ДИОД ГАННА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК H01L47/02 

Изобретение относится к электронной техникe, в частности к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых сверхвысокочастотных (СВЧ) диодов Ганна, и может быть использовано в электронной и радиоэлектронной промышленности.

Известны аналоги всех вариантов изобретения диоды Ганна, содержащие два полупроводниковых слоя n⁺-типа, активный полупроводниковый n-типа слой и анодный и катодный металлические контакты (см. RU 2064718 С1, 27.07.96; US 5145809 C1, 08.09.92).

Недостатками указанных диодов плоской структуры являются малый уровень выходной СВЧ-мощности, малый уровень рассеиваемой мощности, электротепловая деградация при эксплуатации.

Наиболее близким аналогом (прототипом) для всех предложенных вариантов изобретения является диод Ганна (Справочник по полупроводниковым приборам. Диоды. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы/Под ред. Н.Н. Горюнова, М.: Энергоиздат, 1983, с. 493), который содержит металлические контакты анода и катода, первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой и активный монокристаллический полупроводниковый n-типа слой. В качестве материалов при изготовлении полупроводниковых слоев используются, как правило, GaAs или GaP, или InP.

Недостатками указанного диода плоской структуры являются малый уровень выходной СВЧ-мощности, малый уровень рассеиваемой мощности, электротепловая деградация при эксплуатации.

Задачей, на решение которой направлено изобретение по первому варианту, является производство мощных генераторов и усилителей СВЧ с диодами Ганна, обладающих более высокими показателями надежности при заданном КПД.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении первого варианта изобретения, являются повышение выходной мощности СВЧ-колебаний и снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по первому варианту изобретения достигаются следующим. Диод Ганна содержит металлические контакты анода и катода, первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой и активный монокристаллический полупроводниковый n-типа слой.

Отличие диода состоит в том, что металлический контакт катода выполнен в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно-центрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100), на внешней поверхности которого выращен первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический полупроводниковый n-типа слой и второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, поверх которого нанесен металлический контакт анода в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока.

В конкретных формах по первому варианту изобретения металлический контакт катода выполнен из немагнитных металлов: молибдена или вольфрама, или ванадия и им родственных металлов, а цилиндрические слои в металлическом контакте анода выполнены из немагнитных металлов: золота или серебра, или платины, или алюминия и других.

В конкретных формах по первому варианту изобретения все полупроводниковые слои диода выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или InP и других.

Задачей, на решение которой направлено изобретение по второму варианту изобретения, является производство мощных генераторов и усилителей СВЧ с диодами Ганна, обладающих более высокими показателями надежности при заданном КПД.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении второго варианта изобретения, являются повышение выходной мощности СВЧ-колебаний и снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по второму варианту изобретения достигаются следующим. Диод Ганна содержит металлические контакты катода и анода, первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой и активный полупроводниковый n-типа слой.

Отличие диода состоит в том, что первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой выращен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирован металлический контакт катода, выполненный в виде полого цилиндра, состоящего из двух слоев, выполненных из разных немагнитных металлов, а на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический полупроводниковый n-типа слой и второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, поверх последнего нанесен металлический контакт анода в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в каждой паре слоев больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока.

В конкретных формах по второму варианту изобретения цилиндрические слои в металлическом контакте катода выполнены из немагнитных металлов: алюминия или серебра, или титана, или меди, или золота, или молибдена и других, а цилиндрические слои в металлическом контакте анода выполнены из немагнитных металлов: платины или золота, или титана, или молибдена, или вольфрама и других.

В конкретных формах по второму варианту изобретения все полупроводниковые слои диода выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs или GaP, или InP и других.

Задачей, на решение которой направлено изобретение по третьему варианту изобретения, является производство мощных генераторов и усилителей СВЧ с диодами Ганна, обладающих более высокими показателями надежности при заданном КПД.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении третьего варианта изобретения, являются повышение выходной мощности СВЧ-колебаний и снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по третьему варианту изобретения достигаются следующим. Диод Ганна содержит металлические контакты катода и анода, первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой и активный полупроводниковый n-типа слой.

Отличие диода состоит в том, что первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический полупроводниковый n-типа слой, второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, поверх последнего нанесен металлический контакт анода в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, а металлический контакт катода сформирован на торцах первого вырожденного монокристаллического полупроводникового n⁺-типа слоя в виде двух слоев, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего слоя металла в каждой паре больше удельной электропроводности нижнего слоя металла по направлению протекания электрического тока.

В конкретных формах по третьему варианту изобретения слои в металлическом контакте анода выполнены из немагнитного металла: платины или золота, или титана, или молибдена, или вольфрама и других, а цилиндрические слои в металлическом контакте катода выполнены из немагнитных металлов: алюминия или молибдена, или серебра, или титана, или меди, или золота и других.

В конкретных формах по третьему варианту изобретения все полупроводниковые слои диода выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs или GaP, или InP и других.

Изобретение поясняется чертежами, где изображено: на фиг. 1 - пример конструкции диода по первому варианту изобретения; на фиг. 2 - пример конструкции диода по второму варианту изобретения; на фиг. 3 - пример конструкции диода по третьему варианту изобретения.

Полупроводниковый диод Ганна по первому варианту изобретения (фиг. 1) содержит следующие конструктивные элементы: металлический контакт 1 катода, выполненный в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно-центрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100). В контакте 1 могут использоваться немагнитные металлы: молибден или вольфрам, или ванадий и им родственные металлы. На внешней поверхности контакта 1 выращен первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой 2 (подложка) цилиндрической формы. На внешней поверхности слоя 2 последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический полупроводниковый n-типа слой 3 и второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой 4. Поверх слоя 4 нанесен многослойный металлический контакт 5 анода в виде двух цилиндрических слоев 6, 7 заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов. Удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя 6 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя 7 металла по направлению протекания электрического тока. Цилиндрические слои 6, 7 в многослойном металлическом контакте могут быть выполнены из немагнитного металла: золота или серебра, или платины, или алюминия и других.

Полупроводниковые слои 2, 3, 4 выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs или GaP, или InP и других.

Принцип действия диода Ганна по первому варианту изобретения заключается в следующем. Постоянное напряжение прикладывается между контактами 1 и 5. При приложении напряжения в цилиндрическом активном слое 3 по радиусу протекает рабочий электрический ток, который возбуждает в нем переменные электрические колебания в СВЧ-диапазоне. Цилиндрическая структура диода Ганна позволяет пропускать большие рабочие токи, обеспечивающие высокий уровень генерируемой СВЧ-мощности при заданном КПД.

Диод по второму варианту изобретения (фиг. 2) содержит следующие конструктивные элементы: первый вырожденный монокристаллический кремниевый полупроводниковый n⁺-типа слой 8 (подложка), выращенный в виде полого цилиндра. На внутренней поверхности слоя 8 сформирован металлический контакт 9 катода, выполненный в виде полого цилиндра, состоящего из двух слоев 10, 11, выполненных из разных немагнитных металлов, например алюминия или серебра, или титана, или меди, или золота, или молибдена и других.

Удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя 10 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя 11 металла по направлению протекания электрического тока.

На внешней поверхности слоя 8 последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный полупроводниковый n-типа слой 12 и второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой 13. Поверх слоя 13 нанесен металлический контакт 14 анода в виде двух цилиндрических немагнитных слоев 15, 16 заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, например платины или золота, или титана, или молибдена, или вольфрама и других.

Удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя 15 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя 16 металла по направлению протекания электрического тока.

Полупроводниковые слои 8, 12 и 13 выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs или GaP, или InP и других.

Принцип действия полупроводникового выпрямительного диода по второму варианту изобретения заключается в следующем. Постоянное напряжение прикладывается между контактами 9 и 14. При приложении напряжения в цилиндрическом активном слое 12 по радиусу, протекает рабочий электрический ток, который возбуждает в нем переменные электрические колебания в СВЧ-диапазоне. Цилиндрическая структура диода Ганна позволяет пропускать большие рабочие токи, обеспечивающие высокий уровень генерируемой СВЧ-мощности при заданном КПД.

Полупроводниковый выпрямительный диод по третьему варианту изобретения (фиг. 3) содержит следующие конструктивные элементы: первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой 17 (подложка), выращенный в виде сплошного цилиндра заданной длины. На внешней поверхности слоя 17 последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный полупроводниковый n-типа слой 18, второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой 19. Поверх слоя 19 нанесен металлический контакт 20 анода в виде двух цилиндрических немагнитных слоев 21, 22 заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, например платины или золота, или титана, или молибдена, или вольфрама и других.

Удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя 21 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя 22 металла по направлению протекания электрического тока. На торцах первого вырожденного монокристаллического полупроводникового n⁺-типа слоя 17 сформирован металлический контакт 23 катода в виде двух слоев 24, 25, выполненных из разных немагнитных металлов, например алюминия или молибдена, или серебра, или титана, или меди, или золота и других.

Удельная электропроводность верхнего слоя 24 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего слоя 25 металла по направлению протекания электрического тока.

Полупроводниковые слои 17, 18 и 19 выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs или GaP, или InP и других.

Принцип действия полупроводникового выпрямительного диода по третьему варианту изобретения заключается в следующем. Постоянное напряжение прикладывается между контактами 20 и 23. При приложении напряжения в цилиндрическом активном слое 18 по радиусу протекает рабочий электрический ток, который возбуждает в нем переменные электрические колебания в СВЧ-диапазоне. Цилиндрическая структура диода Ганна позволяет пропускать большие рабочие токи, обеспечивающие высокий уровень генерируемой СВЧ-мощности при заданном КПД.

Изобретение относится к электронной техникe, в частности к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых сверхвысокочастотных (СВЧ) диодов Ганна, и может быть использовано в электронной и радиоэлектронной промышленности. Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении всех вариантов изобретения, являются повышение выходной мощности СВЧ-колебаний и снижение уровня электротепловой деградации. Сущность: в диоде Ганна металлический контакт катода выполнен в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно-центрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100). На его внешней поверхности выращен первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический полупроводниковый n-типа слой и второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой. Поверх последнего нанесен металлический контакт анода в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов. Удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока. Предложены еще два варианта выполнения диода Ганна. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Диод Ганна, содержащий металлические контакты анода и катода, первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой и активный монокристаллический полупроводниковый n-типа слой, отличающийся тем, что металлический контакт катода выполнен в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно-центpированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100), на внешней поверхности которого выращен первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический полупроводниковый n-типа слой и второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, поверх которого нанесен металлический контакт анода в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока. 2. Диод по п.1, отличающийся тем, что металлический контакт катода выполнен из немагнитных металлов: молибдена, или вольфрама, или ванадия и им родственных металлов, а цилиндрические слои в металлическом контакте анода выполнены из немагнитных металлов: золота, или серебра, или платины, или алюминия и других. 3. Диод по п.1, отличающийся тем, что все полупроводниковые слои диода выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или InР и других. 4. Диод Ганна, содержащий металлические контакты катода и анода, первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой и активный полупроводниковый n-типа слой, отличающийся тем, что первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой выращен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирован металлический контакт катода, выполненный в виде полого цилиндра, состоящего из двух слоев, выполненных из разных немагнитных металлов, а на внешней поверхности последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический полупроводниковый n-типа слой и второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, поверх последнего нанесен металлический контакт анода в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в каждой паре слоев больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока. 5. Диод по п.4, отличающийся тем, что цилиндрические слои в металлическом контакте катода выполнены из немагнитных металлов: алюминия, или серебра, или титана, или меди, или золота, или молибдена и других, а цилиндрические слои в металлическом контакте анода выполнены из немагнитных металлов: платины, или золота, или титана, или молибдена, или вольфрама и других. 6. Диод по п.4, отличающийся тем, что все полупроводниковые слои диода выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или InР и других. 7. Диод Ганна, содержащий металлические контакты катода и анода, первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой и активный полупроводниковый n-типа слой, отличающийся тем, что первый вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический полупроводниковый n-типа слой, второй вырожденный монокристаллический полупроводниковый n⁺-типа слой, поверх последнего нанесен металлический контакт анода в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, а металлический контакт катода сформирован на торцах первого вырожденного монокристаллического полупроводникового n⁺-типа слоя в виде двух слоев, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего слоя металла в каждой паре больше удельной электропроводности нижнего слоя металла по направлению протекания электрического тока. 8. Диод по п. 7, отличающийся тем, что слои в металлическом контакте анода выполнены из немагнитного металла: платины, или золота, или титана, или молибдена, или вольфрама и других, а цилиндрические слои в металлическом контакте катода выполнены из немагнитных металлов: алюминия, или молибдена, или серебра, или титана, или меди, или золота и других. 9. Диод по п.7, отличающийся тем, что все полупроводниковые слои диода выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или InР и других.