ОБЪЁМНОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО С УПРАВЛЯЕМЫМ ПАДАЮЩИМ УЧАСТКОМ ИНДУЦИРОВАННОЙ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ Российский патент 2023 года по МПК H01L29/82 

Изобретение относится к приборам с отрицательным объёмным сопротивлением (приборам на основе эффекта Ганна), применяемым в качестве новых типов активных электронных структур, основанных на проявляемых объёмных нелинейных эффектах основных носителей заряда в полупроводниках типа A^IIIB^V (обычно имеющих многодолинную зонную энергетическую структуру), работающих в условиях сильных внешних воздействий напряжённостей электрических и магнитных полей. Устройство имеет области применения в качестве генератора микроволновых диапазонов длин волн или в качестве смесителя автодинного типа, работающего в этих диапазонах.

В основе работы устройства лежат разогревные кинетические дрейфовые и диффузионные процессы носителей заряда в результате которых энергетическая зависимость эффективной массы электрона является следствием появления падающего участка на дрейфовой (вольтамперной (ВАХ)) характеристике, проявляемого в виде эффекта Ганна, применяемом для создания полупроводниковых приборов (особенно СВЧ и КВЧ диапазонов).

Первым аналогом к предлагаемому устройству служит «Активный элемент на эффекте Ганна, управляемый напряжением» (Авт. свид. СССР № SU 817819, Опубл. 13.03.81, Бюл. №12), в котором имеется полупроводниковый активный элемент, работающий на эффекте Ганна, управляемый напряжением создаваемым источником постоянного электрического поля, содержащий активную область и управляющий участок в виде выступающей части активной области, имеющие омические анодные контакты, общий омический контакт катода и общую прикатодную область, причем управляющий участок выполнен с сечением, увеличивающемся от общего катодного контакта к анодному контакту участка.

Существенными признаками, общими с заявляемым устройством, являются:

- полупроводниковый активный элемент, работающий на эффекте Ганна (в заявляемом устройстве это объёмная полупроводниковая структура),

- источник постоянного электрического поля.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является отсутствие в конструкции аналога элементов или возможностей для применения воздействия сильного постоянного магнитного поля с целью полезного использования эффекта Холла, возникающего за счёт действия силы Лоренца на горячие носители заряда.

Вторым аналогом к предлагаемому устройству служит устройство, состоящее из составной полупроводниковой транзисторной структуры, на которую ортогонально воздействуют электрическое и магнитное поля (Magnetic Sensitive Semiconductor. Патент № ЕР 0402271 А2, опубл. 08.06.90 Bul.90/50). Работа данного устройства основана на управления токами коллекторов составного одноэмиттерного транзистора, за счёт воздействия магнитного поля и возникающей при этом силы Лоренца. Конструктивно объём структуры аналога выполнен по планарной технологии так, что при воздействии магнитного поля происходит перераспределение коллекторных токов (при включении с общим эмиттером). Таким образом в структуре аналога независимые друг от друга базы, расположенные ортогонально направлению дрейфа, участвуют в работе транзисторов также в зависимости от действия магнитного поля.

Существенными признаками, общими с заявляемым устройством, являются:

- составная полупроводниковая транзисторная структура (в заявляемом устройстве это полупроводниковая структура);

- полупроводниковая структура устройства размещена в области ортогонального воздействия внешнего магнитного и электрических полей;

- магнитное поле (в заявляемом устройстве это источник постоянного магнитного поля).

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является воздействие магнитного поля на все рабочие области структуры (области переходов пространств между базами и коллекторами и базами и эмиттером), в результате чего воздействию магнитного поля подвергаются эмиттерные области, что является некорректным фактором при использовании структуры данного аналога в активном режиме усиления или генерации. То есть при этом очевидно возникает необходимость использования для указанных областей магнитных защитных экранов, что, в случае малости их физических размеров, будет довольно затруднительно.

Прототипом к заявляемому устройству является электронное полупроводниковое устройство (Magnetically Sensitive Semiconductor Device. Патент № ЕР 0040640 А1, Опубл. 02.12.81 Bul. 81/48). Это магнитно-чувствительное полупроводниковое устройство содержит несколько полупроводниковых областей, содержащих p-n-переходы, из пространства между которыми инжектируются носители заряда, и которые ускоряются посредством электрического поля в обедненном слое, расположенном на стыке между второй и третьей полупроводниковыми областями. Для управления процессами дрейфа носителей в устройстве содержится источник постоянного электрического поля, а приложенное постоянное магнитное поле управляет выходными параметрами устройства. Такая конфигурация дрейфовых областей р-п-переходов позволяет получить более высокое выходное напряжение Холла даже для сравнительно небольших электрических токов коллектора и снимать индуцированное напряжение с отдельных выводов.

Существенными признаками, общими с заявляемым устройством, являются:

- полупроводниковые области (в заявляемом устройстве это полупроводниковая структура);

- постоянное магнитное поле для управления выходными параметрами устройства (в заявляемом устройстве используется источник постоянного магнитного поля);

- источник постоянного электрического поля для управления процессами дрейфа носителей.

Недостатком прототипа является наличие двух p-n-переходов, ограничивающих пространство дрейфа и невозможность работы при высоких напряженностях электрических полей, что препятствует повышению рабочего частотного диапазона устройства.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкий частотный диапазон его применения и наличие нескольких p-n-переходов, которые создают рекомбинационные составляющие в выходных токах и ограничивают возможность использования объёмных структур полупроводника для новых применений, связанных с дрейфом носителей заряда в сильных электрических полях.

Технический результат в заявляемом устройстве заключается в возможности создания нового класса генераторов и преобразователей частоты, которые могут обеспечить высокий КПД, за счёт использования ортогональной индукционной дрейфовой характеристики в поперечном направлении, у которой напряженность поля эффекта Ганна имеет в два раз меньшую величину, чем в продольном направлении дрейфа носителей.

Технический результат в заявляемом устройстве достигается тем, что полупроводниковая структура представляет собой объёмные (беспереходные) полупроводники типа A^IIIB^V, а источником магнитного поля является постоянный магнит с магнитной индукцией В ≥ 4 Тл.

Для достижения технического результата в объёмное полупроводниковое устройство с управляемым падающим участком индуцированной вольтамперной характеристики, состоящее из полупроводниковой структуры, источника постоянного магнитного поля для управления выходными параметрами, источника постоянного электрического поля для управления процессами дрейфа носителей, полупроводниковая структура представляет собой объёмные (беспереходные) полупроводники типа A^IIIB^V, а источником магнитного поля является постоянный магнит с магнитной индукцией В ≥ 4 Тл.

Предлагаемый объект поясняется Фиг. 1, 2, 3, 4. На Фиг. 1 представлен эскиз, поясняющий размещение слоёв полупроводниковой магнитоуправляемой структуры (МУПС) (1 - полупроводниковая структура, 2 - источник постоянного магнитного поля (постоянный магнит), 3 - источник постоянного электрического поля). На Фиг. 2 изображено взаимное расположение векторов напряженности электрического и индукции магнитного полей относительно полупроводникового образца типа A^IIIB^V. На Фиг. 3 представлены дрейфовые характеристики оси y при различных значениях индукции магнитного поля B в сравнении с дрейфовыми аналогами оси x. Фиг. 4 демонстрирует трёхмерное представление дрейфовых индукционных характеристик вдоль оси y.

Принцип работы заявляемого устройства, состоит в том, что при одновременном ортогональном воздействии сильных полей: электрического 3 (с напряжённостями Е ≈ Е_п (пороговое поле эффекта Ганна) (для GaAs, например, Е_п ≈ 4 кВ/см) действующего в продольном направлении х дрейфа Декартовой системы координат) и магнитного 2 (с магнитной индукцией В ≥ 4 Тл) действующего в вертикальном z поперечном направлении) (Фиг. 2), в поперечном направлении y за счёт действия силы Лоренца и появления поперечных компонент в уравнениях усреднённого дрейфа и разогрева, а также в компонентах энергозависимой эффективной массы [I.V. Malyshev, K.A. Fil', N.V. Parshina Nonlinearity Of the Diffusion Coefficient Of Hot Carriers in the Bulk Of the Semiconductors Under The Action Of Electric and Magnetic Fields // Russian Physics Journal - Vol. 60, No. 6, October, 2017 - P. 923-927], будет иметь место индуцированная дрейфовая зависимость, проявляющаяся в виде вольтамперной характеристики, имеющей падающий участок, аналогичный продольной ВАХ вдоль оси х (Фиг. 3). Это позволяет рассматривать эту область (y) в качестве активного узла автогенератора, использующего её как участок структуры с эффектом Ганна, управляемого магнитным полем.

Технико-экономические преимущества заявляемого устройства перед известными:

- использование падающего участка вольтамперной характеристики (ВАХ) полупроводниковой структуры в качестве рабочего и создания частотозадающей цепи, может лежать в основе работы автогенератора, использующего данный поперечный участок как структуру с эффектом Ганна, управляемого магнитным полем (магнитоуправляемую полупроводниковую структуру (МУПС)), а также на решение задачи создания объёмных частотно-преобразовательных узлов (смесителей автодинного типа) и магниточувствительных датчиков и элементов.

- использование заявляемого устройства позволит расширить существующие области применения объёма полупроводника в составе электронных и радиотехнических устройств;

- поперечная компонента дрейфовой скорости вдоль оси y при сильных значениях индукции магнитного поля В ≥ 4 Тл, демонстрирует смещение начала падающего участка на дрейфовой (вольтамперной) характеристике в сторону уменьшения (в 2 раза), что свидетельствует об обнаруженном новом «эффекте Ганна, управляемом магнитным полем» и, соответственно, генераторе, использующем этот эффект;

- уменьшение значения напряжённости порогового поля эффекта Ганна с 4 до 2 кВ/см вдоль оси y, позволит увеличить КПД объёмного диода на 50% (в предположении неизменности плотности выходного тока);

- выявлена принципиальная возможность создания двухмерных устройств для преобразования частоты (смесителей автодинного типа). Кроме того, в случае реализации возможности модуляции (или манипуляции по заданному закону) магнитного поля, возникает возможность получать импульсно-модулированные (или манипулированные) СВЧ или КВЧ колебания.

Объёмное полупроводниковое устройство с управляемым падающим участком индуцированной вольтамперной характеристики относится к приборам с отрицательным объёмным сопротивлением (приборам на основе эффекта Ганна), применяемым в качестве новых типов активных электронных структур, основанных на проявляемых объёмных нелинейных эффектах основных носителей заряда в полупроводниках типа A^IIIB^V, работающих в условиях сильных внешних воздействий напряжённостей электрических и магнитных полей. Устройство имеет области применения в качестве генератора микроволновых диапазонов длин волн или в качестве смесителя автодинного типа, работающего в этих диапазонах. Технический результат заключается в возможности создания нового класса генераторов и преобразователей частоты, которые могут обеспечить высокий КПД, за счёт использования ортогональной индукционной дрейфовой характеристики в поперечном направлении, у которой напряженность поля эффекта Ганна имеет в два раз меньшую величину, чем в продольном направлении дрейфа носителей. Технический результат достигается тем, что полупроводниковая структура представляет собой объёмные полупроводники типа A^IIIB^V, а источником магнитного поля является постоянный магнит с магнитной индукцией В ≥ 4 Тл. 4 ил.

Объёмное полупроводниковое устройство с управляемым падающим участком индуцированной вольтамперной характеристики, состоящее из полупроводниковой структуры, источника постоянного магнитного поля для управления выходными параметрами, источника постоянного электрического поля для управления процессами дрейфа носителей, отличающееся тем, что полупроводниковая структура представляет собой объёмные полупроводники типа A^IIIB^V, а источником магнитного поля является постоянный магнит с магнитной индукцией В ≥ 4 Тл.