ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ПРИКОНТАКТНЫХ ОБЛАСТЕЙ НА ВАХ РТД

July 24, 2012 by admin Комментировать »

Абрамов И. И., Гончаренко И. А.

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Беларусь, 220013, Минск, П. Бровки 6. E-mail: nanodev@bsuir.edu.by

Все расчеты проводились для случая неравномерной сетки со следующими параметрами: минимальный шаг сетки 0.2 А, отношение между соседними шагами сетки 1.05, отношение максимального шага к минимальному не превышает 8.0. Для приведенной на рис.1 структуры при заданных параметрах число узлов сетки составляет 7605.

Было проведено исследование влияния размеров областей 1 и 9 на ВАХ. На рис.2 приведены результаты расчетов для трех случаев: когда размеры этих областей составляют 500 нм (исходная структура), 200 нм и 100 нм, что соответствует кривым 1, 2 и 3.

Рис. 2. Сравнение рассчитанных ВАХ РТД для различных размеров областей 1 и 9 с экспериментальными данными [4]

Fig. 2. Comparison of the RTD l-V characteristics for the different area widths 1 and 9 to the experimental data [4]

Анализ позволил установить, что изменение размеров приконтактных областей приводит к перераспределению заряда и потенциала во всех областях РТД. Оказалось, что уменьшение размеров областей 1 и 9, приводит к снижению плотности пикового тока и увеличению напряжения пика. Так, пиковые плотности токов и соответствующие напряжения равны: кривая 1 Jp=3,7-109 А/м2, Vp=0,48 В; кривая 2 –

Jp=3,5-109 А/м2, Vp=0,53 В; кривая 3 Jp=3,2-109 А/м2, Vp=0,56 В. Это связано с тем, что при уменьшении размеров областей 1 и 9 суммарный заряд, аккумулированный в областях 2 и 3, увеличивается. Такое перераспределение заряда и потенциала приводит к увеличению высоты барьера относительно дна зоны проводимости в эмиттере. Этим и объясняется снижение плотности пикового тока. Кроме того, уменьшается падение напряжения в активной области, что приводит к сдвигу резонансных энергий в сторону больших значений и увеличению напряжения пика ВАХ РТД при уменьшении размеров областей 1 и 9.

Проведено также сравнение результатов расчета с экспериментальной ВАХ (кривая 4) [4]. Наилучшее согласование с экспериментом получено в случае учета сопротивления пассивных областей с использованием простых выражений, приведенных в работе [5]. Кривая 5, рис.2 соответствует случаю, когда сопротивления R3=Rk=10 Ом.

Исследование влияния размеров областей 2 и 8 проведено для случаев, когда их размеры равны 100 нм (исходная структура), 50 нм и эти области отсутствуют. Установлено, что уменьшение размеров этих областей приводит к увеличению плотности пикового тока и уменьшению напряжения пика. При уменьшении размеров областей 2 и 8 в 2 раза эти значения равны Jp=3,8-109A/M2 Vp=0,44 В, а при отсутствии этих областей Jp=4,5-10 А/м2, Vp=0,16 В. Существенная трансформация ВАХ при исключении областей 2 и 8 объясняется тем, что в этом случае значительно увеличивается падение напряжения в активной области, связанное с уменьшением аккумуляционного слоя в эмиттерной приконтактной области.

Проведенные расчеты ВАХ РТД с различными размерами спейсерных областей (области 3 и 7) показали, что при их уменьшении плотность тока незначительно увеличивается при одновременном снижении напряжения пика. При уменьшении ширины спейсерных областей в 2 раза (ширина области 3 равна 3,5 нм, области 7-5 нм) пиковая плотность тока составляет Jp=3,89-109 А/м2 при напряжении Vp=0,44 В. При отсутствии спейсеров эти значения составляют Jp=3,94-10® А/м2, Vp=0,39 В. Анализ показывает, что описанная трансформация ВАХ при изменении размеров областей 2, 8 или 3,7 связана с уменьшением накопления заряда в приконтактной эмиттерной области и увеличением падения напряжения в активной области. В этом случае резонансное туннелирование происходит при меньших энергиях, следовательно, напряжение, соответствующее пику ВАХ, изменяется в сторону меньших значений.

I.     Заключение

В результате проведенных исследований было показано, что изменение размеров приконтактных областей может приводить к перераспределению заряда и потенциала и в других областях РТД и вызывать ощутимое изменение ВАХ. Следовательно, для адекватного моделирования характеристик реальных РТД принципиально необходимо учитывать влияние их пассивных областей.

II.   Список литературы

[1]   Абрамов И. И., Гончаренко И. А. — В кн.: 11-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2001). Материалы конференции [Севастополь, 10-14 сентября 2001 г.]. — Севастополь: Вебер, 2001, с. 443-444.

ISBN 966-7968-00-6, IEEE Cat. Number 01ЕХ487.

[2]  Абрамов И. И., Гончаренко И. А. II Электромагнитные волны и электронные системы. 2002,Т.7.N 3,С. 54-60.

[3]  Абрамов И. И., Гончаренко И. А. — В кн.: 12-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2002). Материалы конференции [Севастополь, 9-13 сентября 2002 г.]. — Севастополь: Вебер, 2002, с.464-465. ISBN 9667968-12-Х, IEEE Cat. Number 02ЕХ570

[4]  Boykin Т. В., Bowen R. С., Klimeck G., Lear K. L. II Appl. Phys. Lett 1999 Vol. 75 N 9 P. 1302-1304.

[5]  Абрамов И. И., Гончаренко И. А. II Известия Белор. инж. академии 2002 N 2(14)/2,С. 170-171.

THE INFLUENCE OF CONTACT AREA WIDTHS ON THE RTD l-V CHARACTERISTICS

Abramov I. I., Goncharenko I. A.

Belarussian State University of Informatics and Radioelectronics

6                  P. Brovki St., Minsk, Belarus, 220013 phone +375 (17)2398877 e-mail: nanodev@bsuir.edu.by

Abstract The influence of the widths of the RTD contact areas on its l-V characteristics has been investigated. We demonstrate that variations in the area widths may significantly influence the RTD characteristics. Calculations have been performed using a combined model and its modifications based on the self-consistent solution to the Schrodinger and Poisson equations. This model has been integrated into the NS-RTSNANODEV numerical simulation software suite.

I.  Introduction

The RTD is one of the most promising devices intended for use in quantum integrated circuits. However, due to a costly experimental research, a computational modeling with the use of adequate RTD models is of particular interest. The purpose of this article is to investigate the influence of contact area widths on the RTD l-V characteristics.

II.  Model description

We have used a combined model for calculations where classical areas are under consideration [1, 2]. In this model the RTD comprises three area types: ohmic contacts, contact areas and an active area. For the active area (which includes barriers and a quantum well) the Schrodinger equation is solved. The contact areas comprise those located between the ohmic contact and the barrier. A more detailed description of this combined model can be found in [2].

III.   Results

The structure of a double-barrier GaAs/AIAs RTD is shown in Fig. 1. The RTD areas are numbered from 1 to 9 beginning from the emitter contact.

Fig. 2 represents the results of l-V characteristics calculations for the area widths 1 and 9. The curve 1 shows IVcharacteristics modeled for 500nm widths, the curve 2 for 200nm and the curve 3 for 100nm. With smaller widths the peak current density drops, while the peak voltage rises.

Good agreement between calculated (the curve 5) and measured (the curve 4, [4]) IV-characteristics was obtained when a passive area resistance was taken into consideration with the use of simple expressions [5].

Calculations of RTD l-V characteristics for various widths of the areas 2/8 and 3/7 have also been performed. The most significant changes in peak current densities and peak voltage have been observed for the RTD structure without the areas 2 and 8.

IV.  Conclusion

The simulation of RTDs with different widths of contact areas has shown that redistributions of charge and potential in all RTD areas, as well as variations of l-V characteristics occur. In view of this to adequately simulate actual RTD characteristics the influence of passive areas should be taken into account.

ДВУМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РЕЗОНАНСНОТУННЕЛЬНЫХ СТРУКТУР С ПОДЛОЖКОЙ

Гаврилов О. Т.|, Квяткевич И. И..Обухов И. А. Интерфейс МФГ, ул. Бардина, д. 4, корп. 3, Москва-117334, Россия тел.: +7-(095)-105-0049, 135-5500, e-mail: obukhov@interface-mfg.ru

Аннотация Показано, что свойства подложки могут существенно влиять на статические характеристики резонансно-туннельных диодов. Сформулированы условия, при которых подложка РТД может служить резонатором для электромагнитных колебаний с частотами, меньшими, чем это диктуется только топологией и электрофизическими свойствами собственно подложки.

I.  Введение

В работах [1, 2, 3] отмечалось, что влияние подложки на выходные характеристики резонанснотуннельных приборов может быть весьма существенным. Это подтверждается и рядом экспериментальных результатов [1, 4, 5].

Моделирование влияния подложки на характеристики РТД осложнено отсутствием последовательных многомерных моделей переноса заряда в квантовых приборах. В одномерном же приближении подложка ведет себя только как последовательно подключенное к РТС сопротивление, что не позволяет описать экспериментальные результаты.

В настоящей работе авторы постарались продемонстрировать, каким образом можно описать влияние подложки на характеристики РТД в двумерном приближении. Был использован подход, развитый

О.  Т. Гавриловым еще в начале 90-х годов прошлого века, в рамках которого описание переноса заряда в подложке основывается на классических уравнениях, а наличие РТС учитывается через граничные условия.

II.    Стационарная двумерная модель подложки РТД

Fig. 1. An RTD based on the RTS placed on a semiinsulating substrate

На рис. 1 представлен РТД, состоящий из РТС и полуизолирующей подложки.

В частности, при %Ь » 1 получим:

Величина % определяется проводимостями РТС и подложки, а также геометрией последней. Варьируя указанные параметры можно, согласно (10), изменять нижнюю граничную частоту пропускания сигнала подложкой co-i (kz =0,х). Таким образом, появляется возможность создавать на основе РТД генераторы как белого шума (при непрерывном kz ), так и монохроматических колебаний (при дискретном kz) на частотах от 0 Гц до сот без использования внешнего резонатора.

Необычность полученных результатов состоит в том, что подложка может оказаться резонатором для колебаний, частоты которых не определяются только ее размерами и топологией. Появление величины %2 со знаком минус в выражении (10) вносит дополнительный фактор, регулирующий частоту. Благодаря наличию распределенной границы между РТД и подложкой в ней, если справедливы условия (13), возникают собственные моды нового типа. В статическом пределе ю-> 0 этим модам соответствуют нетривиальные собственные решения уравнения Лапласа в области подложки с

Легко видеть, что в случае точечной границы Г (то есть в одномерном приближении), а также при X > 0 эффект исчезает.

Заметим, что при конструировании приборов условия (13) можно использовать как для получения генерации шума, так и для подавления шума как паразитного явления [7]. Для структур с более сложной геометрией аналоги условий (13) получаются при численном моделировании.

IV.  Заключение

В работе показано, каким образом можно промоделировать взаимодействие РТС с распределенной подложкой. Уже в двумерном приближении возникают нетривиальные эффекты, обусловленные не монотонностью ВАХ РТС. Важнейшим из них является возможная не единственность решения граничной задачи как в стационарном, так и в нестационарном случаях.

Заметим, что основные результаты, изложенные в этой работе, получены О. Т. Гавриловым. Другие авторы лишь закончили его работу.

[1 ] О. Т. Гаврилов, И. И. Квяшкевич, И. А. Обухов. Влияние классических областей на характеристики резонансно-туннельного диода. Материалы 7-й Международной Крымской Микроволновой Конференции, с. 401-403, Севастополь, 1997.

[2]    Gavrilov О. Т., Obukhov I. A., DianovS. A. The classical regions influence on characteristics of Resonant Tunneling Diode, Proceeding of NANO-II, Part C, pp. 860870, Moscow, 1993.

[3]   И. А. Обухов. Моделирование статических характеристик резонансно-туннельных приборов. — Микросистемная техника, 2001, № 2, с. 23-28.

[4]    О. Т. Гаврилов, И. И. Квяшкевич, И. А. Обухов,

Ю. А. Матвеев. Взаимодействие резонанснотуннельного диода с подложкой через распределенную границу. — Письма в ЖТФ, 1996, т. 22, вып. 8, с. 18-21.

[5]    О. Т. Гаврилов, И. И. Квяшкевич, И. А. Обухов. Флуктуационно-релаксационная неустойчивость и генерация белого шума в резонансно-туннельной структуре. Материалы 6-й Крымской Микроволновой Конференции, с. 308-312, Севастополь, 1996.

[6]   М. А. Лаврентьев, Б. В. Шабат. Методы теории функций комплексного переменного, М.: Наука, 1987, 688 с.

[7]   Reddy М., Yu R.Y., KroemerH. et al. IEEE Microwave and Guided Wave Letters. 1995. V. 5. N. 7. P. 219 221.

[8]   Brown E. R., Goodhue W. D., Solner Т. C. LG. J. Appl. Phys. 1988. V. 64(3). P. 1519-1525

2D EFFECTS OF THE RESONANTTUNNELING STRUCTURES INTERACTION WITH A SUBSTRATE

|Gavrilov O. T.|, Kvyatkevich I. I., Obukhov I. A.

Interface-MFG Co.

Building 3, 4 Bardina St., Moscow, Russia, 117334 e-mail: obukhov@interface-mfg. ru

Abstract The effects of the RTS interaction with a substrate have been researched in a 2D approximation.

I.  Introduction

The reports [1, 2, 3] show that a relevant model of charge transport in resonant-tunneling devices must take into account the effects of interaction between quantum and classical areas of devices.

II.  A stationary 2D model ofthe RTD substrate

In this part the model of a charge transport in the RTD substrate is discussed. It is demonstrated that under special conditions the model equations may have non-unique solutions.

III.    A non-stationary 2D model ofthe RTD substrate

The equations for the non-stationary 2D model of the RTD substrate are derived and analyzed. The main result is nontrivial solutions for eigenfrequencies ofthe substrate:

Ип2( kz,’/) = (с2/б|а)((тгп/а)2 + kz2 x2)

It means that the RTD substrate may oscillate at frequencies lower than those determined by the dimensions and layout of the substrate.

IV.  Conclusion

In conclusion, it should be noted that most of the results presented in this article were obtained by Oleg T. Gavrilov.

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