Диод Ганна Советский патент 1992 года по МПК H01L47/02 

Изобретение относится к производству полупроводниковых приборов, а именно СВЧ-приборов на горячих электронах с междолинным переходом носителей заряда, и может быть использовано для увеличения частоты колебаний и выходной мощности,а также для получения сложного СВЧ-сигнала заданной формы.

Цель изобретения - повышение частоты генерации в N+1) раз без уменьшения длины активной области и повышение выходной мощности прибора за счет увеличения длины активной части диода Ганна (ДГ).

В активном слое эпитаксиальной структуры диода с уровнем легирования N формируется N () одинаковых слоев с повышенной концентрацией легирующей примеси, равномерно разнесенных по толщине активного слоя и имеющих концентрацию п06д, удовлетворяющую условию

1 noM/nЈ2,

Достигаются указанные цели за счет наличия в активном слое эпнтаксиаль- ной структуры диода областей с повышенной концентрацией легирующей примеси, размер и уровень легирования которых не приводит к полной релаксации на них домена сильного поля (ДСП).

Домен в такой структуре, двигаясь от катода к аноду, будет Проходить области с пониженным сопротивлением (повышенной концентрацией примеси) и частично релаксировать (падение напряжения на ДСП будет уменьшаться),- что приведет к росту электрического тока через диод. МИНОРЗВ область повышенного уровня легирования, домен вновь попадает- в область повышенного сопротивления (пониженной концентрации легирующей примеси) и будет де- формирорлтьг Спадение напгяжсния на

СО

оэ J

I

ьэ

316

нем будет расти), что прнредет уменьшению тока через прибор. В результате описанный процесс движения ДСП в активном слое с модулированной концентрацией легирующей примеси приведет к сложной зависимости тока от иременн. Манипулируя количеством, местоположением, размером и уровнем (формой) легирования областей (области) п активном слое прибора, можно управлять этой зависимостью и, например, добиться выделения практически всей выходной мощности на определенной гармонике, Очевидно, что при наличии о активной части прибора одной, двух н т.д. равномерно распределенных по длине активной части

зависимости тска от времени, который соответствует прохождению ДСП над ступенькой. Период колебаний при этом не изменяется, но возрастает амплитуда второй гармоники. При увеличении высоты ступеньки до величины п амплитуды токовых нмпуль- Loa, соотвггствуккцих прохожленню ДСП

прибора областей повышенной концен- ступеньки приводит к появлению до- трации примеси (при надлежащем выбо- 20 полпителыюго (по сравнению со слу- ре размеров и уровня легирования) чаем без ступеньки) максимуму на практически вся мощность будет выделяться соответственно на второй, третьей и т.д. гармониках, т.е. при одинаковой длине активной части прибора 5 I, н прочих равных условиях настоящий диод будет генерировать СВЧ-сиг- нал практически той же мощности, но с частотой D 2; 3 н т.д. раз выше, чем

сигнал, генерируемый ДГ с той же L, Q ад ступенькой и уходу домена в но без областей с повышенным уровнем анод, практически сравниваются, т.е. легироланнл, работающим на основной частоте.

Поскольку в настоящих ДГ, по tpas- пению с ДГ, работающими на основной частоте, частота генерации определяется уже не длиной активной области L, а периодом неоднородности ее легирования, то,увеличивая длину активной области, но оставляя период неоднородности профиля легирования рав35

практически вся выходная мощность будет выделяться на второй гармонике.

Таким образом, имея в активной области одну ступеньку, удалось получить максимальную мощность генерации на частоте второй гармоники. При этом ограничения на величину ра-г бочего напряжения такие же, как и 4Q для, прибора без ступеньки, поскольку длина активной области не уменьным прежней длине активной области, шилась. Следовательно, не уменьшая на выходе можно получить СВЧ-сигнал величину рабочего напряжения и гене- той же частоты, но гораздо большей рируемую мощность, удалось вдвое

мощности. Т.е. для увеличения выход- увеличить частоту генерации.

ной мощности толщина активного слоя настоящего диода L должна удовлетворять условию

L(NH} ц, L,

где L - толщина однородного активного

слоя,

т.е. толщина активного слоя ДГ без ступенек.

50

С другой стороны, данный прибор может работать на тех же частотах, что н приборы без ступеньки, но при этом иметь более длинную активную область, а следовательно, н большие рабочее напряжение и генерируемую мощность.

Таким образом, для фиксированной частоты прибор со ступенькой буПринеденные выше рассуждения на дет иметь большие рабочее напряжение основе физических представлений были 5 и генерируемую мощность, чем прибор проверены расчетным путем, а именно методом макрочастиц с имитацией ак- топ рассеяния с помощью процедуры

без ступеньки.

Что касается предельных значений протяженности (толлцшы) слоя повышен

Монтг Мрло. Моделировалагь работа n-n-п -структур из GaAs в одномерном координатном пространстве, длина п -слоев бралась больше длины обеднения, распределение носителей на границах расчетной области полагалось равновесным максвелловским, концентрация носителей - равной концентрации ионизированной примеси. Рабочее напряжение составляло 3 В, температура решетки 77 К.

Расчеты показали, что диод без ступеньки генерирует сигнал с частотой ГГц, соответствующей обратному времени пробега домена через прибор /virr c. Наличие в активной области прибора центральной

зависимости тска от времени, который соответствует прохождению ДСП над ступенькой. Период колебаний при этом не изменяется, но возрастает амплитуда второй гармоники. При увеличении высоты ступеньки до величины п амплитуды токовых нмпуль- Loa, соотвггствуккцих прохожленню ДСП

ступеньки приводит к появлению до- полпителыюго (по сравнению со слу- чаем без ступеньки) максимуму на

ад ступенькой и уходу домена в анод, практически сравниваются, т.е.

практически вся выходная мощность будет выделяться на второй гармонике.

Таким образом, имея в активной области одну ступеньку, удалось получить максимальную мощность генерации на частоте второй гармоники. При этом ограничения на величину ра-г бочего напряжения такие же, как и для, прибора без ступеньки, поскольку длина активной области не умень0

С другой стороны, данный прибор может работать на тех же частотах, что н приборы без ступеньки, но при этом иметь более длинную активную область, а следовательно, н большие рабочее напряжение и генерируемую мощность.

Таким образом, для фиксированной частоты прибор со ступенькой будет иметь большие и генерируемую мо

без ступеньки.

дет иметь большие рабочее напряжение и генерируемую мощность, чем прибор

Что касается предельных значений протяженности (толлцшы) слоя повышен

ной концентрации н уропня легнропч- ння ступенек, то кяк показывают расчеты, можно утверждать, что для нполной релаксации ДСП на ступеньке перепал напряженности электрического поля на ней не должен быть больше 2, т.е. и перепад концентрации также не должен быть больше 2.

На протяжрнног.ть и форму ступенек никаких жестких условий не налагается .

Формула изобретения

1. Диод Ганна, содержащий полупроводниковую структуру, включаюпгую активный слой толщины L с неоднород5

Г,/, 02л

ним профилем кмнирнтрлцин лг гнрукчлгй примеси и дня контяктных глоя, о тЛ И Ч а Ю ГП И Й Г. Я ТРИ, ЧТО, С. Ц лью повышения частоты геигрлции в (N+1) раз, лктннньпТ слоГ с концентрацией легирукмц й примет п содержит N (N f 1) одинаковых оГ. мгтпй с поньпоенлш -мг. итрапнрн лсгпруютей примеси, п 6/), ряпномерно рлчнесрнных по толщине ЯРгмвного сгюч, при этом

К поьл/п 22. ДИОД I .iMH.T rtn П. 1, О Т Л Н ч а ю щ и и i п том, что, с целью 5 увеличения мощности, толщина активного слоя ряпия I , причем )

ъ Lo

Изобретение относится к диодам Ганна и может быть использовано при конструировании полупроводниковых СВЧ-генораторов. Цель изобретения - повышение выходной СВЧ-мощности и частоты колебаний. Диод Ганна содержит активную и две контактные области, причем в активной области сформированы слои повышенной концентрации примеси. Эти слои приводят к частичной релаксации на них домена сильного поля. 1 j.n. ф-лы.