарным током через диод (рис. 3).
Если ток за счет МПЭ меньше тока ТГ, то частотные свойства диода определяются ТГ.
Если токи за счет МПЭ и ТГ сравнимы, то частотные свойства будут определяться обоими
механизмами (МПЭ и туннелированием). Частотные зависимости показаны на рис. 4.
При увеличении концентрации в области А-К уменьшается R1, что приводит к умень-
шению ОДП ТГ и, следовательно, к уменьшению КПД. Если концентрацию еще увеличить,
то, главным образом, будет работать диод с МПЭ, эффективность генерации будет низкая.
На более высоких частотах (свыше 150 ГГц) основную роль играет туннелирование через
ТГ (см. рис. 4). Неустойчивости за счет МПЭ уже нет, а нелинейность ВАХ А-К остается.
Это улучшает КПД диода с ТГ.
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
МПЭ в промежутке А-К диода с ТГ при соизмеримых величинах токов диода с МПЭ
и ТГ может привести к двум зонам генерации по напряжению.
Увеличение динамического сопротивления R1 = f(U) за счет МПЭ на частотах до
150 ГГц приводит к улучшению энергетических характеристик диода с ТГ. Для улучше-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №4 79
ния КПД на частотах до 150 ГГц необходимо, чтобы доля тока за счет МПЭ была меньше
тока ТГ.
На более высоких частотах (свыше 150 ГГц) основную роль играет туннелирование
через ТГ. Неустойчивости за счет МПЭ уже нет, а нелинейность А-К есть, это улучшает
КПД диода с ТГ.
1. Прохоров Э.Д., Боцула О.В. Отрицательная дифференциальная проводимость полупроводникового
диода с туннельными боковыми гранями // Радиофизика и электроника. – 2010. – 15, № 2. – С. 109–
113.
2. Прохоров Э.Д., Боцула О.В., Клименко О.А. Импедансные характеристики диодов с туннельными
и резонансно-туннельными границами // Радиофизика и электроника. – 2011. – 16, № 1. – С. 54–57.
3. Esaki L. New Phenomenon in Narrow Germanium p-n junction // Phys. Rev. – 1958. – 109. – P. 603–605.
4. Hall R.N. Tunnel diodes // IRE Trans. Electron Devices. – 1960. – ED – 7. – P. 1–9.
5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: в 2 т. Т. 2. – Москва: Мир, 1984. – 456 с.
6. Прохоров Э.Д. Твердотельная электроника. – Харьков: Изд-во Харьк. нац. ун-та им. В. Н. Каразина,
2008. – 544 с.
7. Иващенко В.М., Митин В.В. Моделирование кинетических явлений в полупроводниках. Метод Мон-
те-Карло. – Киев: Наук. думка, 1990. – 192 с.
8. Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, URL, http://www.ioffe.rssi.ru, Semiconductor,
GaAs.
Поступило в редакцию 11.10.2011Харьковский национальный университет
им. В.Н. Каразина
Е.Д. Прохоров, О.В. Боцула, О. О. Клименко
Вплив мiждолинного перенесення електронiв на ефективнiсть
генерацiї дiодiв з тунельними межами на основi GaAs
Дослiджено вольт-ампернi характеристики та ефективнiсть генерацiї дiодiв з тунельни-
ми межами в структурах типу “сендвiч” на основi GaAs. Показано, як впливає мiждолинне
перенесення електронiв в областях, прилеглих до тунельної межi, на ефективнiсть гене-
рацiї дiодiв у дiапазонi частот.
E.D. Prokhorov, O.V. Botsula, O.A. Klymenko
Effect of intervalley electron transfer on the efficiency of the generation
in diodes with tunnel boundaries based on GaAs
The current-voltage characteristics and the effectiveness of the generation in diodes with tunnel
boundaries in structures of the sandwich type on the basis of GaAs are studied. The effect of the
intervalley electron transfer in the areas adjacent to the tunnel border on the generation efficiency
for diodes in a certain frequency range is described.
80 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №4
|