ТУННЕЛЬНО-ПРОЛЕТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД Советский патент 1995 года по МПК H01L29/93 

Изобретение относится к полупроводниковой СВЧ-электронике, полупроводниковым диодам с динамическим отрицательным сопротивлением в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых длин волн.

Целью изобретения является повышение величины отрицательного сопротивления, КПД и выходной мощности туннельно-пролетных диодов с резонансной инжекцией носителей заряда (РТПД).

На фиг.1 дан разрез структуры туннельно-пролетного диода с резонансно-туннельной инжекцией носителей заряда; на фиг.2 энергетическая диаграмма дна зоны проводимости для случая, когда основными носителями заряда в диоде являются электpоны.

Диод включает эммиттерный контакт, образованный металлическим электродом 1 и сильнолегированным слоем 2 узкозонного полупроводника, двухбарьерную квантовую гетероструктуру с двумя барьерными слоями 3 и 4 широкозонного полупроводника толщиной b₁ и толщиной b₂ соответственно, слоем 5 узкозонного полупроводника, образующим квантовую потенциальную яму, толщиной а и пролетный участок 6 толщиной W, слой 7.

На фиг. 2 ε_c- энергия, соответствующая дну зоны проводимости, ε _F- уровень Ферми, ε₁ нижний дискретный энергетический уровень в квантовой яме.

Толщины полупроводниковых слоев выбираются согласно следующим формулам:
b₁ ≃ b₂ ≈ b;
2b2m*в

(Δε-ε₁)=ln
W= (0,75÷1)π где m_a^*, m_в^* эффективные массы инжектируемых носителей заряда в узкозонном и широкозонном полупроводниковых материалах соответственно; v средняя скорость дрейфа основных носителей в пролетном участке; Δε- скачок потенциальной энергии инжектируемых носителей заряда на гетерограницах между слоями широкозонного и узкозонного материала; ε_n- значение n-го дискретного уровня поперечной энергии инжектируемых носителей заряда в квантовой яме, связанное с ее шириной, а уравнением:
a=n-2arcsin
При этом носители заряда задерживаются в квантовой яме на время примерно равное четверти периода колебаний на рабочей частоте f_о, а их угол пролета в пролетном участке на этой частоте лежит в интервале Q≃0,7π÷π.

Поскольку носители заряда инжектируются из эмиттерного контакта в квантовую яму в интервале времени, примерно соответствующие максимуму ускоряющего высокочастотного электрического поля, и задерживаются в яме на четверть периода этого поля, то они входят в пролетный участок, когда это поле меняет знак с ускоряющего на тормозящее, подобно тому, как это имеет место в идеальной модели ЛПД. Поэтому как и в ЛПД оптимальный угол пролета носителей заряда в пролетном участке РТПД лежит в интервале:
Q≃0,75π÷π откуда следует
W=(0,75÷1)π
Таким образом, по эффективности взаимодействия носителей заряда с высокочастотным полем диод конструкции РТПД не уступает ЛПД и имеет столь же высокие значения отрицательного сопротивления, КПД и полезной мощности, как и ЛПД.

Вместе с тем конструкция отличается от ЛПД меньшим уровнем шума и более высокой максимальной частотой, в этом отношении она сохраняет достоинства известных туннельных диодов. Наиболее целесообразна реализация конструкции РТПД в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн, где требуемое соотношение между периодом колебаний и временем задержки носителей заряда в квантовой яме может быть выполнено при не слишком толстых барьерных слоях и высокой проницаемости этих слоев для туннельного тока. Увеличение требуемой проницаемости барьеров с повышением частоты сопровождается повышением плотности туннельного тока, а следовательно, и величины отрицательного сопротивления диода, что облегчает продвижение РТПД в область субмиллиметровых длин волн.

Структура РТПД изготавливалась на основе арсенида галлия и твердого раствора Аl_xGa_1-xAr при х 0,3. Слои 2, 5, 7 изготовлены из арсенида галлия, а слои 3 и 4 из Al_0,3Ga_0,7As, причем слои 2 и 7 арсенида галлия легированы донорами (например, кремния), а слои гетероструктуры 3-5 не легированы. Основными носителями заряда, инжектируемыми из эмиттерного контакта в пролетный участок через двухбарьерную квантовую гетероструктуру, являются электроны. Разрыв дна зоны проводимости на гетерогранице GaAs/Al_0,3Ga_0,7As составляет Δε≈0,25. Значение эффективной массы электрона в квантовой яме и барьерных слоях: m_a^* 0,067 m_o и m_в^* ≈ 0,086 m_o (m_o масса свободного электрона). Для инжекции электронов в пролетный участок использован нижний резонансный уровень квантовой ямы. Зависимость поперечной энергии электронов на этом уровне ε₁ от ширины ямы а рассчитана из уравнения
a=n-2arcsin
Применение таких диодов наиболее перспективно в качестве активных элементов генераторов, усилителей, умножителей и преобразователей частоты в указанных диапазонах.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым диодам с динамическим отрицательным сопротивлением. Целью изобретения является увеличение отрицательного динамического сопротивления, КПД, полезной мощности и максимальной рабочей частоты туннельно-пролетного диода с резонансно - туннельной инжекцией носителей заряда, это достигается тем, что полупроводниковые слои двухбарьерной квантовой гетероструктуры имеют толщины, которые обеспечивают задержку носителей заряда в квантовой яме на время, примерно равное четверти периода колебаний на рабочей частоте, а пролетный участок имеет толщину, при которой угол пролета носителей заряда лежит 0,75π-π. 2 ил.

ТУННЕЛЬНО-ПРОЛЕТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД с резонансно-туннельной инжекцией носителей заряда, содержащий со стороны эмиттерного контакта двухбарьерную квантовую гетероструктуру с двумя барьерными слоями широкозонного полупроводника толщиной b₁, b₂ и расположенным между ними слоем узкозонного полупроводника толщиной а, образующим квантовую потенциальную яму с дискретным спектром поперечных составляющих энергии и импульса электронов, а также пролетный участок толщиной W, выполненной из узкозонного полупроводника, отличающийся тем, что, с целью увеличения отрицательного сопротивления, КПД и полезной мощности диода в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн, толщины полупроводниковых слоев а, b₁ и b₂ двухбарьерной квантовой гетероструктуры и толщина пролетного участка W удовлетворяют соотношениям:
b₁ b₂ b;


где m*a

,m*b эффективные массы инжектируемых носителей заряда в указанном и широкозонном полупроводниковых материалах соответственно;
V средняя скорость дрейфа основных носителей заряда в пролетном участке;
Δε скачок потенциальной энергии инжектируемых носителей заряда на гетерограницах между слоями широкозонного и узкозонного материалов;
e_n значение n-го дискретного уровня поперечной энергии инжектируемых носителей заряда в квантовой яме, связанное с шириной квантовой ямы а уравнением: