Генерація міліметрових хвиль варизонними структурами напівпровідників А3В5 з міждолинним переносом електронів

У підрозділі 5.4 вивчаються особливості роботи GaAs приладів з Al_xGa_1-xAs і In_xGa_1-xAs катодом при розігріві. Показано, що збільшення температури кристалічної решітки в приладах з обратнозміщеним In_xGa_1-xAs-GaAs катодом приводить до зростання оптимальної висоти бар'єра у гетероконтакті.

Однак відносна величина оптимального бар'єра /_bТ₀ залишається приблизно однаковою. Для приладів із прямозміщеним Al_xGa_1-xAs-GaAs гетеропереходом залежно від температури й концентрації донорів у катоді існують деякі особливості в зародженні дипольних доменів. При низькій температурі кристалічної решітки домени виникають завдяки взаємодії інжекції високоенергетичних електронів і зміні енергетичного зазору між долинами, а при високій тільки через велику заселеність електронами L долин в Al_xGa_1-xAs області, що приводить до збільшення спадання напруги на цій області.

Для кожної температури Т₀ існує оптимальне сполучення складу Al_xGa_1-xAs або In_xGa_1-xAs, а також концентрації донорів у катоді. Тому можливі такі режими роботи, коли при однаковому складі катода зі збільшенням температури вихідна потужність не зменшується. Отримані результати добре узгоджуються з наявними експериментальними даними [4], у яких відзначається підвищена стабільність безперервного режиму роботи GaAs приладів з Al_0,23Ga_0,77As катодом у діапазоні температур від 233 до 353 К.

У підрозділах 5.5 і 5.6 представлено нові можливості з поліпшення високочастотних характеристик приладів з гетеропереходами. У підрозділі 5.5 вивчено фізичні явища, пов'язані з МПЕ в приладах з двома активними областями на основі пар напівпровідників InP_1-xAs_x-In_0,4Ga_0,6As, In_xGa_1-xAs-GaAs і Al_xGa_1-xAs-GaAs з запірним (_m > _нп) і антизапірним (_m < _нп) металевим катодним контактом. Показано, що електронні процеси, які відбуваються у таких приладах, виділяються складністю й різноманіттям проявів.

У цілому можна виділити, що використання двох активних областей з близькими властивостями по МПЕ дозволяє збільшити ширину частотного діапазону роботи приладу, а в деяких випадках вихідну потужність.

При використанні пари напівпровідників зі значними розбіжностями характеристик V(E) нестійкості заряду виникають тільки в тій активній області, де є меншими пікові значення залежності V(E). У цьому випадку можлива дисипація дипольних доменів при переході з одного шару напівпровідника в інший, що може бути використане в субмікронних приладах в ролі анодного контакту. Даний ефект узгоджується з експериментальними даними [5].

У підрозділі 5.6 вивчається можливість збільшити частотну границю генерації ДГ при поєднанні ефекту МПЕ з модуляцією провідності активної області діода. Запропоновано прилад з індукованим каналом, що працює на ефекті МПЕ.

У власному GaAs за допомогою гетеропереходів із селективним легуванням утворюється канал провідності (активна область). У такому каналі можна модулювати концентрацію електронів і звести до мінімуму концентрацію іонізованих домішок, завдяки чому підвищується рухливість електронів.

Показано, що модуляція провідності індукованого каналу з відносною амплітудою 0,02 приводить до зростання оптимальної частоти генерації GaAs приладів (l_a=0,5 мкм) з 180 до 220 ГГц без зміни ККД. Модуляція провідності із затримкою фази на /4, навпаки, приводить до зростання ККД у більш ніж у 3 рази при незмінній оптимальній частоті.

Аналогічні результати отримано при модуляції провідності активної області біля катодного контакту, що може виникнути завдяки тунельній інжекції через вироджений p⁺⁺-n⁺⁺-перехід у катоді.

Показано, що коливання концентрації електронів в активній області біля катодного контакту без затримки по фазі приводять до підвищення оптимальної й граничної частоти генерації. Гранична робоча частота склала 330 ГГц при довжині активної області 0,4 мкм. Відставання інжекції по фазі на /2 приводить до зменшення оптимальної частоти, але збільшенню пікових значень ККД.

Шостий розділ “Прилади з резонансно-тунельним катодом” присвячений вивченню можливостей спільної роботи коротких приладів з МПЕ й резонансно-тунельного діода (РТД), виконаних в одному приладі. У даному розділі досліджувалися GaAs прилади з довжиною активної області 1,0 мкм і з GaAs-AlAs-GaAs-AlAs-GaAs двохбар'єрною квантовою структурою (ДБКС) у катоді.

Математична модель, яку отримано в підрозділі 6.1 і за допомогою якої досліджувалися прилади, враховує енергію протунельованих електронів в активній області, струм зсуву й інерційні явища.

Проведені дослідження спільної роботи ДГ і ДБКС у катоді дозволили виявити особливості, яких немає в традиційних ДГ і РТД. А саме, ВАХ досліджуваного приладу характеризується трьома ділянками НДП і в діапазоні частот 75125 ГГц прилад може мати три зони генерації коливань струму, що рознесені за напругою.

При малій напрузі на приладі генерація струму обумовлена резонансним тунелюванням (РТ) через перший енергетичний рівень у квантовій ямі, при середньому, відповідно, через другий і при високій напрузі ефектом МПЕ в n₀:GaAs активної області.

Якщо площі перерізу активної області приладу й резонансно-тунельного катода близькі за значенням (10^-6 см²), що є характерним для реальних приладів, то режими роботи на ефекті РТ відрізняються низькими значеннями вихідної потужності (0,2 мкВт) і ККД (0,04%) у порівнянні з режимом на ефекті МПЕ (1,2 мВт і 0,25 %). Розглядаються можливі шляхи підвищення робочих частот таких приладів. Одним з яких є використання варизонного напівпровідника в активній області.

ВИСНОВКИ

Дослідження, які лягли в основу дисертаційної роботи, присвячені проблемі генерації міліметрових і субміліметрових хвиль за допомогою приладів, що працюють на ефекті МПЕ. Основна проблема, що вирішена в дисертації, - це створення теорії варизонних ПМПЕ, що носила б узагальнюючий характер. Справа в тому, що теорія звичайних ДГ не застосовна до приладів з гетеропереходом, що мають перспективні високочастотні характеристики. Відсутність єдиної теорії призводила до суперечливих трактувань отриманих результатів і помилкових висновків. На основі проведених досліджень були сформульовані принципи роботи варизонних ПМПЕ, які дозволили розв'язати існуючі протиріччя й створити адекватну модель роботи приладів з гетеропереходом. Крім того, були виявлені принципово нові фізичні ефекти, пов'язані з ефектами МПЕ, резонансного тунелювання й модуляції провідності активної області або з їхньою взаємодією, які дозволяють збільшити вихідну потужність, ККД, діапазон робочих частот і граничну робочу частоту генераторів на ПМПЕ. Основні отримані результати зводяться до таких положень.

1. На виникнення хвиль просторового заряду в ПМПЕ на основі варизонних напівпровідників комплексно впливає координатна залежність багатьох електрофізичних параметрів напівпровідника. До найбільш впливовіших параметрів можна віднести енергетичний зазор між центральною долиною й найближчої до неї за енергією бічною долиною (z), енергію електронної спорідненості (z), ефективну масу електронів, постійну решітки, сплавний потенціал, концентрацію іонізованих і нейтральних домішок. Але визначальна роль у формуванні хвиль об'ємного заряду в приладах на основі варизонних напівпровідників належить функції координати енергетичного зазору між долинами. Установлено критерії виникнення у варизонних приладах різних типів хвиль об'ємного заряду - збагачених шарів і дипольних доменів.

2. У варизонних приладах виявлено і пояснено фізичну природу нових ефектів й режимів роботи:

- виникнення електричних доменів в однорідно легованих варизонних приладах завдяки залежності від координати енергетичного зазору між центральною долиною й найближчої до неї по енергії бічною долиною;

- виникнення доменів у приладах з убутними координатними залежностями концентрації нейтральної домішки, сплавного потенціалу або процентного вмісту бінарного компонента в багатокомпонентних сполуках;

- прискорення (уповільнення) дрейфу хвиль об'ємного заряду;

- дисипації хвиль об'ємного заряду в шарі варизонного напівпровідника і залежність від живлючої напруги глибини проникнення дипольних доменів від катода в активну область;

- зміна полярності просторового заряду в гетеропереходах GaP_0,4As_0,6-GaAs і GaAs_0,9Sb_0,1-GaAs при зростанні температури кристалічної решітки;

- режим роботи, при якому, залежно від живлячої напруги, хвилі об'ємного заряду формуються біля катодного контакту й дрейфують по всій довжині активної області або у варизонному шарі й дрейфують від нього до анода.

3. Досліджено в широкій смузі частот процес генерації за допомогою приладів з n⁺-n і n⁺-n^--n катодними контактами на основі варизонних Al_x(z)Ga_1-x(z)As, In_x(z)Ga_1-x(z)As і InP_1-x(z)As_1-x(z). Показано та обґрунтовано, що застосування варизонних напівпровідників зі зростаючою залежністю енергетичного зазору між долинами (z) приводить до підвищення вихідної потужності, ККД і граничної робочої частоти завдяки реалізації режиму з дипольними доменами. Залежно від типу катодного контакту й складу варизонного напівпровідника збільшення граничної частоти становить 14 154 % від аналогічних приладів на основі однорідних за складом напівпровідників. Найбільша гранична частота генерації, що дорівнює 340 ГГц і отримана варизонними InP-InP_0,6As_0,4 приладами з високоомною неоднорідністю біля катода, знаходиться у субміліметровому діапазоні, що є вагомим досягненням для приладів з МПЕ. Варизонні прилади, у яких залежність енергетичного зазору між долинами (z) є убутною функцією поступаються з ККД, вихідній потужності і граничним частотам генерації звичайним ДГ.

4. Застосування варизонних напівпровідникових сполук у ПМПЕ дозволяє напругою живлення змінювати частоту коливань у широких границях, що приводить до зростання ширини частотного діапазону роботи приладів більш ніж у два рази. Це можливо завдяки двом різним ефектам. По-перше, завдяки залежності від живлючої напруги глибини проникнення дипольних доменів від катода в активну область. По-друге, завдяки залежності від живлючої напруги формування нестійкості заряду біля катода або в тонкому (0,20,4 мкм) варизонному шарі, який знаходиться в центрі активної області.

5. У варизонних ПМПЕ зі зростаючою залежністю енергетичного зазору між долинами (z) максимум ККД і вихідної потужності досягається при певній оптимальній довжині шару варизонного напівпровідника, що залежить від місця локалізації варизонного шару, довжини активної області, напівпровідникового матеріалу й катодного контакту. У цілому оптимальна довжина варизонного шару приблизно дорівнює довжині активної області.

6. Дістала подальший розвиток теорія приладів з гетеропереходом. На основі різних напівпровідникових сполук показано, що використання гетеропереходу як катода до однорідно легованих ПМПЕ дозволяє збільшити ККД, вихідну потужність, граничну робочу частоту й стабільність до підвищення температури кристалічної решітки. Поліпшення ВЧ характеристик таких приладів пов'язане з виникненням режиму роботи з дипольними доменами.

Визначено, що причиною виникнення доменів в однорідно легованих приладах із прямозміщеним гетеропереходом у катоді є негативний градієнт концентрації електронів у бічних долинах біля катода, що виникає головним чином завдяки контактній різниці енергетичного зазору між долинами в гетеропереході. Встановлено, що на вихідні характеристики таких приладів додатково впливають контактна різниця потенціалів в гетеропереході, рівень легування й рухливість електронів у катоді. Причому вплив одного параметра без обліку будь-якого іншого сильно спотворює процес зародження нестійкостей заряду й вихідні характеристики.

7. На основі різних напівпровідникових сполук показано, що єдиним механізмом виникнення дипольних доменів в однорідно легованих ПМПЕ з обратнозміщеним гетеропереходом у катоді для всіх напівпровідників А₃В₅ є розігрів електронного газу в збідненій області гетеропереходу, тобто в активній області. Тому вплив електрофізичних параметрів катода (крім висоти бар'єра в гетеропереході) на високочастотні властивості приладу є незначним.

8. Підвищення температури кристалічної решітки в приладах з гетерокатодом призводить до погіршення вихідних характеристик приладу. Однак, у порівнянні з аналогічними приладами на основі однорідних напівпровідників, прилади з гетерокатодом більш стабільні до підвищення температури. При підвищенні температури збільшується оптимальна контактна різниця потенціалів у гетеропереході. Тому, можливі режими роботи, коли з підвищенням температури вихідна потужність змінюється на незначну величину.

9. Виникнення нестійкостей заряду в приладах з двома активними областями на основі різних напівпровідників залежить від співвідношень характеристик V(E) матеріалів в активних областях і властивостей контактів до цих областей. Використання двох активних областей на основі напівпровідників з близькими властивостями дозволяє збільшити ширину частотного діапазону роботи приладу і в деяких випадках вихідну потужність. У випадку суттєвого розходження характеристик V(E) матеріалів нестійкості заряду виникають тільки в тій активній області, де є менше пікове значення залежності V(E). В таких випадках існує ефект дисипації дипольних доменів при переході з одного шару напівпровідника в іншій, що може бути застосовано в субмікронних приладах в якості анодного контакту.

10. Модуляція провідності активної області приладів з МПЕ дозволяє управляти вихідною потужністю й частотою коливань струму. При оптимальних кутах затримки коливань концентрації електронів в активній області відносне зростання ККД приладів на основі GaAs з довжиною активної області 0,5 мкм становить 75 %, а оптимальної частоти генерації 25 %. Показано, що прилади на основі GaAs з модуляцією провідності активної області можуть працювати на основній гармоніці в субміліметровому діапазоні довжин хвиль.

11. Прилади з МПЕ на основі GaAs і з AlAs-GaAs-AlAs резонансно тунельним катодом в міліметровому діапазоні мають дві або три зони генерації, що рознесені за напругою, в яких частота генерації визначається ефектом резонансного тунелювання або ефектом МПЕ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Цитована література

1. Grenwald Z. The effect of a high-energy injection on the performance of mm wave Gunn oscillators / Z. Grenwald, P. W. Woodard, A. R. Colawa, L. F. Estman // Solid State Electron. - 1988. - Vol. 31, № 7. - P. 1211-1214.

2. Sponer H. Advances in hot electron injector Gunn diodes / H.Sponer, N. R. Couch // GEC Journal of Reseach. - 1989. - Vol. 7, № 1. - P. 34-35.

3. Friscourt M.-R. Hetrojunction cathode contact transferred electron oscillators / M.-R. Friscourt, P.-A. Rolland, M. Pernisek // IEEE Electron Device Lett. - 1985. - Vol. 6. № 10. - P. 527-531.

4. Couch N. R. High - performance graded AlGaAs injector GaAs Gunn diodes at 94GHz / N. R. Couch, H. Sponer, P. H. Beton // IEEE Electron Device Lett. -1989. - Vol. 10, № 7. - P. 288-290.

5. Борисов В. И. Диоды Ганна на основе гетероструктуры n-InGaAs/n⁺-InP / В. И. Борисов, А. Т. Гореленок, С. Г. Дмитриев, В. Е. Любченко // Физика и техника полупроводников. - 1992. - Т. 26, № 4. - С. 611-613.

В фахових виданнях

1. Стороженко И. П. Влияние температуры на энергетические и частотные характеристики диодов Ганна мм-диапазона с гетерокатодом / И. П. Стороженко, Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров // Радиофизика и радиоастрономия. - 1997. - Т. 2, № 2. - С. 230-235.

2. Аркуша Ю. В. Диоды Ганна с туннельным p⁺⁺-n⁺⁺ катодом / И. П. Стороженко, Э. Д. Прохоров, Ю. В. Аркуша // Радиофизика и радиоастрономия. - 1998. - Т. 3, № 4. - С. 419-423

3. Storozhenko I. P. The use of InGaAs and GaAs for operating frequency range expansion of Gunn diode / I. P. Storozhenko // Functional Materials. - 1999. - Vol. 6, №. 4. - P. 696-701.

4. Стороженко И. П. Гетерокатод In_xGa_1-xAs/GaAs в GaAs диоде Ганна / И. П. Стороженко, Э. Д. Прохоров, Ю. В. Аркуша // Радиотехника и электроника. -2000. - Т. 45, № 4. - С. 508-510.

5. Стороженко И. П. Влияние антизапорного гетерокатода на энергетические и частотные характеристики GaAs диодов Ганна мм диапазона / И. П. Стороженко, Э. Д. Прохоров, Ю. В. Аркуша // Радиотехника и электроника. -2000. - Т. 45, № 5. - С. 628-631.

6. Storozhenko I. P. In_0.4Ga_0.6As Gunn diodes with a m-n:InP_1-xAs_x cathode / I. P. Storozhenko, E. D. Prokhorov, Yu. V. Arkusha // Telecommunications and Engineering. - 2002. - Vol. 57, № 6&7. - P. 133-139.

7. Стороженко И. П. Вольт-амперные характеристики диодов Ганна с двумя активными областями и гетеропереходом / И. П. Стороженко // Вісник Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна № 513. Сер. Радіофізика та електроніка. -2001. -Вип. 12001. - С. 65-68.

8. Стороженко И. П. Диоды Ганна с индуцированным каналом в активной области / И. П. Стороженко, Э. Д. Прохоров, Ю. В. Аркуша // Радиофизика и радиоастрономия. -2002. - Т 7, №1, С.103-108.

9. Стороженко И. П. Оценка работы диода Ганна с активной областью из варизонного InGaAs / И. П. Стороженко // Вісник Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна № 544. Сер. Радіофізика та електроніка. -2002.-Вип. 12002. - С. 162-163.

10. Стороженко И. П. Междолинный перенос электронов в диоде Ганна на основе варизонного InGaAs / И. П. Стороженко // Вісник Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна № 570. Сер. Радіофізика та електроніка. -2002. -Вип. 22002. - С. 76-77.

11. Стороженко И. П. Моделирование диодов Ганна на основе варизонных полупроводников / И. П. Стороженко // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т. радиофизики и электроники НАН Украины.-2003. - Т. 8, № 2. - С. 287-294.

12. Storozhenko I. P. Operation of Gunn diode containing two InP_0.7As_0.3-In_0.4Ga_0.6As active regions / I. P. Storozhenko, E. D. Prokhorov, Yu. V. Arku-sha // Telecommunications and Engineering. - 2003. - Vol. 59, № 1&2. - P. 89-99

13. Стороженко И. П. Влияние металлического контакта к запорному InGaAs-GaAs гетерокатоду на работу GaAs диодов Ганна / И. П. Стороженко, Э. Д. Прохоров, Ю. В. Аркуша // Радиофизика и радиоастрономия. -2004. - Т. 9, № 3, - С. 331-336.

14. Стороженко И. П. Энергетические и частотные характеристики диодов Ганна на основе тройных полупроводников А₃В₅ с линейно изменяющимся составом в активной зоне / И. П. Стороженко, Э. Д. Прохоров, Ю. В. Аркуша // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т. радиофизики и электроники НАН Украины. -2004. - Т. 9. № 2. - С. 421-425. [Storozhenko I.P. Energy and frequency characteristics of the Gunn diodes based on A₃B₅ threefold semiconductors with linearly changing composition in the active zone / I. P. Storozhenko, E. D. Prokhorov, Yu.V.Arkusha // Telecommunications and Engineering. - 2004. - Vol. 61, № 10. - P. 894-902].

15. Storozhenko I. P. Simulation of transferred electron devices with linearly graded composition of 3-5 threefold semiconductor in active zone / I. P. Storozhenko, E. D. Prokhorov, Yu. V. Arkusha // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. -2004. - Vol. 25, № 6. - P. 879-890.

16. Стороженко И. П. Влияние толщины варизонного слоя в центре активной области на энергетические и частотные характеристики In_x(z)Ga_1-x(z)As диодов Ганна / И. П. Стороженко // Вісник Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна № 646. Сер. Радіофізика та електроніка. -Вип. 22004. - С. 37-40.

17. Стороженко И. П. Диоды Ганна на основе варизонного Al_x(z)Ga_1-x(z)As c различными катодными контактами / И. П. Стороженко // Радиофизика и радиоастрономия. - 2006. - Т. 11, № 2. - С. 186-197.

18. Стороженко И. П. GaAs диоды Ганна с AlAs-GaAs-AlAs резонансно туннельным катодом / И. П. Стороженко, О.В.Боцула, Э. Д. Прохоров // Радиофизика и радиоастрономия. - 2006. - Т. 11, №4. - С. 385-396.

19. Стороженко И. П. Варизонные InP_1-x(z)As_x(z) диоды Ганна с различными катодными контактами / И. П. Стороженко // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т. радиофизики и электроники НАН Украины. -2006. - Т. 11, № 3. - С. 421-429. [Storozhenko I. P. InP_1-x(z)As_x(z) variband Gunn diodes with different cathode contacts / I. P. Storozhenko // Telecommunications and Engineering. -2007. - Vol. 66, № 19. - P. 1775-1790].

20. Стороженко И. П. Влияние толщины варизонного слоя на энергетические и частотные характеристики In_x(z)Ga_1-x(z)As диодов Ганна / И. П. Стороженко, Э. Д. Прохоров, Ю. В. Аркуша // Радиотехника и электроника. - 2006. - Т. 51, № 3. - С. 371-378. [Storozhenko I. P. Influence of the Variband-Layer Thickness on the Energy and Frequency Characteristics of In_x(z)Ga_1-x(z)As Gunn Diodes zone / I. P. Storozhenko, E. D. Prokhorov, Yu. V. Arkusha // Journal of Communica-tions Technology and Electronics. - 2006. - Vol. 51, № 3. - P. 352-358].

21. Боцула О. В. Резонансно-туннельный катод к диоду Ганна / О. В. Боцула, Э. Д. Прохоров, И. П. Стороженко // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т. радиофизики и электроники НАН Украины. - 2007. - Т. 12, № 2. -C. 394-400.

22. Стороженко И. П. Особенности возникновения и дрейфа волн объёмного заряда в приборах с междолинным переносом электронов на основе варизонного GaP_x(z)As_1-x(z) / И. П. Стороженко // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т. радиофизики и электроники НАН Украины. - 2007. - Т. 12, № 1. - С. 243-249. [Storozhenko I. P. Initiation and drift of the spase-charge waves in devices based on varidand GaP_x(z)As_1-x(z) intervalley electron transport / I. P. Storozhenko // Telecommunications and Engineering. - 2008. - Vol. 67, № 10. - P. 881-894].

23. Стороженко И. П. Энергетические и частотные характеристики GaAs диодов Ганна с Al_xGa_1-xAs и GaP_xAs_1-x катодами/ И. П. Стороженко, Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т. радиофизики и электроники НАН Украины. - 2007. - Т. 12, № 3. - С. 579-583. [Storozhenko I. P. Energy and Frequency Characteristics of GaAs Gunn diodes with Al_xGa_1-xAs and GaP_xAs_1-x cathodes / I. P. Storozhenko, E. D. Prokhorov, Yu. V. Arkusha // Telecommunications and Engineering. - 2008. - Vol. 67, № 8. - P. 739-749].

24. Стороженко И. П. Частотные возможности диодов с междолинным переносом электронов на основе варизонного In_x(z)Ga_1-x(z)As c различными катодными контактами / И. П. Стороженко // Радиотехника и электроника. -2007. - Т. 52, № 10. - С. 1253-1259. [Storozhenko I. P. Frequency Characteristics of diodes with intervalley electron transfer that based on variband In_x(z)Ga_1-x(z)As with various cathode contacts / I. P. Storozhenko // Journal of Communications Technology and Electronics. -2007. - Vol. 52, № 10. - P. 1158-1164].

25. Стороженко И. П. Роль рассеяния электронов на нейтральных примесях и сплавном потенциале в формировании волн пространственного заряда в приборах с междолинным переносом электронов / И. П. Стороженко // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т. радиофизики и электроники НАН Украины. - 2008. - Т. 13, № 1. - С. 114-117.

26. Аркуша Ю. В. Пути развития приборов с междолинным переносом электронов / Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров, И. П. Стороженко // Вісник Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна № 513. Сер. Радіофізика та електроніка. -2001. -Вип. 12001. - С. 50-55.

27. Боцула О. В. О совместной работе резонансно-туннельного диода и диода с междолинным переносом электронов / О.В.Боцула, Э. Д. Прохоров, И. П. Стороженко // Вісник Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна № 570. Сер. Радіофізиката електроніка.-Вип. 22002. - С. 88-91.

28. Аркуша Ю. В. Зависимость V(E) в новых перспективных соединениях полупроводников А₃В₅ / Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров, И. П. Стороженко, А. В. Смородин, К. П. Сиренко // Вісник Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна № 646. Сер. Радіофізиката електроніка. -Вип. 22004. - С. 64-66.

В матеріалах конференцій

29. Аркуша Ю. В. Высокочастотные физические процессы в диоде Ганна с туннельным катодом / Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров, И. П. Стороженко // Труды 6-й Крымской конференции и выставки “СВЧ техника и спутниковые телекоммуникационные технологии”. Севастополь. - 1996. - С. 322-324.

30. Аркуша Ю.В. Энергетические и частотные характеристики диодов Ганна с двумя пролетными областями и гетеропереходом между ними / Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров, И. П. Стороженко // Труды 7-й Крымской конференции и выставки “СВЧ техника и спутниковые телекоммуникационные технологии”. Севастополь. - 1997. - Т. 2. - С. 356-357.

31. Arkusha Yu. V. Power and frequency characteristics of Gunn GaAs diodes with tunnel injection of cold electrons / Yu. V. Arkusha, E. D. Prokhorov, I. P. Storozhenko // MSMW98: The Third International Kharkov Symposium “Physics & Engineering of Millimeter & Submillimeter Waves”, 1998, September 15-17, Kharkov, Ukraine: Symposium Proceedings. -Kharkov, 1998. - V1-A8. - P. 163-165.

32. Storozhenko I. P. Thesis's about Gunn diode work with two transit-time regions and heterojunction between them / I. P. Storozhenko // MSMW98: Third International Kharkov Symposium “Physics & Engineering of Millimeter & Submilimeter waves”, 1998, September 15-17, Kharkov, Ukraine: Symposium Proceedings. -Kharkov, 1998. - V1-A7. -Р. 157-158.

33. Arkusha Yu. V. The Gunn diode of mm-wave with inducing by the channel in active region / Yu. V. Arkusha, E. D. Prokhorov, I. P. Storozhenko // MSMW2001: The Fourth International Kharkov Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves”, 2001, June 4-9, Khar-kov, Ukraine: Symposium Proceedings. -Kharkov, 2001. -V. 2.- P. 771-773.

34. Стороженко И. П. Энергетические и частотные характеристики диода Ганна с двумя активными областями InP_0.7As_0.3-In_0.4Ga_0.6As / Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров, И. П. Стороженко // КрыМиКо 2001: 11-я Международная конференция “СВЧ-техникаи телекоммуникационные технологии”, 10-14 сентября 2001 г.: материалы конференции. - Севастополь, Крым, Украина, 2001. - С. 160-161.

35. Стороженко И. П. Высокоэффективные генераторы на диодах Ганна на основе варизонных полупроводников А₃В₅ / И. П. Стороженко, Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров, Н. И. Слипченко, В. А. Тиманюк // Международная научная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” г. Туапсе, 7-10 окт. 2003 г.: материалы конференции. - Харьков. ХНУРЭ, 2003. - С. 195-196.

36. Storozhenko I. P. InGaAs-TED's with variband layer / I. P. Storozhenko, Yu. V. Arkusha // MSMW2004: The Fifth International Kharkov Symposium of Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves, 2004, June 21-26, Kharkov, Ukraine: Symposium Proceedings. -Kharkov, 2004. - Vol. 2, IV-28. - P. 555-557.

37. Storozhenko I. P. Simulation short TED with resonance tunneling cathode / I. P. Storozhenko, E. D. Prokhorov, O. V. Botsula // MSMW2004: The Fifth International Kharkov Symposium of Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves, 2004, June 21-26, Kharkov, Ukraine: Symposium Proceedings. -Kharkov, 2004. - Vol. 2, IV-28. - P. 549-551.

38. Стороженко І. П. Резонансно-тунельний катод до діода Ганна / І. П. Стороженко, Е. Д. Прохоров, О. В. Боцула // Каразінські природознавчі студії: міжнародна наукова конференція, 14-16 чер. 2004 р. - Харків, 2004. - С. 126-127.

39. Аркуша Ю. В. Энергетические и частотные характеристики диодов Ганна на основе GaN / Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров, И. П. Стороженко // КрыМиКо 2005: 15-я Международная конференция “СВЧ-техникаи телекоммуникационные технологии”, 12-16 сентября 2005 г.: материалы конференции. - Севастополь, Крым, Украина, 2005. - Т. 1. - С. 166 -167.

40. Стороженко И. П. Генерация колебания мм- и субмм- диапазонов диодами Ганна на основе варизонных полупроводников А₃В₅ / Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров, И. П. Стороженко // КрыМиКо 2006: 16-я Международная конференция “СВЧ-техникаи телекоммуникационные технологии”, 11-15 сентября 2006 г.: материалы конференции. - Севастополь, Крым, Украина, 2006. - Т. 1. - С. 230-231.

41. Стороженко И. П. Возникновение неустойчивостей заряда в диодах Ганна на основе варизонного GaP_x(z)As_1-x(z) / И. П. Стороженко, Е. Н. Животова, В. А. Тиманюк, Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров // Радіофізика та електроніка: VI Харківська конференція молодих науковців, 13-14 грудня 2006 р.: Програма конференції та збірник анотацій. - Харків: Ін-т. радіофізики та електроніки НАН України, 2006. - С. 27.

42. Storozhenko I. P. Variband transferred electron devises / I.P.Storozhenko, E. D. Prokhorov, Yu. V. Arkusha // MSMW2007: The Sixth International Kharkov Symposium of Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves, 2007, June 25-30, Kharkov, Ukraine: Symposium Proceedings. -Kharkov, 2007. - Vol. 2, VI-3. - P. 602-604.

43. Botsula O. V. Oscillation efficiency of the diodes with cathode Al_0,3Ga_0,7As/GaAs / O. V. Botsula, I. P. Storozhenko, E. D. Prokhorov // MSMW2007: The Sixth International Kharkov Symposium of Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves, 2007, June 25-30, Kharkov, Ukraine: Symposium Proceedings. -Kharkov, 2007. - Vol. 2. - P. 629-631.

44. Стороженко И. П. InP диоды Ганна с прямосмещенным гетерокатодом / И. П. Стороженко, Ю. В. Аркуша, Э. Д. Прохоров, О. В. Боцула // КрыМиКо 2007: 17-я Международная конференция “СВЧ-техникаи телекоммуникационные технологии”, 11-15 сентября 2007 г.: материалы конференции. - Севастополь, Крым, Украина, 2007. - Т. 1. - С.117-118.

45. Боцула О. В. Эффективность генерации диодов с МПЭ с катодом Al_0.3Ga_0.7As/GaAs / О. В. Боцула, Э. Д. Прохоров, И. П. Стороженко // КрыМиКо 2007: 17-я Международная конференция “СВЧ-техникаи телекоммуникационные технологии”, 11-15 сентября 2007 г.: материалы конференции. - Севастополь, Крым, Украина, 2007. - Т.1. - С. 111-112.

АНОТАЦІЯ

Стороженко І.П. Генерація міліметрових хвиль варизонними структурами напівпровідників А₃В₅ з міждолинним переносом електронів. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем. - Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Харків, 2008.

Розроблено теорію варизонних напівпровідникових приладів з міждолинним переносом електронів. Досліджено коливання струму, що виникають в таких приладах і процес генерації електромагнітних хвиль міліметрового діапазону приладами на основі варизонних InP_1-x(z)As_x(z), Al_x(z)Ga_1-x(z)As і In_x(z)Ga_1-x(z)As. Знайдено нові ефекти, які збільшують вихідну потужність, ККД, частотну границю, ширину частотного діапазону і температурну стабільність роботи приладів з міждолинним переносом електронів. Визначено перспективні варизонні сполуки для таких приладів. Запропоновано нові напівпровідникові прилади міліметрового і субміліметрового діапазону, які працюють на ефектах міждолинного переносу і резонансного тунелювання електронів, а також модуляції провідності активної області.

Ключові слова: міждолинний перенос електронів, варизонний напівпровідник, коливання струму, резонансне тунелювання, вихідна потужність, генерація, гранична частота.

АННОТАЦИЯ

Стороженко И.П. Генерация миллиметровых волн варизонными структурами полупроводников А₃В₅ с междолинным переносом электронов. -Ру-копись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. - Харьковский национальный университет имени В. Н. Кара-зина, Харьков, 2008. Диссертационная работа посвящена проблеме генерации миллиметровых и субмиллиметровых волн с помощью приборов, работающих на эффекте МПЭ. В диссертации разработана теория варизонных полупроводниковых приборов с междолинным переносом электронов. Предельными случаями этой теории является существующая теория приборов на основе однородных по составу полупроводников и теория приборов с гетеропереходом, которая получила дальнейшее развитие.

Получена двухтемпературная математическая модель приборов с междолинным переносом, которая учитывает характерную для варизонных полупроводников зависимость энергетической структуры от координаты. С помощью этой модели изучено влияние координатной зависимости электрофизических параметров варизонного полупроводника на энергетические и частотные характеристики предельно коротких варизонных приборов с разными катодными контактами, а также физические эффекты, лежащие в основе работы таких приборов. Показано, что на возникновение волн пространственного заряда в варизонных полупроводниковых приборах с междолинным переносом электронов комплексно влияет координатная зависимость многих электрофизических параметров полупроводника. К наиболее значимым параметрам можно отнести энергетический зазор между центральной долиной и ближайшей к ней по энергии боковой долиной, энергию электронного сродства, эффективную массу электронов, постоянную решётки, сплавной потенциал и концентрацию нейтральных примесей. Установлены критерии влияния каждого из параметров на возникновение обогащенных слоёв и дипольных доменов в центре активной области, у катода и анода. Выяснено, что определяющая роль в формировании волн объёмного заряда в приборах на основе варизонных полупроводников принадлежит функции координаты энергетического зазора между долинами. В варизонных приборах обнаружены и объяснены новые эффекты, которых нет в обычных диодах Ганна: возникновение доменов в коротких варизонных приборах с омическим n⁺-n катодом в области низкого поля; ускорения (замедления) дрейфа волн пространственного заряда в варизонном полупроводнике; диссипации дрейфующего домена в варизонном полупроводнике; существования различных режимов, зависящих от длины переходного слоя варизонного полупроводника.

Исследован процесс генерации электромагнитных волн с помощью приборов с n⁺-n и n⁺-n^--n катодными контактами на основе варизонных Al_x(z)Ga_1-x(z)As, In_x(z)Ga_1-x(z)As и InP_1-x(z)As_1-x(z). Выделено четыре характерных случая влияния длины переходного слоя варизонного полупроводника на выходные характеристики приборов с МПЭ, помещённых в одноконтурный резонатор. Показано, что применение варизонных полупроводников с возрастающей зависимостью энергетического зазора между долинами в приборах с омическим n⁺-n катодом в два раза увеличивает выходную мощность, КПД и предельную рабочую частоту благодаря реализации режима с дипольными доменами. Для приборов с n⁺-n^--n катодом данное увеличение составляет 1479 % от аналогичных приборов на основе однородных по составу полупроводников. Наибольшая предельная частота генерации, равная 340 ГГц получена в InP-InP_0,6As_0,4 варизонных приборах с высокоомной неоднородностью у катода. Проведен обзор и определены перспективные тройные и четверные варизонные полупроводники А₃В₅ для приборов с междолинным переносом электронов.

Изучен один из предельных случаев варизонных приборов - приборы с длиной переходного слоя между различными полупроводниками меньше длины свободного пробега электронов. Исследован процесс генерации с помощью GaAs, InP и In_0,4Ga_0,6As приборов с различными полупроводниками в катоде, создающими прямосмещённый или обратносмещённый контакт. Показано, что использование в приборах в качестве катода гетероперехода позволяет увеличить КПД, выходную мощность, предельную рабочую частоту и стабильность к повышению температуры кристаллической решётки. Улучшение ВЧ характеристик таких приборов связано с возникновением режима с дрейфом дипольных доменов, причина же их появления в приборах с прямосмещённым и обратносмещённым гетероконтактом различна. Определено, что основной причиной возникновения доменов в приборах с прямосмещённым гетеропереходом является контактная разность энергетического зазора между долинами, а в приборах с обратносмещённым катодом - контактная разность потенциалов.

Предложены новые приборы, работающие на эффекте междолинного переноса электронов с лучшими выходными характеристиками по сравнению с существующими диодами Ганна: приборы с двумя активными областями, разъединенными гетеропереходом; приборы с каналом активной области индуцированным гетеропереходами; приборы с туннельным катодом.

Показано, что GaAs приборы с AlAs-GaAs-AlAs резонансно туннельным катодом в миллиметровом диапазоне имеют две или три области генерации, не перекрывающиеся по напряжению, в которых частота определяется эффектом резонансного туннелирования или эффектом междолинного переноса электронов.

Ключевые слова: междолинный перенос электронов, варизонный полупроводник, гетеропереход, резонансное туннелирование, выходная мощность, генерация, предельная частота.

ABSTRACT

Storozhenko I.P. Millimetric waves generation by graded gap structures of semiconductors A₃B₅ with intervalley electrons transfer. - Manuscript.

Thesis for doctor's degree in physical and mathematical sciences in specialty 01.04.01 - physics of devices, elements and systems. - V. N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, 2008.

The theory of graded gap semiconductors devices with intervalley electrons transfer has been developed. The current oscillations arising in such devices and process of generation of millimetric waves by means of devices on the basis of graded gap alloys Al_x(z)Ga_1-x(z)As, In_x(z)Ga_1-x(z)As and InP_1-x(z)As_x(z) have been investigated. New effects which result in increase in the output power, the efficiency, the cutoff frequency, the frequency range width of the intervalley electrons transfer devices have been found. Promising graded gap semiconductors for such devices have been determined. New semiconductor devices working on intervalley electrons transfer effect, electrons resonant tunneling and modulation of active regions conductivity have been proposed for sub-millimetric range.

Key words: intervalley electrons transfer, graded gap semiconductor, current oscillations, resonant tunneling, output power, generation, cutoff frequency.

Размещено на Allbest.ru