СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД Советский патент 1995 года по МПК H01L39/22 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к сверхпроводниковым туннельным диодам.

Целью изобретения является повышение максимальной рабочей частоты и мощности.

На фиг.1 изображена структура предлагаемого диода, где показаны сверхпроводящие электроды 1, 2, слой 3 широкозонного полупроводника толщиной b₁, слой 4 узкозонного полупроводника толщиной а, слой 5 широкозонного полупроводника толщиной b₂, подложка 6.

На фиг.2 изображена энергетическая диаграмма диапазона проводимости предлагаемого диода, в котором основными носителями являются электроны, в отсутствие приложенной к диоду разности потенциалов (U 0), где b₁ и b₂ толщины барьерных слоев широкозонного материала; а толщина слоя, образующего квантовую яму; ε_F энергия Ферми электронов в сверхпроводниковых электродах; χ_Б1, χ_Б2 значения электронного сродства материалов, образующих эмиттерный 3 и коллекторный 5 барьерные слои χ_я значение электронного сродства для материала, образующего слой 4 квантовой ямы; ϕ, 2Δ- работа выхода и ширина энергетической щели сверхпроводникового материала соответственно; ε_о резонансное значение поперечной энергии электронов в квантовой яме, отсчитываемое от уровня Ферми; ε_о¹ ε_о + χ_я ϕ- то же значения, отсчитываемое от дна квантовой ямы.

На фиг. 3 изображена энергетическая диаграмма в условиях, когда к диоду приложена разность потенциалов U_кр.

На фиг. 4 изображена вольт-амперная характеристика прототипа (сплошная линия) и предлагаемого диода (штриховая линия) для случая, когда оба электрода выполнены из одного сверхпроводникового материала, где U_кр ≈ разность потенциалов, при которой имеет место резонансное туннелирование носителей заряда через гетероструктуру; 2Δ- ширина энергетической щели сверхпроводника; q заряд электрода.

Сущность изобретения основана на резонансном туннелировании носителей заряда через дискретный энергетический уровень квантовой гетероструктуры при разности потенциалов на диоде, близкой к пороговому значению, при котором становится возможным квазичастотное туннелирование носителей заряда между сверхпроводящими электродами диода.

П р и м е р. Рассмотрим в качестве примера предлагаемого сверхпроводникового туннельного диода (фиг.1) диод, в котором электроды 1, 2 выполнены из ниобия с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние Т_с 9 К, а полупроводниковая гетероструктура между этими электродами выполнена на основе твердых растворов арсенид галлия арсенид алюминия. Ширина энергетической щели ниобия составляет около
2Δ≈3,5kT_c≈3 мЭв, (1)
Работа выхода ниобия составляет
ϕ= 3,99 эВ (2)
Значение электронного сродства для твердого раствора арсенид галия арсенид алюминия зависит от доли х алюминия в таком растворе, Для чистого арсенида галлия
λ_GaAs 4,1 эВ (3)
Для твердого раствора Al_xGa_1-xAs значение электронного сродства связано с долей алюминия х соотношением
χ(х) ≃ χ_GaAs 0,8˙x 4,1 0,8˙x (4)
Выполним образующий квантовую яму слой 4 (фиг.1) из твердого раствора Al_0,1Ga_0,9As, для которого
χ= χя 4,02 эВ, (5)
Барьерные слои 3 и 4 выполним одинаковой толщины b₁ b₂ 5 нм из твердого раствора Al_0,35Ga_0,65As, для которого
χ_Б1 χ_Б2 χ_Б 3,82 эВ, так что высота барьеров составит
χ_Б -χ_я 0,2 мэВ. (6)
При равной толщине барьеров из (3) следует
ε_о 0, так что превышение резонансного энергетического уровня над дном ямы составит
ε_о¹ ε_о χ_я ϕ= χ_я- ϕ= 30 мэВ, (7)
Эффективная масса электрона в твердом раствора Al_0,1Ga_0,9As равняется
m^* 0,068, (8) где m_o масса свободного электрода.

Подставляя значения (6) (8) в формулу
=π arcsin arcsin (9)
где m* эффективная масса носителей заряда в слое 4 (фиг.1);
2πh постоянная Планка.

В уравнении (9) для простоты предположено, что работы выхода обоих электродов одинаковы ( ϕ₁ ϕ₂ 0).

Найдем требуемую толщину квантовой ямы
a=(2m^*ε_o)-2arcsin ≈ ≈ 12 нм. (10)
Таким образом, полная толщина полупроводниковой прослойки между эмиттером и коллектором составит
a+2b≃ 22 нм.

При рабочей температуре Т_о 4,2 К тепловой разброс энергии туннелирующих электронов составит
kT_o≃0,3 мэВ < <
Естественная ширина резонансного уровня при толщине барьеров 5 нм и высоте 0,2 эВ не превышает 10^-5 эВ. Поэтому эффект резонансного туннелирования в таком туннельном диоде будет выражен достаточно четко.

Предлагаемый диод может быть выполнен и на основе высокотемпературных сверхпроводников типа сверхпроводящей керамики YВa₂Cu₃O_7-б. Такой диод будет работать при более высоких напряжениях (U_кр≃30 мВ) и иметь соответственно больший динамический диапазон, чем диод на основе ниобия.

Таким, образом, резонансный характер туннелирования носителей заряда в предлагаемом диоде обеспечивает, с одной стороны, высокую крутизну нелинейного участка ВАХ в рабочей точке и, следовательно, высокие значения чувствительности диода в режиме детектирования или смещения высокочастотных сигналов, а с другой возможность использования сравнительно толстых (15-30 нм) слоев нелегированного полупроводника с минимальным содержанием примесей и высоким (10³-10⁵ Ом˙см) удельным сопротивлением, благодаря чему предлагаемый диод имеет более высокое удельное значение активной и более низкое (пропорциональное удельной емкости) реактивной составляющих высокочастотного импеданса по сравнению с прототипом, а также значительно более высокое, чем прототип, значение максимальной рабочей частоты при равных значениях площади контакта.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к сверхпроводниковым туннельным диодам. Изобретение обеспечит повышение максимальной рабочей частоты и динамического диапазона сверхпроводникового туннельного диода (СТД), что достигается тем, что полупроводниковая прослойка между сверхпроводниковыми электродами выполнена в виде многослойной квантовой гетероструктуры, состоящей по крайней мере из двух полупроводниковых материалов, различающихся шириной запрещенной зоны, причем слой более узкозонного материала расположен между слоями более широкозонных материалов и образует квантовую потенциальную яму для основных носителей заряда. 4 ил.

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД, содержащий два электрода, эмиттер и коллектор из сверхпроводника, разделенных полупроводниковой прослойкой, отличающийся тем, что, с целью повышения максимальной рабочей частоты и мощности, полупроводниковая прослойка выполнена в виде многослойной квантовой гетероструктуры, состоящей по крайней мере из двух полупроводниковых материалов, различающихся шириной запрещенной зоны, причем слой узкозонного материала расположен между слоями широкозонных материалов и образует потенциальную яму для основных носителей заряда, содержащую по крайней мере один квантовый уровень.