ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРИБОР НА ЭФФЕКТЕ ГАННА Российский патент 1997 года по МПК H01L47/02 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам на основе переноса электронов, и может быть использовано для производства высокочастотных приборов повышенной мощности.

Существующие высокочастотные приборы на эффекте Ганна имеют недостаточную тепловую мощность рассеяния вследствие большого теплового сопротивления приборов.

Известен прибор диод Ганна (патент Японии N 52-22233, МКИ H 01 L 47/02, НКИ 99 (5) GO, 1977).

Указанный диод Ганна состоит из полупроводниковой подложки n⁺-го типа проводимости, на которую нанесен первый полупроводниковый слой n-го типа проводимости, на этот первый полупроводниковый слой нанесен второй полупроводниковый слой n⁺⁺-го типа проводимости, причем этот второй слой наносится только в центральной части первого полупроводникового слоя. На подложке формируется электрод анода прибора, а на локальном втором полупроводниковом слое электрод катода.

Существенным недостатком указанной конструкции диода Ганна является невысокое тепловое рассеяние вследствие локальной области контакта второго полупроводникового слоя с первым, что приводит к тому, что такая конструкция не может быть применена для мощных приборов на эффекте Ганна. Локальное контактирование второго полупроводникового слоя n⁺⁺-го типа проводимости и первого полупроводникового слоя n-го типа проводимости приводит к тому, что сразу за границей раздела областей контактирования вглубь прибора ток растекается, при этом напряженность электрического поля падает и, следовательно, увеличивается "мертвая" зона прибора, а рабочая частота уменьшается.

Известен полупроводниковый прибор на эффекте Ганна (заявка N 93009319/25 от 24.02.93 г. решение о выдаче патента на изобретение от 05.01.95г.), содержащий полупроводниковый материал GaAs n-типа проводимости, первый анодный контакт и второй катодный контакт, расположенный напротив анодного контакта и содержащий области, инжектирующие ток n⁺-го типа, окруженные областями, ограничивающими инжекцию тока, причем со стороны анодного контакта сформированы дополнительные полупроводниковые слои n⁺, n⁺⁺-го типа проводимости, а области, инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока, выполнены кольцевыми, внутренний диаметр внутренней кольцевой области является проекцией цилиндрического отверстия, образующая которого перпендикулярна каждому из слоев, причем отверстие заполнено диэлектрическим материалом с большим коэффициентом теплопроводности, чем у материала полупроводника. Ограничивающие инжекцию тока в прибор области выполнены в виде барьера Шоттки. Соотношение площадей областей, ограничивающих инжекцию тока в прибор и инжектирующих ток, выбираются из условия

где площади первой и второй областей катода соответственно, ограничивающих инжекцию тока в прибор;
S_OK площадь области катода, инжектирующей ток в прибор.

Значение h^OK, h^БШ определяется из условий
0,06l_y <h^OK <0,38 l_y,
0,62 l_y <h^БШ <0,94 l_y,
l_x l_y (2 1) 1,
l_x V_ср/f,
где R внешний радиус среднего кольца области, инжектирующей ток в прибор, м;
h^OK толщина среднего кольца области, инжектирующей ток в прибор, м;
l_x длина активной области прибора, м;
l_y ширина ячейки катода прибора, м;
V_ср средняя скорость носителей в активной области прибора, м/с;
f частота внешнего сигнала, Гц.

Для повышения тепловой мощности рассеяния высокочастотного прибора необходимо уменьшать тепловое сопротивление прибора. Одним из путей расширения частотного диапазона диода Ганна является выполнение инжектирующей ток области катода в виде кольцевой структуры, причем данная инжектирующая область окружена кольцевыми областями, ограничивающими инжекцию тока в прибор. Два соседних кольца окружают область катода, инжектирующую ток в прибор, и являются теплопроводящими, но не проводящими ток. Полупроводниковый прибор на эффекте Ганна по прототипу имеет более широкий частотный диапазон по сравнению с диодом Ганна с дисковой структурой катода (аналог). Тепловое сопротивление полупроводникового прибора на эффекте Ганна по прототипу r_т меньше теплового сопротивления диода Ганна с дисковой структурой катода при условии, что внешний радиус кольцевой области, инжектирующей ток в прибор, и диска катода одинаковы.

Для увеличения мощности рассеяния P_рас полупроводникового прибора на эффекте Ганна по прототипу с кольцевой областью катода, инжектирующей ток в прибор при допустимом перегреве полупроводникового прибора ΔT и на ухудшении частотных свойств соответственно прибора необходимо уменьшить тепловое сопротивление r_т данного прибора.

Задача изобретения увеличение входной мощности высокочастотного прибора на эффекте Ганна со сложным катодом путем уменьшения суммарного теплового сопротивления растекания данного прибора.

Высокочастотный прибор на эффекте Ганна, содержащий материал GaAs n-го типа проводимости, расположенные друг напротив друга анодный и катодный контакты, катодный контакт содержит области, инжектирующие ток, n⁺-го типа проводимости, окруженные областями, ограничивающими инжекцию тока, выполненными в виде обратносмещенного барьера Шоттки, причем со стороны анодного контакта сформированы полупроводниковые слои n⁺, n⁺⁺-го типа проводимости, а со стороны катодного контакта слой n⁺-го типа проводимости, области, инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока в прибор, выполнены кольцевыми с общим геометрическим центром, а в центре структуры прибора выполнено цилиндрическое отверстие, проекция которого совпадает с внутренней окружностью внутренней кольцевой области, и образующая цилиндра перпендикулярна каждому из слоев, а соотношение площадей, ограничивающих инжекцию тока в прибор и инжектирующих ток, выбирается из условия

где площади первой и второй областей катода соответственно, ограничивающих инжекцию тока в прибор;
S_OK площадь области катода, инжектирующей ток в прибор.

Значения h^OK, h^БШ определяются из условий
0,06 l_y <h_OK <0,38 l_y,
0,62 l_y <h^БШ <0,94 l_y,
l_x:l_y (2 1) 1,
l_x V_ср/f,
где внешний радиус среднего кольца области, инжектирующей ток в прибор, м;
h^БШ толщина внутреннего и внешнего колец областей, ограничивающих инжекцию тока, м;
h^OK толщина среднего кольца области, инжектирующей ток в прибор, м;
l_x длина активной области прибора, м;
l_y ширина ячейки катода прибора, м;
V_ср средняя скорость носителей в активной области прибора, м/с;
f частота внешнего сигнала, Гц.

Согласно изобретению, катод прибора состоит из периодически повторяющихся с периодом δ = (h^ОК + h^БШ) N кольцевых областей, инжектирующих ток в прибор, отделенных друг от друга (N+1)-й областью, ограничивающими инжекцию тока в прибор с общим геометрическим центром, причем при заданной входной мощности прибора P_вх и при перегреве прибора ΔT количество кольцевых областей N определяется из соотношения

где η эффективность прибора,
P_вх входная мощность прибора, Вт;
DT перегрев прибора, К;
N количество кольцевых областей, инжектирующих ток в прибор;
h^БШ толщина кольцевой области, ограничивающей инжекцию тока в прибор, м;
h^OK толщина кольцевой области, инжектирующей ток в прибор, м;
R₁ внешний радиус первой от геометрического центра кольцевой области, инжектирующей ток в прибор, м;
λ теплопроводность материала теплоотвода, Вт/М • К;
m параметр;
z толщина теплоотвода, м;
δ = (h^ОК + h^БШ) период повторения кольцевых областей, инжектирующих ток в прибор, м.

Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна перегрев прибора ΔT удовлетворяет следующему соотношению:
ΔT ≅ 100K.

Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна величины R₁, δ выбираются из следующих соотношений:
,
На фиг. 1 изображено сечение высокочастотного прибора на эффекте Ганна; на фиг.2 сечение А-А высокочастотного прибора на эффекте Ганна.

Мощность теплового рассеяния P_рас прибора, тепловое сопротивление r_т и перегрев прибора ΔT связаны соотношением
ΔT = r_т•P_рас (1)
(Захаров А. Л. Авсадурова Е.И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов. М. Радио и связь, 1983, с.8).

Допустимый перегрев высокочастотного прибора на эффекте Ганна с кольцевой областью катода, инжектирующей ток в прибор ΔT для функционирования высокочастотного прибора на эффекте Ганна без ухудшения его частотных свойств должен удовлетворять следующему неравенству:
ΔT ≅ 100K (2)
(Аркуша Ю.В. Дорогаченко А.А. Прохоров Э.Д. Исследование частотных свойств диодов Ганна с неоднородным распределением температуры в образце. - Радиотехника и электроника, т.33, N 6, 1988, c. 1295). Максимум электрического поля в конструкции высокочастотного прибора на эффекте Ганна с кольцевой областью катода, инжектирующей ток в прибор, находится у инжектирующей ток кольцевой области катода. При заданном ограничении на величину перегрева прибора ΔT происходит уменьшение зоны начального разогрева электронов, но еще не происходит общий нагрев активной области прибора. Это приводит к неухудшению частотных свойств высокочастотного прибора на эффекте Ганна с кольцевой областью катода, инжектирующего ток в прибор (по сравнению с тем случаем, когда бы нагрев области катода отсутствовал).

Существует несколько вариантов конструктивных решений задачи уменьшения теплового сопротивления высокочастотного прибора на эффекте Ганна с кольцевой областью катода, инжектирующей ток в прибор, как области, являющейся источником тепла в рассматриваемом приборе.

Одним из путей решения задачи уменьшения теплового сопротивления r_т кольцевой области, инжектирующей ток, является увеличение толщины кольца (его расширение) (Culbertson G.T. and Stover H.L. Theoretical Solutions for the Thermal Spreading Resistance of Ring-Geometry Diodes. IEEE Trans on Elec. Dev. August, 1972).

Докажем данное утверждение. Используя формулы (1), (4) из упомянутой выше работы, а также записав внешний радиус кольца с в виде c b+ h (здесь b - внутренний радиус данного кольца; h толщина кольца), а также учитывая, что с, b >> h (именно такие условия будут наложены на кольца, инжектирующие ток, в дальнейшем), определим тепловое сопротивление r_т рассматриваемого кольца:

где теплопроводность материала теплоотвода прибора по прототипу, Вт/м К.

Из формулы (3) видно, что при неизменном значении внутреннего радиуса кольца b и увеличении толщины кольца h величина теплового сопротивления r_т рассматриваемого кольца уменьшается. Указанный подход не является эффективным, так как:
параметр h (h << b, c), является параметром логарифмической функции, и при значительном своем изменении незначительно изменяет величину r_т;
увеличение толщины кольца h приводит к возникновению одного из существенных недостатков диода, а именно к сильной неравномерности распределения плотности тока по радиусу диска, что обусловливает ухудшение частотных свойств высокочастотного прибора на эффекте Ганна с кольцевой областью катода, инжектирующей ток в прибор;
увеличение параметра h приводит к резкому ухудшению частотных свойств высокочастотного прибора на эффекте Ганна, так как резко падает продольная составляющая электрического поля под всей областью катода, что вызывает значительное увеличение области начального разогрева носителей.

Другим более перспективным вариантом конструктивного решения задачи уменьшения теплового сопротивления r_т высокочастотного прибора с кольцевой областью катода, инжектирующей ток в прибор, является выполнение катода заявляемого прибора в виде набора N периодически повторяющихся кольцевых областей катода, инжектирующих ток в прибор, с заданным периодом повторения (δ = h^ОК + h^БШ) где h^OK толщина колец, инжектирующих ток в прибор; h^БШ толщина колец, ограничивающих инжекцию тока в прибор, здесь кольцевые области вложены друг в друга и имеют общий геометрический центр, причем каждая из N кольцевых областей, инжектирующих ток в прибор, отделена (N+1)-й кольцевой областью, ограничивающей инжекцию тока в прибор, а первое и последнее кольца являются кольцами, ограничивающими инжекцию тока в прибор. Кольцевые области, ограничивающие инжекцию тока в прибор, выполнены в виде обратно-смещенного барьера Шоттки.

Последний вариант конструктивного решения уменьшения теплового сопротивления r_т кольцевых областей, инжектирующих ток в прибор, имеет большее отношение суммарного периметра площадей данных кольцевых областей к их суммарной площади по сравнению с аналогичным отношением в первом варианте, что является необходимым признаком того, что суммарное тепловое сопротивление N кольцевых областей, инжектирующих ток в прибор, будет меньше теплового сопротивления одного кольца, инжектирующего ток в прибор, в конструкции полупроводникового прибора на эффекте Ганна по прототипу (Frey Multimesa versus annular constraction for high aaverage power in semiconductors devices. IEE Trans of Dev. 1972, V. ED-19, N 8, p.981-985).

Второй подход (с точки зрения уменьшения теплового сопротивления прибора) всегда будет более предпочтительным по сравнению с первым, так как при равенстве толщины проводящего кольца в первом подходе сумме толщин аналогичных колец во втором подходе и при неравной нулю толщине колец, ограничивающих инжекцию тока в прибор, во втором подходе (предполагается, что внутренние радиусы первых колец в обоих подходах равны), всегда существует дополнительный отвод тепла в теплоотвод через области, ограничивающие инжекцию тока в прибор, что нельзя сказать в случае первого подхода.

Покажем более детально, что сумма тепловых сопротивлений N концентрических колец катода (с общим геометрическим центром), инжектирующих ток в прибор, меньше теплового сопротивления одного кольца, инжектирующего ток в прибор, в конструкции полупроводникового прибора на эффекте Ганна по прототипу.

Для случая полупроводникового прибора по прототипу с учетом соотношений (1), (2), а также равенства
P_рас = P_вх•(1 - η), где (4)
где η эффективность прибора по прототипу;
P_ВХ входная мощность прибора по прототипу;
P_рас мощность теплового рассеяния прибора по прототипу
тепловое сопротивление прибора по прототипу удовлетворяет следующему соотношению:
.

с другой стороны, входная мощность P_ВХ заявляемого высокочастотного прибора на эффекте Ганна определяется по формуле

где входная мощность P_ВХ полупроводникового прибора по прототипу, у которого внешний радиус кольца, инжектирующего ток в прибор, равен R_i. Заметим, что заявляемый высокочастотный прибор на эффекте Ганна представляет собой сумму параллельно включенных диодов по прототипу. Это хорошо видно из сравнения катодных областей обоих приборов. Тогда с учетом соотношений (5), (6) суммарное тепловое сопротивление N кольцевых областей катода, инжектирующих ток в прибор, (в дальнейшем тепловое сопротивление высокочастотного прибора на эффекте Ганна) удовлетворяет неравенству:

здесь ΔT перегрев прибора;
η эффективность высокочастотного прибора на эффекте Ганна. Она (эффективность h ) равна эффективности прибора по прототипу, так как (показано ниже) взаимное расположение колец, инжектирующих ток в прибор, будет выбрано таким образом, что суммарный тепловой режим указанных колец не ухудшает частотных свойств полупроводникового прибора по прототипу;
тепловое сопротивление полупроводникового прибора по прототипу, у которого внешний радиус кольца, инжектирующего ток, равен R_i.

Заметим, что тепловое сопротивление заявляемого высокочастотного прибора, которое удовлетворяет соотношению (8), будет меньше теплового сопротивления , причем . Из общих рассуждений получены соотношения (7), (8), из которых следует, что при слабом тепловом взаимодействии колец, инжектирующих ток в активную область высокочастотного прибора, и, следовательно, не ухудшающих частотных свойств полупроводникового прибора по прототипу, тепловое сопротивление заявляемого высокочастотного прибора на эффекте Ганна меньше, чем тепловое сопротивление полупроводникового прибора на эффекте Ганна по прототипу. Заметим также, что данное утверждение справедливо и при сильном тепловом взаимодействии колец, инжектирующих ток, но тогда эффективность высокочастотного прибора на эффекте Ганна будет меньше эффективности полупроводникового прибора на эффекте Ганна по прототипу.

Определим соотношение для теплового сопротивления заявляемого высокочастотного прибора на эффекте Ганна. В кн. (Захаров А.Л. Асвадурова Е.И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов. М. Радио и связь, 1983, с.54) приведена формула для теплового сопротивления приходящегося на одну i-ю полоску из одномерной бесконечной решетки полос с периодом δ = h^ОК + h^БШ состоящей из полосковых источников тепла толщиной h^OK, причем рассматриваемое тепловое сопротивление учитывает тепловое взаимодействие полос:

где λ теплопроводность материала теплоотвода;
а длина полосы;
z толщина теплоотвода.

Учитывая, что внешние радиусы R_i, кольцевых областей, инжектирующих ток в заявляемом высокочастотном приборе на эффекте Ганна, превышают толщину данных кольцевых областей h^OK, концы каждой из вышеупомянутых полос множества полосковых источников можно изогнуть и попарно соединить. В результате получим множество концентрических кольцевых областей с общим геометрическим центром, эквивалентное кольцевым областям катода, инжектирующих ток в высокочастотный прибор. Тогда параметр а определяется следующим образом:
a = 2•π•R_i/ (10).

Учитывая соотношения (8) (10), определим суммарное тепловое сопротивление источников тепла, состоящее из множества концентрических кольцевых областей с общим геометрическим центром, на теплоотводе с теплопроводностью λ и толщиной z. Указанное суммарное тепловое сопротивление равно полному тепловому сопротивлению высокочастотного прибора на эффекте Ганна. Данное утверждение верно, так как тепловое сопротивление длинной тонкой полоски, как указывается в работе (Вугальтер Г.А. Гуревич Г.Л. и др. Усилительные диоды Ганна. Обзоры по электронной технике. Сер.1, вып. 11 (338), с. 44), определяет полное тепловое сопротивление полупроводникового прибора на эффекте Ганна по прототипу в миллиметровом диапазоне длин волн. Учитывая изложенное, суммарное тепловое сопротивление растекания высокочастотного прибора на эффекте Ганна с кольцевыми областями катода, инжектирующими ток в прибор, определяется по следующей формуле:

Знаменатель в выражении (11) получается путем суммирования арифметической прогрессии (фиг.2):
R₁; R₂ R₁ + (h^OK + h^БШ); R₃ R₁ + 2(h^OK + h^БШ); R _N R_N-1 + (h^OK + h^БШ) R₁ + (N-1)(h^OK + h^БШ);
.

Заметим, что соотношения (11) и (12) подставляются в соотношение (7) при заданных электрических и физико-топологических параметрах высокочастотного прибора на эффекте Ганна, совпадающими с соответствующими параметрами полупроводникового прибора по прототипу, а именно: R ₁, h^OK, h^БШ, λ z, h и также путем задания входной мощности высокочастотного прибора на эффекте Ганна как параметра, а также перегрева прибора DT как параметра позволяют однозначно определить необходимое количество N кольцевых областей катода высокочастотного прибора, инжектирующих ток в прибор. Заметим, что параметры R₁, h^OK, h^БШ определяются согласно ограничениям на полупроводниковый прибор на эффекте Ганна по прототипу, а именно
R₁ ≥ 25 h^OK, (13)
0,03 < h^OK/2l_y < 0,19, (14)
0,31 < h^БШ/2l_y < 0,47, (15)
где l_y ширина ячейки полупроводникового прибора по прототипу.

Параметры λ z, P_ВХ задаются (они являются соответственно параметрами полупроводникового прибора на эффекте Ганна по прототипу и заявляемого высокочастотного прибора на эффекте Ганна), параметр h определяется исходя из численного расчета высокочастотного прибора на эффекте Ганна по прототипу. Тепловое сопротивление определяемое формулами (11) и (12), соответствует перегреву высокочастотного прибора на эффекте Ганна, который в свою очередь соответствует средней температуре перегрева данного прибора, DT_ср = T_ср - T_o где T_ср средняя температура в области источников тепла, Т_o температура окружающей среды, а в соотношении (2) учтен перегрев прибора, который соответствует максимальной температуре данного прибора ΔT = T_max - T_o где T_max максимальная температура в области источников тепла, T_o температура окружающей среды. Данное несоответствие только усиливает неравенство (7), так как ΔT_max > ΔT_ср тем самым уменьшая незначительную погрешность величины вносимую неучетом теплового сопротивления активной области высокочастотного прибора на эффекте Ганна, теплового сопротивления контактного слоя данного прибора, работающего в миллиметровом диапазоне длин волн.

Преобразуем соотношения (11) и (12) и покажем, что с увеличением числа концентрических кольцевых областей N катода, инжектирующих ток в прибор, суммарное тепловое сопротивление r_т заявляемого прибора уменьшается, причем оно меньше, чем тепловое сопротивление полупроводникового прибора на эффекте Ганна по прототипу, а именно:

тепловое сопротивление полупроводникового прибора по прототипу.

Покажем, что величина является конечной величиной, промажорировав данное соотношение:

При заданных величинах h^OK, h^БШ, λ, R₁, z величина теплового сопротивления r_т конечна, так как конечно соотношение (17), и из соотношения (17) следует, что тепловое сопротивление заявляемого высокочастотного прибора на эффекте Ганна с катодом в виде N инжектирующих ток кольцевых областей меньше теплового сопротивления полупроводникового прибора на эффекте Ганна по прототипу с одной кольцевой областью, инжектирующей ток в прибор.

Оценим период d решетки полосковых источников тепла, образующих одномерную решетку, из которой получена система концентрических колец, имеющих общий геометрический центр и являющихся областями, инжектирующими ток в высокочастотном приборе. Указанная оценка необходима с той целью, чтобы исключить ухудшение частотного диапазона высокочастотного прибора на эффекте Ганна по сравнению с полупроводниковым прибором на эффекте Ганна по прототипу в результате взаимонагрева кольцевых областей катода, инжектирующих ток в прибор. Заметим, что соотношение (2) исключает влияние взаимонагрева на частотный диапазон заявляемого высокочастотного прибора. В работе (Вугальтер Г. В. Гуревич Г.Л. и др. Усилительные диоды Ганна. Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1976, вып. 11 (338), с. 41) указано, что в диоде Ганна с дисковой структурой тепловой поток в области теплоотвода одномерен и нормален границе раздела теплоотвод диод Ганна, если отношение диаметра диода Ганна с дисковой структурой d в области катода и диаметр теплоотвода D отличаются более чем на порядок, т.е.

d/D < 0,1. (18)
Таким образом, множество диодов Ганна, катоды которых имеют одинаковую структуру и расположены на общем теплоотводе, будут иметь (в худшем случае) слабое тепловое взаимодействие, если они удовлетворяют соотношению (18). Приведенное утверждение подтверждается в работе (Frey J. Multimesa versus annular construction for high average power in semiconductor devices. IEEE Trans. on Electron Devices, 1972, vol. ED-19, N 8, pp. (981 985)). Согласно данной работе при выполнении соотношения (18) наблюдается слабый взаимонагрев между множеством диодов Ганна, катоды которых имеют дисковую структуру и расположены на общем теплоотводе.

В работе (Вугальтер Г.В. Гуревич Г.Л. и др. Усилительные диоды Ганна. - Обзоры по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ, 1976, вып. 11 (338), с. 48) показано, что для двух параллельно расположенных линий перегрев DT не зависит от длины данных линий. По аналогии данное утверждение верно и для одномерной решетки параллельных полос. Тогда с учетом результатов работы, на основе которой было получено соотношение (18), также на основе последней упомянутой работы можно заключить, что тепловое взаимодействие между данными полосами (в худшем случае) будет слабым, если справедливо соотношение (18), которое применительно к заявляемому высокочастотному прибору на эффекте Ганна будет иметь соответственно вид:
δ = (h^ОК + h^БШ) > 10h^ОК. (19)
Высокочастотный прибор на эффекте Ганна (фиг. 1) содержит активный слой 1 из полупроводникового материала GaAs n-го типа проводимости, сформированных на нем со стороны анодного контакта полупроводникового слоя 2 n⁺⁺-го типа проводимости и со стороны катодного контакта под областями, инжектирующими ток локальных областей 3 полупроводникового слоя n⁺-го типа проводимости, анодного контакта 4 и катодного контакта, расположенного напротив анодного контакта 4 и содержащего кольцевые области 5, инжектирующие ток в высокочастотный прибор и кольцевые области 6, выполненные в виде обратносмещенного барьера Шоттки, ограничивающие инжекцию тока в прибор, причем каждая инжектирующая ток в прибор кольцевая область окружена кольцевыми областями, ограничивающими инжекцию тока, и кольцевые области имеют общий геометрический центр. Между полупроводниковым n-слоем 1 и n⁺⁺-слоем 2 выполнен буферный слой n+σ

7. В центре структуры прибора выполнено цилиндрическое отверстие 8, проекция которого совпадает с внутренней окружностью внутренней кольцевой области 6, а образующая цилиндра перпендикулярна каждому из слоев. Отверстие 8 может быть заполнено диэлектрическим материалом с большим коэффициентом теплопроводности, чем у полупроводникового материала 1. Прибор расположен на тепловоде 9 и имеет с ним тепловой контакт.

Работа высокочастотного прибора на эффекте Ганна происходит следующим образом.

При подключении к прибору постоянного смещающего напряжения наблюдается следующая картина. В начальный момент времени при подключении к высокочастотному прибору с кольцевой структурой катода (причем N кольцевых областей катода, инжектирующих ток в прибор, окружены (N + 1)-й кольцевой областью, ограничивающей инжекцию тока в прибор, причем эти области, инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока в прибор, имеют общий геометрический центр) постоянного напряжения нормальная составляющая поля у границы проводящей ток части 5 катода будет гораздо больше, чем аналогичное поле на аноде 4.

Данное утверждение вытекает их следующих соображений:
эффективное значение барьера у ограничивающей ток части катода выбрано таким, что практически исключает протекание тока через обратносмещенный барьер Шоттки;
полный ток через боковые стенки прибора равен нулю;
ток, втекающий в катод 5 и вытекающий из анода 4, в основном состоит из тока проводимости (как показали численные расчеты, токами смещения и диффузии в первом приближении можно пренебречь);
отношение ширины инжектирующей ток части катода h^OK к общей ширине катода (h^OK + h^БШ) составляет
начальный момент времени после включения постоянного напряжения проводимость σ у инжектирующей ток части катода 5 изменяется незначительно;
ток через прибор в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется по следующей формуле:

где Eсрк

нормальная составляющая среднего поля вдоль инжектирующей ток части катода;
площадь инжектирующей ток части катода, равная

На основании изложенного следует, что среднее нормальное поле Eсрк у инжектирующей ток части катода в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется следующим образом:

где S_A площадь анода 4;
EсрА нормальная составляющая среднего поля вдоль анодного контакта.

Повышенное значение поля у проводящей кольцевой области катода прибора в начальный момент времени после включения постоянного напряжения приводит к появлению неподвижного прикатодного обогащенного слоя (ОС) и подвижного ОС. Указанным ОС соответствуют пики поля в приборе. Подвижный ОС, отделившись от неподвижного прикатодного ОС, в начале пути возрастает, но при подходе к анодной области становится шире, уменьшаясь по амплитуде. Движение подвижного ОС характеризуется движением пика поля, максимум которого соответствует переднему фронту подвижного ОС и которое также в начале пути возрастает, а при подходе к анодной области становится шире, уменьшаясь по амплитуде. После установления переходного процесса в приборе устанавливается надпороговое поле с пиком у катода, который соответствует неподвижному ОС. Скорость носителей в приборе в соответствии с распределением поля в установившемся режиме в начале активной области имеет всплеск, который быстро спадает при продвижении к аноду как результат активных Г-L переходов. После ухода подвижного ОС в анодную область в активной области прибора под проводящей частью катода не наблюдается новых подвижных ОС, которые характеризовались бы описанными выше пульсациями поля, а также концентрации свободных носителей. Далее при приложении к прибору внешнего переменного напряжения синусоидальной формы
U_пер = - A•sinωt,
где А амплитуда переменного сигнала;
ω круговая частота данного сигнала
в приборе возникает генерация СВЧ- колебаний.

Пример конкретного выполнения. В качестве полупроводникового материала использовались подложки GaAs марки ЭСАГ толщиной 250 мкм кристаллографической ориентации со структурой n⁺⁺-n_σ-n, причем концентрация носителей в n⁺⁺-слое области со стороны анодного контакта составляла 4•10¹⁸см^-3, концентрация в буферном слое n_σ = 1•10¹⁷ см^-3, концентрация в n-слое 7•10¹⁵ см^-3 и концентрация в n⁺-области со стороны катодного контакта под областью, инжектирующей ток, составляла 1•10^-18 см^-3. Толщина n-слоя 1,0 мкм. Формирование кольцевых областей катода прибора, инжектирующих и ограничивающих инжекцию тока, выполнено известными методами литографии и послойного формирования металлизации на основе композиций AuGe (88% Au, 12% Ge), Au, Ti, Mo и(или) их нитридов, боридов. Перед нанесением фоторезиста ФП-383 пластины обезжиривались кипячением в изопропиловом спирте 3 5 мин. Фоторезист на пластину наносился центрифугированием. Толщина слоя фоторезиста составляла 1,3 1,5 мкм. Сушка фоторезиста осуществлялась в ИК-камере при Т 65 75^oC. Затем осуществлялось формирование кольцевых областей, инжектирующих и ограничивающих инжекцию тока в прибор.

Температурный режим заявляемого прибора Т 300 К, f 100 ГГц, V 10⁷ см/с, l_x V/f 1 мкм.

Пусть l_x l_y 1 мкм, где l_y ширина ячейки высокочастотного прибора.

Пусть h^OK/2l_y=0,1, тогда h^ОК=0,2 мкм и
h^БШ 0,9•2l_y 1,8 мкм.

Тогда
δ = h^ОК + h^БШ = 2 мкм,
R₁ > 25 h^OK 5 мкм.

Пусть входная мощность а перегрев прибора ΔT = 60^°C.
Возьмем интегральный теплоотвод толщиной 50 мкм, полученный гальваническим осаждением золота из фосфатного электролита с теплопроводностью λ 280 Вт/м•к. Тогда, используя вышеприведенные значения, определим количество N кольцевых областей катода, инжектирующих ток в прибор, из формулы

Расчеты дают значение N 63 кольца.

Заявляемый высокочастотный прибор на эффекте Ганна может найти применение в космических системах связи и радиолокации в миллиметровом диапазоне длин волн.

Использование: в электронной технике. Сущность: прибор содержит полупроводниковый материал GaAs n-го типа проводимости, расположенные друг напротив друга анодный и катодный контакты, катодный контакт содержит области, инжектирующие ток, n⁺-го типа проводимости, окруженные областями, ограничивающими инжекцию тока, выполненными в виде обратносмещенного барьера Шоттки. Со стороны анодного контакта сформированы полупроводниковые слои n⁺- и n⁺⁺-го типа проводимости, а области, инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока в прибор, выполнены кольцевыми с общим геометрическим центром. В центре структуры прибора выполнено цилиндрическое отверстие, проекция которого совпадает с внутренней окружностью внутренней кольцевой области, и образующая цилиндра перпендикулярна каждому из слоев. Новым в высокочастотном приборе на эффекте Ганна является выполнение катода прибора в виде периодически повторяющихся с периодом δ = (h^ОК + h^БШ)N кольцевых областей, инжектирующих ток в прибор, отделенных друг от друга (N + 1)-й областью, ограничивающими инжекцию тока в прибор с общим геометрическим центром. Количество кольцевых областей, инжектирующих ток в прибор, при заданной входной мощности прибора P_вх и перегреве прибора ΔT связаны определенным соотношением. Кроме того, в высокочастотном приборе перегрев прибора ΔT удовлетворяет соотношению ΔT ≅ 100 K , а внешний радиус первой от геометрического центра кольцевой области катода, инжектирующей ток в прибор R₁ и δ выбираются из соотношений R₁ ≥ 25h^ок, δ > 10 h^ОК, где h^ок - толщина кольцевой оболочки, инжектирующей ток в прибор. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Высокочастотный прибор на эффекте Ганна, содержащий полупроводниковый материал GaAs n-типа проводимости, расположенные друг напротив друга анодный и катодный контакты, катодный контакт содержит области инжектирующие ток, n⁺-типа проводимости, окруженные областями, ограничивающими инжекцию тока, выполненными в виде обратно смещенного барьера Шаттки, причем со стороны анодного контакта сформированы полупроводниковые слои n⁺ и n^+ + типа проводимости, области, инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока в прибор, выполнены кольцевыми с общим геометрическим центром, а в центре структуры прибора выполнено цилиндрическое отверстие, проекция которого совпадает с внутренней окружностью внутренней кольцевой области и образующая цилиндра перпендикулярна каждому из слоев, а соотношение площадей областей, ограничивающих инжекцию тока в прибор и инжектирующих ток, выбираются из условия

где площади первой и второй областей катода соответственно, ограничивающих индукцию тока в прибор;
S_о . к площадь области катода, инжектирующей ток в прибор;
h^о к, h^б ш определяются из условий
0,06 • l_у < h^о к < 0,38 • l_у;
0,62l_у < h^б ш < 0,94 l_у;
l_x l_у 2 1 1,

где R внешний радиус среднего кольца области, инжектирующей ток в прибор, м;
h^Б Ш толщина внутреннего и внешнего колец областей, ограничивающих инжекцию тока, м;
l_х длина активной области прибора, м;
l_у ширина ячейки катода прибора, м;
v_с р средняя скорость носителей в активной области прибора, м/с;
f частота внешнего сигнала, Гц,
отличающийся тем, что катод прибора состоит из периодически повторяющихся с периодом δ = (h^о.к + h^БШ)N кольцевых областей, инжектирующих ток в прибор, отделенных друг от друга (N + 1)-й областью, ограничивающими инжекцию тока в прибор с общим геометрическим центром, причем при заданной входной мощности прибора Р_в х и перегреве прибора ΔT количество кольцевых областей N определяется из соотношения:

где

η - эффективность прибора;
Р_в х входная мощность прибора, Вт;
ΔT - перегрев прибора, К;
N количество кольцевых областей, инжектирующих ток в прибор;
h^о . к толщина кольцевой области, инжектирующей ток в прибор, м;
R₁ внешний радиус первой от геометрического центра кольцевой области катода, инжектирующей ток в прибор, м;
λ теплопроводность материала теплоотвода, Вт/(м • К);
m параметр;
z толщина теплоотвода, м;
σ-(h^о.к + h^БШ) период повторения кольцевых областей, инжектирующих ток в прибор, м. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что перегрев прибора ΔT удовлетворяет соотношению
ΔT ≅ 100K.
3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что величина R₁ и δ выбирается из соотношений
R₁≥ 25h^о.к; δ > 10h^о.к.у