Нестійкості струму в gaas з ударною іонізацією та тунельними ефектами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені В.Н. КАРАЗІНА

Боцула Олег Вікторович

УДК 621.382.2, 576.8.21

НЕСТІЙКОСТІ СТРУМУ В GaAs З УДАРНОЮ ІОНІЗАЦІЄЮ ТА ТУНЕЛЬНИМИ ЕФЕКТАМИ

01.04. 04 - фізична електроніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків 2007



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор Прохоров Едуард Дмитрович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, професор кафедри фізичної і біомедичної електроніки та комплексних інформаційних технологій.

Офіційні опоненти:

чл.-кор. НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Ваврів Дмитро Михайлович Радіоастрономічний інститут НАН України, м. Харків, завідувач відділу електронних НВЧ приладів;

доктор фізико-математичних наук, професор Карась В'ячеслав Ігнатович, ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут”, Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорення, м. Харків, начальник теоретичної лабораторії.

Захист відбудеться “_25 ” __січня___2008 р. о _1530__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 64.051.02 Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи 4.

Автореферат розісланий “_17_ ” __грудня_______2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.Ф. Ляховський



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В наш час існує необхідність в ефективних активних елементах для використання в техніці високих частот для генерації, модуляції, управління процесами, що за своїми параметрами та характеристиками переважали б існуючі активні елементи. Пошук можливостей підвищення ефективності, розширення частотного діапазону та функціональності йде як у напрямку створення елементів, що працюють на нових явищах та ефектах, так і у напрямку використання традиційних ефектів та покращення параметрів існуючих приладів, що стало можливим завдяки досягненням в області технології виготовлення напівпровідникових структур, результатам фундаментальних досліджень про будову і властивості напівпровідникових матеріалів, що були отримані в останні роки.

Одним з ефектів, що найбільш широко використовується для створення приладів НВЧ діапазону, є ефект міждолинного переносу електронів (МПЕ). Граничні частоти роботи, ефективність та функціональність приладів з МПЕ можуть бути суттєво розширені при сполученні ефекту міждолинного переносу електронів (МПЕ) з ударною іонізацією та тунельними явищами при використанні складних структур, в яких ці ефекти можуть існувати одночасно. Для створення приладів з регульованими параметрами може знайти застосування ударна іонізація, оскільки властивості області напівпровідника, у якій вона виникає, можуть значно змінюватися. Стосовно приладів із МПЕ, то цікавим є випадок використання ударної іонізації домішок, оскільки це дозволяє змінювати параметри напівпровідника в широких межах без зміни типу провідності, що особливо важливо для роботи НВЧ - генераторів. Незважаючи на те, що дана проблема не є новою, практично мало вивченим залишається випадок такої нейтральної глибокої домішки як, наприклад, хром в GaAs. Ефекти, пов'язані з легуванням хромом, на відміну від багатьох інших випадків в GaAs проявляються при кімнатних температурах і при тих же параметрах, що й ефекти, пов'язані з МПЕ, що призводить до необхідності їх комплексного розгляду.

По зроблених теоретичних оцінках і отриманих на сьогоднішній день результатах напівпровідникові структури з тунельними ефектами здатні працювати на частотах терагерцового діапазону при кімнатній температурі. Структура на основі тунелювання може бути джерелом високоенергетичних електронів і може бути використана для розігріву електронів у діодах із МПЕ. На цей час робота діодів із МПЕ з тунельними контактами вивчена недостатньо. Залишилося поза увагою і питання взаємного впливу тунельного катоду і активної області та можливість одержання генерації в такій системі як за рахунок МПЕ, так і за рахунок негативної диференціальної провідності (НДП) тунельного переходу. Сполучення різних механізмів утворення НДП в одному приладі дозволило б розширити частотний діапазон роботи активних елементів. На сьогоднішній день проаналізована робота таких структур тільки з однорідними за принципом роботи елементами, не визначені умови, при яких вони можуть одночасно виконувати свої функції, працюючи в одному колі або як елементи одного приладу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі напівпровідникової і вакуумної електроніки радіофізичного факультету Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. Вона є частиною таких проектів;

науково - дослідна робота “ Дослідження генераторів мм - діапазону на основі твердотілих елементів”, номер держреєстрації 0197U015772.

науково - дослідна робота “Твердотілі активні елементи для генерації в короткохвильовій частині мм - діапазону”, номер держреєстрації 0197U015761;

науково - дослідна робота “Нові твердотілі активні елементи для генерації в мм - діапазоні”, номер держреєстрації 0100U003360;

науково - дослідна робота “Резонансно- тунельні явища в приладах із МПЕ мм - діапазону ”, номер держреєстрації 0103U004241;

науково - дослідна робота “Резонансно- тунельні та лавинні явища в приладах з міждолинним переносом електронів міліметрового діапазону на основі напівпровідників А3B5 (GaAs, GaN, InN, AlN)”, номер держреєстрації 0106U001566.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є пошук можливостей збільшення ефективності генерації і розширення частотного діапазону діодів із МПЕ за рахунок використання тунельних явищ і ударної іонізації для створення нових активних та функціональних елементів.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати наступні задачі:

Одержати характеристики діодів з МПЕ при введенні в матеріал глибоких нейтральних центрів захоплення електронів.

Дослідити особливості виникнення та існування високочастотних нестійкостей струму при повній та частковій компенсації напівпровідника при введенні домішок, що створюють глибокі центри захоплення електронів.

Дослідити можливість помноження частоти при використанні діодів, що працюють на ефектах резонансного тунелювання електронів.

Дослідити можливість розширення частотного діапазону генерації за рахунок сумісної роботи діодів з МПЕ з тунельними та резонансно- тунельним ефектами. Встановити частотні можливості таких сполучень.

Дослідити характеристики діодів з тунельними та резонансно - тунельними катодами на основі гетеропереходів. Визначити умови одержання генерації в діодній структурі з резонансно - тунельним катодом як за рахунок МПЕ, так і за рахунок негативної диференціальної провідності контакту.

Об'єктом дослідження є процеси переносу зарядів в напівпровідниках при поєднанні ефекту МПЕ з ударною іонізацією та тунелюванням.

Предметом дослідження даної дисертації є нестійкості струму в діодах на основі арсеніду галію, що містить глибокі центри захоплення, резонансно - тунельних діодах та діодах з тунельними і резонансно - тунельними контактами.

Метод дослідження. Використання інтегро-інтерполяційного методу Тихонова і Самарського та побудова на його основі кінцево - різницевої схеми, яка забезпечує стійкі розв'язки систем диференціальних рівнянь, що описують нестаціонарні кінетичні процеси переносу заряду при значних величинах концентрації носіїв заряду і електричного поля, методу лінеаризації та ітераційних методів для розв'язання систем нелінійних рівнянь, методу перетворення Фур'є для отримання спектральних характеристик і методу показників Ляпунова для визначення стохастичної поведінки динамічної системи.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Встановлено особливості електронних процесів в діодах на основі арсеніду галію, що містить нейтральні центри захоплення носіїв заряду та нестійкостей струму, що виникають в цих діодах в умовах МПЕ, ударної іонізації домішок та захоплення електронів в сильних електричних полях.

2. Вперше досліджено перехідні процеси для діодних структур на основі GaAs, що містить глибокі центри з однорідними та неоднорідними профілями легування, та отримано аналітичні вирази, що описують перехідний процес в умовах розвитку доменної нестійкості. Вивчена робота генераторів з діодами на основі арсеніду галію з глибокими рівнями з повним і частковим легуванням активної області домішками.

3. Вперше досліджено роботу діодних структур з міждолинним переносом електронів з активною областю, що ввімкнена послідовно з тунельним або резонансно - тунельним переходом. Отримані характеристики таких сполучень і показана можливість одержання декількох ділянок негативної диференціальної провідності і генерації на цих ділянках.

Проаналізовано імпедансні характеристики сполучень діодів та визначені граничні частоти і діапазони частот, у яких в структурі можна отримати генерацію, як за рахунок міждолинного переносу, так і за рахунок негативної диференціальної провідності тунельного( резонансно- тунельного) переходу. Зроблені оцінки ефективності їхньої роботи.

4. Запропоновано моделі, що дозволяють аналізувати роботу діодів з тунельними контактами, визначати ефективність генерації та врахувати вплив просторового заряду на генерацію діодної структури в умовах МПЕ та тунелювання.

5. Вперше показано можливість створення умов, при яких можна одержати генерацію в діоді з резонансно-тунельним катодом як за рахунок МПЕ, так і за рахунок резонансного тунелювання. Отримано основні характеристики структур, а також визначені ефективності генерації таких структур.

Практичне значення отриманих результатів. Результати, отримані в дисертації, встановлюють нові особливості роботи як діодів із глибокими рівнями захоплення, так і діодів з тунельними катодними контактами. Вони будуть корисними при створенні нових ефективних генераторів та помножувачів частоти, що можуть працювати на частотах міліметрового діапазону.

Результати дослідження діодів на компенсованому GaAs і генераторів на їхній основі можна застосувати при розробці генераторів, параметри яких можна регулювати, функціональних елементів різного призначення, помножувачів частоти та нелінійних елементів.

Отримані при дослідженні контактів співвідношення параметрів можуть бути використані як рекомендації при практичній реалізації описаних контактів.

Особистий внесок здобувача. Здобувач брав участь у визначенні кола задач, які були розв'язані в дисертації, і виконував всі теоретичні й числові розрахунки. Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

[1,19] - проведення числових розрахунків, отримання аналітичних виразів, визначення умов виникнення періодичних та стохастичних коливань, розрахунок спектральних та енергетичних характеристик, побудова біфуркаційних діаграм; [2] - розробка програмного забезпечення, числові розрахунки; [3, 20-22] -розробка методики розрахунку та числове моделювання, аналіз результатів; [4] проведення числових розрахунків, побудова біфуркаційних діаграм; [7] - проведення розрахунків, аналіз результатів; [5,6,23] - розробка програмного забезпечення, аналіз результатів; [11-14] розробка програмного забезпечення, проведення розрахунків; [9,10,15,25] розробка методики аналізу та програмного забезпечення, проведення розрахунків; [16,26] визначення частотних та енергетичних характеристик, аналіз результатів; [17] розвиток ідеї, запропонованої в попередніх роботах здобувача з використанням методики розрахунку тунельних катодів, проведення розрахунків; [27] розробка моделі для розв'язання задачі електронного транспорту в структурі з тунельним контактом із врахуванням об'ємного заряду, розробка програмного забезпечення, розрахунок вольтамперних та енергетичних характеристик діодів.

Апробація результатів дисертації. Результати, які ввійшли в дисертацію, доповідалися і обговорювалися на наукових конференціях:

3-му, 4-му, 5-му і 6-му міжнародних Харківських симпозіумах “ Physics and engineering millimeter and submillimeter waves ” (Харків, Україна, 1998, 2001, 2004,2007);

6 - й ,7 - й та 14 - й міжнародних Кримський конференціях “ СВЧ- техника и телекоммуникационные технологиии ” (Севастополь, Україна, 1998,1999,2005);

1 -му Міжнародному форумі “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы” (МРФ-2002);

10- й Ювілейній науковій конференції ”Теория и техника передачи, приема и обработки информации”.- Туапсе(Россия). 2004.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 27 працях, зокрема в 17 статтях у професійних національних та міжнародних наукових журналах і в 10 тезах доповідей і збірниках праць наукових конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, виcновків та списку використаних літературних джерел з 124 найменуваннями. Вона викладена на 184 сторінках машинописного тексту й має 83 ілюстрації, які не займають окремих сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано мета й завдання досліджень, викладена наукова новизна отриманих результатів і їхнє практичне значення, а також описана структура дисертації.

Перший розділ присвячений огляду літератури та визначенню місця дослідженням, які проводилися, у колі існуючих проблем радіофізики.

У другому розділі “Нестійкості струму в діодах з глибокими центрами захоплення” розглянуті електричні властивості і нестійкості струму в GaAs, легованому хромом. Аналізується GaAs при однорідному легуванні донорами та хромом в умовах сильної компенсації. Передбачалося, що хром в GaAs може перебувати у двох станах, яким відповідають два глибоких рівні в забороненій зоні GaAs, що розташовані відповідно на 0,6 і 0,8 еВ від дна зони провідності. Оскільки основна частина хрому перебуває в одному зі станів, то розглядаються два випадки, коли присутній один з рівнів( основний стан хрому) та присутні два рівні (другий рівень являє собою комплекс хрому з іонізованим донором) з метою визначення ролі другого рівня у формуванні нестійкостей струму.

Основними механізмами перезаряджання рівнів вважалися захоплення електронів із зони провідності та ударна (дрейфове наближення) i теплова іонізації. Електричне поле уздовж діода залишається однорідним і змінюється в часі у результаті релаксації, що виникає за рахунок зміни концентрації вільних носіїв заряду.

Отримані за допомогою описаної моделі ВАХ діода демонструють безперервне зростання струму з підвищенням напруги на діоді, обумовлене підвищенням концентрації носіїв заряду й відповідають отриманим експериментально характеристикам (рис.1).

Проаналізовано вплив параметрів легування на ВАХ і показано, що хоча граничне значення росту струму перебуває в межах граничного значення ефекту МПЕ, вольтамперні характеристики розглянутих структур не мають ділянок з негативною диференціальною провідністю. Виник-нення коливань струму збігається по напрузі з початком зростання струму і в моделі з одним рівнем нестійкості струму виникають практично завжди.

Встановлено залежність параметрів коливань від властивостей напівпровідника.

Дослідження показали, що можливе виникнення стохастичних коливань струму як в моделі з одним рівнем, так і в моделі із двома рівнями. В моделі з одним рівнем стохастична нестійкість може виникнути, якщо зовнішні параметри змінюються в часі. Проаналізований вплив зовнішньої напруги й отримані біфуркаційні діаграми. Перехід від періодичних коливань до хаотичних відбувається за різними схемами залежно від параметрів зовнішнього кола, але переважає схема переходу через біфуркації подвоєння частоти. У системі з двома рівнями вирішальним фактором, як показують дослідження, є перерозподіл електронів між рівнями. Механізм виникнення періодичних коливань такий же, як і в однорівневій моделі. Стохастичні коливання виникають при відповідному перерозподілі електронів між рівнями, відмінному від розподілу при термодинамічній рівновазі. Приводяться спектри коливань і аналізується вплив на них зовнішніх і внутрішніх параметрів. Зміна в часі зовнішніх параметрів у моделі із двома рівнями може привести до зникнення стохастичної нестійкості та переходу до періодичних коливань. Таким чином, згадані вище ефекти виникають на границі виникнення високочастотних коливань також пов'язаних із МПЕ, що впливає на розвиток високочастотних нестійкостей струму.

Розглядаються неоднорідні структури з однорідним та неоднорідним профілем легуванням хромом в умовах повної або часткової компенсації. При цьому розглянуто присутність одного центра захоплення, пов'язаного із хромом, що впливає на провідність напівпровідника. Моделюються явища переносу електронів в умовах неоднорідного розподілу концентрації, електричного поля та ударної іонізації шляхом розв'язку системи рівнянь:

(1)

; (2)

.(3)

електрон напівпровідник струм

Побудовано чисельну модель, що дозволяє аналізувати високочастотні процеси в діодах в широкому діапазоні довжин розглянутих структур, рівнів легування і градієнтів концентрацій та одержувати стійкі рішення рівнянь переносу.

Отримані ВАХ структур. Як показали дослідження, при високому рівні компенсації розвиток нестійкостей струму відбувається за рахунок динамічної негативної диференціальної провідності. Досліджується фізична картина виникнення нестійкості струму та її зв'язок з легуванням домішками, які створюють глибокі рівні. Границі виникнення нестійкостей визначаються процесом ударної іонізації, розвиток якої залежить від профілю легування і ступеня компенсації. Показано, що критерії виникнення нестійкостей в діодах з компенсацією близькі до критеріїв виникнення нестійкостей у звичайних діодах із МПЕ. Детально досліджуються перехідні процеси встановлення коливань для діодів з різним ступенем компенсації, профілем легування та довжиною активної області. Процеси розглядаються за проміжок часу, що перевищує характерний час захоплення електронів на глибокі центри. Відзначається наявність двох етапів розвитку перехідних процесів: у статичних електричних полях при низьких концентраціях та за рахунок поширення доменів сильного поля (рис.2). Для останнього етапу на основі аналітичної теорії поширення доменів знаходяться вирази для залежності концентрації електронів в зоні провідності від часу та оцінюється протяжність в часі перехідного процесу.

Постійна часу встановлення коливань

Розглянуто роботу генераторів на основі діодів з арсеніду галію, легованого хромом з довжиною активної області 8-10 мкм. Аналізуються форми струму, їхня залежність від профілю легування, вплив структури діода. Аналізуються структури та з повним або частковим легуванням активної області домішкою із глибокими рівнями, а також діод з неоднорідністю біля катоду, що створюється за рахунок компенсації. Для останньої структури аналізується вплив довжини й ступеня компенсації області. Показано, що введенням хрому можна істотно змінювати форми струму й тим самим використати структури для генерації на гармоніках. Приводяться залежності ККД генерації розглянутих структур від напруги зміщення та ступеня компенсації.

У третьому розділі дисертації “ Використання тунельних явищ для розширення частотного діапазону роботи діодів з МПЕ” розглянуті різні аспекти використання тунельних явищ для освоєння короткохвильової частини міліметрового діапазону.

Представлені результати дослідження можливості помноження частоти на резонансно - тунельних діодах (РТД) на основі гетеропереходів AlAs/GaAs, In0.53Ga0.47As/AlAs, InAs/AlAs/GaSb та ін. Приводяться розрахунки коефіцієнтів перетворення частоти ( КПЧ) для перших шести гармонік струму. Показано, що КПЧ РТД із ВАХ близькими до експериментальних становить 10-15% на 2-5 гармоніках для In0.53Ga0.47As/AlAs і до 20-30% на тих же гармоніках для InAs/AlAs/GaSb, що дозволяє одержати коливання в короткохвильовій частині міліметрового діапазону.

Розглядається робота діодних структур, які являють собою послідовне сполучення двох різнорідних по механізму провідності областей (рис.3): одна з яких є активною областю на основі GaAs, а інша - резонансно - тунельною структурою (РТС) (рис. 3. а) або тунельним переходом (рис. 3. б) зміщеним у зворотньому напрямку. В кожній із розглянутих структур активна область відокремлена шарами сильного легування. Це зменшує вплив електронних процесів, що відбуваються в сусідніх областях на умови формування і розвиток в ній нестійкостей струму, що виникають за рахунок ефекту міждолиного переносу електронів і дозволяє змінювати в широких межах параметри обох областей. Статичні характеристики отриманих структур визначаються як характеристиками їх складових, так і співвідношеннями між ними. В результаті можна отримувати структури, що мають декілька ділянок з негативною диференціальною провідністю. Відповідно структура з тунельним переходом може мати до двох ділянок НДП, одна з яких формується за рахунок ефекту МПЕ, а друга - за рахунок тунелювання. Кількість ділянок з НДП в структурі з РТС визначається числом енергетичних рівнів в квантовій ямі РТС і для розглянутих одно та двохрівневих РТС може складати від одної до трьох ділянок.

Аналізуються умови формування результуючих ВАХ таких структур в залежності від співвідношення струмів у максимумах окремих її складових і обґрунтовується вибір параметрів активної області та тунельних переходів. Розглядаються різні режими роботи структур (доменний та режим з обмеженням накопичення об'ємного заряду). Вольтамперні характеристики структур в доменному режимі можуть мати ділянки неоднозначності по струму, що приводить до необхідності скорочення довжин активної області до 1- 3 мкм.

Показана можливість одержання генерації як за рахунок ефекту МПЕ, так і за рахунок негативної диференціальної провідності РТС або тунельного діода. Наявність значних ємностей тунельних структур, власної ємності активної області при існуванні в ній домена сильного поля та опорів втрат обмежує частотний діапазон використання розглянутих структур. Для визначення частотних діапазонів роботи на окремих ділянках НДП та отримання генерації на декількох ділянках НДП аналізуються імпедансні характеристики структур в залежності від співвідношення электрофізичних параметрів окримих складових. Показано, що граничні частоти генерації при типових параметрах РТС та тунельного переходу можуть досягати кількох сотень гігагерц. Діапазон частот, в якому можлива робота структури як на ділянці, що сформована за рахунок МПЕ, так і на ділянці, що виникає за рахунок тунелювання, визначається шунтуючими властивостями тунельних переходів і становить для структури РТС InGaAs/AlAs в режимі ОНОЗ - 50…100 ГГц, для структури з тунельним переходом в доменному режимі - 0 …40 ГГц.

У визначених діапазонах змінюючи напругу зміщення можна переходити від однієї ділянки до іншої та отримати генерацію на частотах не кратних пролітній.

У четвертому розділі дисертації “ Тунельні катоди” проводиться аналіз роботи діодів з тунельними і резонансно - тунельним катодами на основі структур та .

Розглядаються діоди з тунельною( резонансно - тунельною) структурою в якості катодного контакту та активною областю на основі арсеніду галію з довжиною, що дозволяє генерацію високочастотних коливань за рахунок ефекту МПЕ (рис. 4)

Призначення таких контактів - інжекція в активну область гарячих електронів з метою скорочення області початкового розігріву електронів та підвищення ефективності генерації за рахунок додаткової модуляції провідності активної області.

В розглянутих структурах довжина області сильного легування , що розділяє активну область та катод задовільняє умові , де - довжина вільного пробігу електрону, - довжина Дебая. В цих умовах електронні процеси в активній області визначаються параметрами катодного контакту.

Аналізується робота структур з довжинами активної області 1,5…5 мкм.

Для діодів з довжиною активної області 5 мкм характерною рисою є існування доменного режиму роботи, причому для діода з тунельним катодом характер нестійкостей визначається товщиною енергетичного бар'єру.

Показано можливість генерації високочастотних коливань діодами з таким контактами. Отримана ефективність генерації порівнюється з ефективністю генерації діодів з відомими ефективними катодними контактами, що були розраховані за єдиною методикою.

При використанні контакту та довжини активної області 5 мкм ефективність генерації виявляється вищою, ніж у діода з засічкою біля катоду з такою ж довжиною активної області, і становить 14 % на частоті 20 ГГц.

Враховуючи нелінійність вольтамперних характеристик резонансно - тунельного катоду, він може використовуватися в якості ефективного контакту до діода з МПЕ лише за умови, що струм, що протікає через нього, достатній для підтримання існування нестійкості. Це відповідає роботі контакту в режимі надбар'ерної інжекції.

Особливості використання діодів з резонансно - тунельним катодами проявляються при скороченні активної області. Показано, що в залежності від типу катодного контакту і співвідношення параметрів активної області і контакту є можливість одержання діодної структури з однією, двома або трьома зонами генерації по кількості максимумів на результуючій ВАХ. Це означає, що використовуючи таку структуру, можна отримати генерацію в широкому діапазоні частот, оскільки частота генерації за рахунок катода визначається резонатором і може бути відмінною від пролітної частоти.

Розроблена модель для розрахунку діода з резонансно - тунельним катодом на основі з урахуванням просторового заряду в областях, що прилягають до катоду. Показано, що на вольтамперній характеристиці такої структури можуть існувати дві ділянки НДП і пов'язані з ними зони генерації - за рахунок МПЕ і за рахунок НДП катодного контакту (рис.5) Вид характеристик і величина НДП залежать від ступеня легування як катодної, так і активної областей. Визначено оптимальні профілі розподілу домішок, при яких можлива генерація як за рахунок МПЕ так і за рахунок НДП катодного контатку. Показано, що генерація за рахунок НДП катоду обмежена шунтуючими властивостями тунельного контакту й для діода з довжиною активной області ~ 1 мкм гранична частота генерації становлять десятки гігагерц.

У висновках сформульовані основні результати, отримані в дисертаційній роботі.



ВИСНОВКИ

У дисертації наведені результати дослідження нестійкостей струму, що виникають в діодах з МПЕ на основі арсеніду галію в сильних електричних полях при існуванні в ньому нейтральних компенсуючих центрів і нестійкостей струму в діодах з міждолинним переносом електронів і ефектами тунелювання та резонансного тунелювання. Використання компенсованого матеріалу дозволяє створити діоди з керованими характеристиками та генератори на їх основі. Розширення частотного діапазону можливе за рахунок поєднання діодів з негативною диференціальною провідністю на основі ефекту міждолинного переносу, тунельних явищ та помноження частоти. Використання тунельних катодів дозволяє скоротити в діоді величину області початкового розігріву електронів та підвищити ефективність його роботи.

1. Встановлено, що низькочастотні нестійкості струму в арсеніді галію в умовах захоплення носіїв заряду на глибокі рівні при наявності системи із двох рівнів можуть мати стохастичний характер при відхиленні в початковому заповненні рівнів від термодинамічно рівноважного більш ніж на два порядки і спостерігаються в обмеженому діапазоні зміни параметрів напівпровідника й зовнішнього кола. Ширина спектра коливань зростає з ростом концентрації хрому і зі зменшенням величини навантажувального опору. Показано, що при модуляції напруги, характерної для неоднорідного розподілу параметрів, відсутні жорсткі обмеження для виникнення стохастичної нестійкості.

2. Показано, що в умовах повної або часткової компенсації донорів при наявності глибоких центрів захоплення в діодах на основі GaAs можливе виникнення високочастотних нестійкостей струму, пов'язаних з розвитком ударної іонізації. Особливістю розвитку нестійкості є зменшення статичної НДП структури і наявність тривалого перехідного процесу, що відбувається у два етапи, пов'язаних з іонізацією в статичних електричних полях і рухомими доменами сильного поля. Показано, що в другому випадку перехідний процес може бути описаний у рамках теорії стабільних доменів. Ефективність високочастотної генерації нижче, ніж у діодах без глибоких рівнів, а положення її максимумів по напрузі залежить від ступеня компенсації. Використання неоднорідного розподілу глибокої домішки по довжині діода дозволяє керувати електричним полем на контакті та виконувати функцію аналогічну неоднорідному профілю легування. Відмінності обумовлені наявністю зв'язаного заряду, що забезпечує низьку концентрацію вільних електронів в області слабкого поля і призводить до значної залежності форми коливань струму від параметрів легування.

3. Показано можливість розширення частотного діапазону роботи діодів за рахунок помноження частоти, а також при використанні зв'язки діодів з НДП, що формуються тунелюванням та міждолинним переносом електронів.

При відсутності напруги зміщення на РТД найбільший КПЧ спостерігається при виділенні сигналу на непарних, а при наявності напруги на парних гармоніках і отриманий для двохрівневого РТД AlAs/GaAs. КПЧ РТД із ВАХ близькими до експериментальних становить 10-15% на 2…5 гармоніках для In0.53Ga0.47As/AlAs і до 20-30% на тих же гармоніках для InAs/AlAs/GaSb.

4. Визначені умови отримання генерації в з'єднанні діодів з різними механізмами формування НДП - за рахунок МПЕ та тунелювання. Показано, що в залежності від співвідношень струмів у максимумах ВАХ окремих діодів їх спільна ВАХ може мати від однієї до трьох ділянок НДП ( при використанні РТД із двома енергетичними рівнями у квантовій ямі, які можуть бути використані для генерації). Для одержання генерації за рахунок резонансного тунелювання необхідно забезпечити близькість граничної напруги діода із МПЕ до напруги, що відповідає максимальному струму через РТД, що для більшості відомих РТД відповідає довжинам активної області меншим ніж 1 мкм, для РТД на основі меншій ніж 2,5 мкм. Ширина області генерації по напрузі залежить від положення максимуму НДП, а величина ефективності близька до ефективності генерації діода із МПЕ. Генерація за рахунок резонансного тунелювання можлива на частотах, відмінних від пролітної частоти, і з'єднання діодів може працювати у двоконтурному резонаторі на частотах не кратних пролітній частоті, що дає можливість створити двохчастотний генератор з некратними частотами з перебудовою частоти в широких межах. Діапазон частот, на яких можлива спільна робота з'єднання діодів, обмежений параметрами діодів і сполученням діодів. Активна складова імпедансу діода негативна при виконанні умови , що для з'єднання РТД InGaAs/AlAs і діода з ОНОЗ відповідає діапазону від 50 до 100 ГГц, для сполучення тунельний діод - діод Ганна - діапазону від 0 до 40 ГГц.

6. Використання контакту дозволяє одержувати досить високі значення ККД генерації, що перевищують ККД діодів з - контактом.

При використанні резонансно - тунельного катоду можна створити структуру, в якій можлива генерація як за рахунок резонансно - тунельного ефекту, так і за рахунок МПЕ при відповідному виборі співвідношення площі контакту й активної області приладу, а також профілю легування діода. Найкращі результати дає використання градієнтного профілю при збільшенні концентрації від катоду до аноду при оптимізації градієнта легування. Граничні частоти генерації за рахунок резонансно - тунельних ефектів не перевищують декількох десятків гігагерц, що збігається зі значеннями, отриманим при аналізі з'єднання резонансно - тунельний діод - діод Ганна.



ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Botsula O. V., Prokhorov E. D, Analysis of stochastic current oscillasion in GaAs:Cr based diodes // Telecommunicaition and Radio Engineering.- 1998.- Vol.52, №1.- P. 90-96.

2. Botsula O. V., Prokhorov E. D// Conductivity modulation of GaAs-Cr diodes// Functional matertials.- 1997.- Vol. 4, № 1.-P. 51-55.

3. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Неустойчивость тока в GasAs в условиях захвата электронов на ловушки// Доклады НАН Украины.- 1998.- №1.- C. 107-112.

4. Botsula O. V., Prokhorov E. D, Externaly stimulation stochastic curent oscillations in GaAs diodes// Telecommunicaition and Radio Engineering.- 1997.- Vol.51, №1.- P. 146-148.

5. Botsula O. V., Prokhorov E. D., Medvedev V.V. Application of resonant-tunneling for frequencies multiplication at millimeter wave length// Telecommunicaition and Radio Engineering.- 2002.- Vol.57, №1.- P. 62-67.

6. Боцула О.В, Прохоров Э.Д., Медведев В.В Энергетические характеристики генераторов на РТД AlGaAs\GaAs // Вестник Харьковского университета. Радиофизика и электроника.- 1999.- № 427. - C. 108-111.

7. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Некоторые особенности работы диодов Ганна на основе GaAs с глубокими уровнями // Вестник Харьковского университета. Радиофизика и электроника.- 2000.- № 467. - C. 90-92.

8. Боцула О.В. К расчету переходных процессов в компенсированном арсениде галлия в условиях высокочастоной доменной неустойчивости // Вестник Харьковского университета им. В.Н. Каразина. Радиофизика и электроника.-2001.- № 513. - C. 58-61.

9. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Эффективность работы диода Ганна с n+GaAs - Al0,2Ga0,8As - n+ GaAs катодом // Вестник Харьковского университета им. В.Н. Каразина. Радиофизика и электроника. - 2002. - № 544. - C. 159-161.

10. Botsula O. V., Prokhorov E. D. Tunnel n+-D-n+ cathode for Gunn diodes// Telecommunicaition and Radio Engineering.- 2002.-Vol.58, №7-8.- P. 107-114.

11. Боцула О.В, Прохоров Э.Д., Стороженко И.П. О совместной работе резонансно-туннельного диода и диода с междолинным переносом электронов // Вестник Харьковского университета им. В.Н. Каразина. Радиофизика и электроника.- 2002.-№570.- С. 88-91.

12. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Особенности совместной работы резонансно-туннельного диода и диода Ганна // Радиофизика и электроника.- Харьков: Ин- т радиофизики и электроники НАН Украины. - 2002.- T.7, №3.- C. 527-531.

13. Botsula O. V., Prokhorov E. D. Joint operation of two-level resonant tunneling and Gunn diodes// Telecommunicaition and Radio Engineering.- 2003.- Vol.60, №5-6.- P. 140-147.

14. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Совместная работа диода Ганна и туннельного диода // Вестник Харьковского университета им. В.Н. Каразина. Радиофизика и электроника.-2004.-№ 622.- C.7-12.

15. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Резонансно-туннельный диод с туннельным анодом // Доклады НАН Украины. Физика.- 2004.- № 6.- C. 47-52.

16. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Импедансные характеристики совместной работы диодов с ОДП // Радиофизика и электроника.- Харьков: Ин- т радиофизики и электроники НАН Украины.- 2004.-T.9, № 1.- C. 282- 289

17. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. К вопросу моделирования полупроводниковых структур с туннельными контактами // Вестник Харьковского университета им. В.Н. Каразина. Радиофизика и электроника.- 2006.- №712. - C.119-122.

18. Боцула О.В., Прохоров Э.Д. Медведев В. В. Калмыкова Л.И.Модуляция СВЧ излучения диодами на основе GasAs-Cr// Материалы 6 - й Крымской Междунар. конф. “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо 1996) .- Севастополь( Украина).- 1996.- C. 328-330.

19. Боцула О.В., Прохоров Э.Д. Моделирование стохастических колебаний тока в диодах на GaAs-Cr. // Материалы 6 - ой Крымской Междунар. конф. “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо 1996) .- Севастополь( Украина).- 1996. - C. 331-333.

20. Боцула О.В., Прохоров Э.Д. Диоды Ганна на основе компенсированного GaAs // Материалы 7 - ой Крымской Междунар. конф. “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо 1996) .- Севастополь( Украина).- 1997.- C. 352-353.

21. Боцула О.В, Прохоров Э.Д., Полянский Н.Е. Энергетические характеристики СВЧ генераторов с диодами на основе компенсированного GaAs // Материалы 7 - ой Крымской Междунар. конф. “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо 1996) .- Севастополь( Украина).- 1997. - C. 350-351.

22. Botsula O. V., Prokhorov E. D Compensented GaAs diodes oscillator // Proc. 3 International symposium - Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves(MSMW 98).- Kharkov(Ukraine).- 1998.- Vol.1. - P. 161-162.

23. Botsula O. V., Prokhorov E D Medvedev V.V. Frequency multiplying in mm-range on resonance-tunneling diodes // Proc. 4 International symposium - Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves(MSMW 01).- Kharkov(Ukraine).- 2001.- Vol.2.- P. 783-784.

24. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Энергетические характеристики диода Ганна СВЧ диапазона с туннельным катодом // Сб. научн.трудов 1 - ого Международного Радиоэлектронного Форума “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы” (МРФ-2002).- Харьков( Украина) .- 2002.- C. 423-425.

25. Botsula O. V., Prokhorov E D. Storozhenko I.P. Simulation short TED with resonance tunneling cathode // Proc. 4 International symposium - Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves(MSMW 04).- Kharkov(Ukraine). - 2004.- Vol.2. - P. 549-541.

26. Боцула О.В, Дядченко А.В., Прохоров Э.Д. Диод Ганна с туннельным анодом// Тез. докладов 10 -ой Юбилейной научной конфер. ”Теория и техника передачи, приема и обработки информации”.- Туапсе (Россия).- 2004.- C.329-330.

27. Botsula O. V., A.V., Prokhorov E. D.,Storozhenko I.P Oscillation efficiency of the diodes with cathode Al0,3Ga0,7As/GaAs Proc. 5 International symposium - Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves(MSMW 04).- Kharkov(Ukraine). - 2007.- Vol.2.- P. 629-631.



АНОТАЦІЯ

Боцула О.В. Неустійкості струму в GaAs з ударною іонізацією та тунельними ефектами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Харків, 2007.

Досліджено особливості роботи діодів на основі арсеніду галію, що містить нейтральні центри захоплення носіїв заряду та нестійкості струму, що виникають в цих діодах в умовах міждолинного переносу електронів, ударної іонізації домішок та захоплення електронів в сильних електричних полях. Вивчена робота генераторів на основі цих діодів та перехідні процеси, що відбуваються в них при різних профілях легування.

Розглянуто спільну роботу діодів з міждолинним переносом електронів та діодів з негативною диференціальною провідністю, що зумовлена тунельними ефектами та встановлені особливості їх використання для отримання генерації в широкому діапазоні частот. Розглянуто можливості помноження частоти з використанням тунельних явищ.

Досліджена робота діодів з міждолинним переносом електронів з тунельним та резонансно - тунельними контактами. Визначені умови отримання генерації в діоді з резонансно - тунельним контактом як за рахунок ефекту міждолинного переносу електронів, так і за рахунок негативної диференціальної провідності контакту.

Ключові слова: арсенід галію, нестійкість струму, ударна іонізація, диференціальна провідність, тунелювання, резонансне тунелювання.



АННОТАЦИЯ

Боцула О.В. Неустойчивости тока в GaAs с ударной ионизацией и туннельными эффектами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 - физическая электроника. - Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена изучению неустойчивостей тока в диодах на основе тока в GaAs в присутствии центров захвата, созданию новых функциональных элементов с использованием эффекта междолинного переноса электронов (МПЭ) и туннельных явлений, а также повышению эффективности генерации диодов с МПЭ.

Установлены соотношения электрофизических параметров диода и параметров внешней цепи при которых возникает стохастическая неустойчивость для системы с одним и двумя уровней захвата Исследованы процессы возникновения высокочастотной неустойчивости тока в GaAs с нейтральными центрами захвата и изучено их влияние на статические и динамические характеристики прибора. Показано, что в таких структурах генерация возникает за счет МПЭ при наличии динамической отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) диода при наличии ударной ионизации носителей и сопровождается длительным переходным процессом. Исследовано влияние параметров легирования на длительность переходного процесса, а также получены аналитические выражения для переходного процесса в условиях развития доменной неустойчивости. Определена эффективность генераторов на основе GaAs с глубоким уровнями с полным и частичным легированием активной области хромом в зависимости от напряжения и уровня компенсации.

Рассматривается умножение частоты с использованием резонансно-туннельных диодов. Показана возможность получения колебаний в коротковолновой части миллиметрового диапазона.

Исследована совместная работа диодов с МПЭ и диодов с отрицательной дифференциальной проводимостью обусловленной туннельными эффектами. Определены условия, при которых вольтамперные характеристики связки диодов могут иметь несколько участков ОДП и особености их формирования. Показано, что при работе в одном резонаторе использование связок приводит к расширению частотного диапазона и возможности перестройки частоты. Проводится анализ импедансных харатеристик. Определены параметры, при которых диоды могут работать в одной резонансной системе, частотные диапазоны работы, а также сделаны оценки эффективности генерации.

Предложены модели, описывающие работу диода с МПЭ с туннельными катодами. В рамках этих моделей проанализирована работа диодов с туннельными и резонансно - туннельными катодами (РТК). Показано, что эффективность туннельного катода может быть выше, чем у известных катодных контактов. Диод с РТК может иметь от одного до трех участков ОДП. Определены параметры диодной структуры, при которых возможно получение генерации как за счет МПЭ так и за счет ОДП катодного контакта. Для диодов с РТК n+GaAs - Al0,2Ga0,8As - n+GaAs исследовано влияние пространственного заряда вблизи туннельного перехода на характеристики диодной структуры и определены оптимальные параметры РТК и активной области обеспечивающие получение генерации на обоих участках ОДП диода. Определены эффективность генерации и частотный диапазон работы.

Ключевые слова: арсенид галлия, неустойчивость тока, ударная ионизация, дифференциальная проводимость, эффективность генерации, туннелирование, резонансное туннелирование.



АBSTRACT

Botsula O.V. Current instability in GaAs diodes with impact ionization and tunnel effects.- Manuscript.

Thesis for candidate degree in physics and mathematics оn specialty: 01.04.04 -physical electronics. Khakiv V.N. Karazin National University, Kharkiv, 2007.

The operation particulars of GaAs diodes with neutral trap centrers and current instability arising in this diodes due to electron - transfer effect, impact ionization and trapping of electron in strong electric fields have been investigated. The oscillation operation and transient in the GaAs diodes in presence of the capture centers for different doping profiles have been studied.

Joint operation of transfer electron devices and diodes with negative differential conductivity due to tunnel effects have been considered. Conditions for wide band frequency oscillation have been determined.

Frequency multiplication possibilities of using tunneling effects are considered.

Operation of diodes with tunnel and resonant - tunnel cathodes have been analyzed. Structures parameters at which reception of oscillation due to both transfer electron and cathode contact negative difference resistance are determined.

Key words: gallium arsenide, current instability, impact ionization, differential conductivity, tunneling, resonant tunneling.

Размещено на Allbest.ru

...