РАСЧЕТ СТРУКТУР РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДОВ ДЛЯ СУБГАРМОНИЧЕСКИХ СМЕСИТЕЛЕЙ

June 19, 2012 by admin Комментировать »

Алкеев Н. А.

Институт Радиотехники и Электроники РАН 141190, Россия, Московская обл. г. Фрязино, пр. Введенского, 1 Fax: (095) 2032406, e-mail: alkeev@ms.ire.rssi.ru Голант Е. И., Пашковский А. Б.

Федеральное государственное унитарное предприятие НПП «Исток» 141190, Россия, Московская обл. г. Фрязино, Вокзальная 2а Fax: (095) 4658620, e-mail: eugenegolant@mail.ru


На основе компьютерного моделирования характеристик резонансно-туннельных диодов с использованием двухзонной Кейновской модели с учетом пространственного заряда, дополнительных каналов туннелирования за счет взаимодействия с фононами и непараболичности закона дисперсии электронов проведен анализ перспективных структур для субгармонических смесителей. Показано, что, путем надлежащего выбора толщины спейсера и параметров квантовой ямы, можно оптимизировать ВАХ диодов для субгармонических смесителей, в частности увеличить крутизну и пиковый ток диодов.

I. Введение

Субгармонические смесители (СГС) широко используются в миллиметровом (ММ) и субмиллиметровом (СММ) диапазонах длин волн. Преобразование частоты в них осуществляется по закону:

/п = I /с -nfr I

Где/, промежуточная частота, / , и / — частоты сигнала и гетеродина соответственно, а ицелое число. В ММ и СММ диапазонах СГС имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными смесителями. Так как в этих диапазонах обычно выполняется условие/, «f, ,fT &f/2, то значительно более низкая частота fT позволяет упростить конструкцию гетеродина и получить от него достаточную мощность для эффективного преобразования частоты.

В работе [1] в качестве активного элемента СГС было впервые предложено использовать резонансно-туннельный диод (РТД), имеющий антисимметричную ВАХ и заметную нелинейность при V=0. Предварительный анализ работы СГС с РТД в качестве активного элемента показал, что для эффективной работы, диод должен удовлетворять следующим требованиям:

1)     Достаточно большое напряжение, при превышении которого начинается резкое увеличение тока в РТД AF~0,4 н-0,5 В.

2)     Напряжение Vmax .соответствующее пиковому току /тах, должно быть примерно вдвое больше AV.

3)      Крутизна g~Imax/(Vmax-AV) должна быть достаточно высокой.

4)     Максимальный ток в структуре не должен значительно превосходить величину /ф«105А/см2, иначе может произойти разрушение диода.

В данной работе расчеты проводились для двух типов структур: lno.53Gao.47 As(n+ 5-1018) lno.53Gao.47 As(n5-1016)-l По,52А1о,48 As(n5-1016) lno.53Gao.47 -As(undoped) lno.52Alo.48 As(n5-1016) lno.53Gao.47 As(n5-1016) lno.53Gao.47 As(n 5-1018) и lno.53Gao.47 As(n 5-1018) lno.53Gao.47 As(n5-1015) AlAs lno,53Ga0,47As(undoped)AlAs lno.53Gao.47 As(n5-1015) lno.53Gao.47 As(n+ 5-1018). Расчеты проводились по разработанной нами модели, позволяющей достаточно корректно учитывать основные особенности электронного транспорта в РТД.

Задача расчета тока протекающего через РТД разбивается на несколько частей. Вначале для заданного напряжения рассчитывается рельеф зоны проводимости. Для этого совместно решаются уравнение Шредингера и уравнение Пуассона с правой частью зависящей от расстояния до уровня Ферми и температуры. Затем рассчитывается ток, текущий через квантовую структуру. При необходимости в расчет дополнительно включается пространственный заряд, накапливающийся на уровне размерного квантования двухбарьерной структуры и дополнительные каналы туннелирования, возникающие за счет взаимодействия электронов с фононами. Непараболичность закона дисперсии электронов естественным образом учитывается в двухзонном приближении [2-4].

II.  Основная часть

Выло проведено сравнение результатов расчетов с экспериментально измеренными ВАХ для структуры: lno.53Gao.47 As(n 5 1018 —50nm) lno.53Gao.47 As(n*10153nm)-lno,52Alo,48 As(n-1016-5nm) lno.53Gao.47 -As(n-10155nm) lno.52Alo.48 As(n-1016-5nm) lno.53Gao.47 As(n-10153nm) lno.53Gao.47 As(n+ 5-1018-50nm), результаты которого приведены на рис.1.

Рис. (Fig.) 1

Оказалось, что расчетный ток достаточно близок к измеренному, однако напряжение Vmax , при котором ток достигает максимума несколько занижено. Далее, для структур с lno.52Alo.48 As барьерами были исследованы зависимости I(V).

Оказалось, (см. рис. 2), что всем перечисленным требованиям очень хорошо отвечает структура с квантовой ямой шириной а=50 А , барьерами толщиной Ь=30 А, и спейсером толщиной hsp=500 А (/тах«1.7-105А/см2 , AF«0.43 В, g«2.5-105CM/cM2).

Рис. (Fig.) 2

Интересно отметить, что дальнейшее уменьшение ширины ямы до а=40А приводит как к росту AV, так и гораздо более плавной зависимости тока от напряжения в районе AV. Это позволяет варьируя толщину спейсера подбирать для смесительного диода структуру с нужными параметрами. Увеличение ширины ямы до 60 А ведет к уменьшению AV , что в плане применения таких структур для смесительных диодов должно приводить к очень большим толщинам спейсера.

На этом фоне очень интересно выглядят вольтамперные характеристики в структурах с барьерами из AlAs. В них из-за более высоких барьеров зависимость AV от ширины квантовой ямы еще более резкая чем в структурах с барьерами из тройного соединения. В плане смесительного диода большой интерес может представлять структура с довольно коротким спейсером /7sp=150 А квантовой ямой шириной а=30А, барьерами толщиной Ь=20А (1тах~ 1,2-105 А/см2 , AV&0J В, д«1.4-105 См/см2). Вообще говоря, баьеры из AlAs позволяют, при толщинах спейсера до 500 А варьировать величину AV в очень широких пределах.

III.  Заключение

На основе модели точного расчета РТД проанализирован ряд структур резонансно туннельных диодов для субгармонических смесителей. Показано, что в стандартных структурах с lno.52Alo.48 As и AlAs барьерами варьируя толщины слоев можно получать диоды с большой величиной AV и максимально большими допустимыми токами.

IV. Список литературы

1.  W. У. Liu and D. P. Steenson. Investigation of Subharmonic Mixer Based on a Quantum Barrier Device

IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 48, pp. 757-762.

2.  E. O. Kane. Semiconductors and Semimetals, edited by R. K. Willardson and A. C. Beer (Academic, New York,

1966), Vol. 1 (Chapter 3).

3.  C. Sirtory, F. Capasso, andJ. Faist Nonparabolicity and a sum rule associated with bound-tobound and bound-to-continuum intersubband transitions in quantum wells. Phys. Rev. 50 (12), 8663 (1994).

4.  E. I. Golant and A. B. Pashkovskii. High Intensity of Interband Transitions in Double-Barrier Structures with High-Frequency Electric Field. JETP Letters, Vol. 75, No. 2, 2002, pp. 83-86.

COMPUTER ANALYSIS OF RESONANT TUNNELING DIODE STRUCTURES FOR SUBHARMONIC MIXERS

Alkeyev N. A.

Institute of Radioelectronics, RAS 1 Prospekt Vvedenskogo, Fryazino, Moscow Region, Russia, 141190

fax+7 (95) 2032406, e-mail: alkeev@ms.ire.rssi.ru Golant Ye. I., Pashkovskiy A. B.

‘Istok’ Federal State-Owned Unitary Research & Production Enterprise 2A Vokzalnaya, Fryazino, Moscow Region,

Russia, 141190 fax +7 (95) 4658620 e-mail:eugenegolant@mail.ru

Subharmonic mixers are used in receivers at higher microwave frequencies where it is often inconvenient to implement fundamental-frequency local oscillators due to excessive noise and lack of power. Application of a resonant tunneling diode (RTD) as a nonlinear element for second harmonic mixers looks quite promising here. RTDs offer highly symmetrical l(V) characteristics determined by the interior structure of diodes and may be optimized to provide greater efficiency and lower noise of the mixer. In this paper the conditions necessary to obtain these l(V) characteristics are formulated, and RTD structures possessing such characteristics are presented that have been numerically simulated using software based on Schredinger and Poisson equations and two-band Kane approximation.

Computer simulation for ln0,53Ga0,47 As(n+ 5 1018 -50nm) ln0,53Ga0,47 As(n-1015-3nm)-ln0,52AI0,48 As(n-1016-5nm) ln0,53Ga0,47 -As(n-1015-5nm) ln0,52AI0,48 As(n-1016-5nm) ln0,53Ga0,47 As(n-1015-3nm) ln0,53Ga0,47 As(n+ 5-1018-50nm) structure has demonstrated good agreement with the available experimental data.

Preliminary estimates for typical designs of RTD-based second harmonic mixers focused on the following: 1)The voltage above which the fast current rising occurs should be about

0.            4-^0.5; 2) the voltage corresponding to the peak current should be about 2AV; 3) transconductance g should be maximized; 4) the peak current should not exceed 105A/cm2. Our simulation has demonstrated that within the ln0,52AI0,48As material system the structure with the quantum well width of 50A, barriers of 20A each and the spacer layer of 200A meets all the above requirements.

Very promising results may also be obtained on structures with AlAs barriers. For this specific application our simulations predict that AV might be widely varied by adjusting the spacer layer within the 150-500 A limit in the structure with the quantum well of 30A and the AlAs barriers of 20 A each.

It has been shown that by adjusting active layer widths in resonant tunneling diodes one might obtain I(V) characteristics remarkably suitable for second harmonic mixing.

Аннотация Разработана физико-топологическая модель матриц туннельных переходов, функционирующих на эффекте одноэлектронного туннелирования. С ее помощью получено хорошее согласование с экспериментальными данными для матрицы, содержащей 25 металлических островков.

I.  Введение

Перспективными приборными структурами наноэлектроники являются структуры, функционирующие на эффекте одноэлектронного туннелирования (ЭОТ). Их основные преимущества заключаются в предельно низком энергопотреблении и высоком быстродействии [1]. Множество экспериментальных исследований посвящены наблюдению ЭОТ в тонких гранулированных пленках на различных материалах [2-4]. Образующиеся структуры принадлежат к классу одноэлектронных матриц туннельных переходов и содержат как последовательное, так и параллельное соединение островков и туннельных переходов в плоскости [5,6]. Их достоинствами являются относительная простота изготовления и хорошая воспроизводимость, а недостатками слабость проявления ЭОТ вследствие принципиальной важности второго измерения и разброс параметров переходов.

Для исследования вольтамперных характеристик (ВАХ) матриц туннельных переходов обычно используются электрические модели [1,2], которые не позволяют адекватно учитывать параметры конструкции и материалов. В данной работе предложена физико-топологическая модель, которая лишена отмеченного недостатка.

II.  Модель

Разработанная модель позволяет рассчитывать вольтамперные характеристики одноэлектронных матриц туннельных переходов в зависимости от геометрических размеров, диэлектрической проницаемости, высоты потенциального барьера, фоновых зарядов и температуры. Матрица, содержащая NxM металлических островков, показана на рис. 1.

Модель основана на численном решении двумерного уравнения Пуассона (влияние магнитного поля не учитывается):

VeV(p(x.y) = -qM,                                                          (1)

где Veg полусумма напряжений до и после туннелирования электрона; R сопротивление туннель-

где е диэлектрическая проницаемость, ср электростатический потенциал, qM объемная плотность зарядов. В результате решения (1) получается распределение потенциала в структуре. Далее определяются значения напряжений на туннельных переходах. Парциальные токи через переходы в прямом и обратном направлениях в данной модели вычисляются согласно выражению [1]:

Рис. 1. Представление матрицы туннельных переходов, содержащей N*M металлических островков, в предложенной модели Fig. 1. A representation in the proposed model of a 2D array comprising N*M metallic islands

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты