ГЕНЕРАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ ММ- И СУБММ-ДИАПАЗОНОВ ДИОДАМИ ГАННА НА ОСНОВЕ ВАРИЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ А3В5

February 16, 2013 by admin Комментировать »

Аркуша Ю. В., Прохоров Э. Д., Стороженко И. П. Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61077, Украина тел.: (057) 705-12-62

Аннотация – Представлены результаты исследования энергетических и частотных характеристик диодов Ганна на ос-нове трех различных варизонных соединений ΑΙχ (ζ) Gai.* (z)As, lnx(z)Gai-x(z)As и lnPi.x(z)ASx(z) с η-η и η*-η~η катодами при раз-личной длине активной области и толщине вари- зонного слоя. Показана возможность получения генерации такими диодами в субмиллиметровом диапазоне.

I.                                       Введение

в диодах Ганна мм- диапазона для увеличения выходной мощности, КПД и предельной частоты генерации используют различные типы катодных контактов, которые обеспечивают высокий уровень энергии электронов у катода. Другим направлением является поиск полупроводниковых материалов, частотные возможности которых выше, чем GaAs или 1пР. Среди перспективных в этом плане материалов можно назвать тройные соединения InGai. xAsx, lnPi-xAsx, а также бинарные нитриды GaN, AIN. Метод, который объединяет эти два направления и приводит к некоторым совершенно новым эффектам, закпючается в использование полупроводниковых соединений, состав которых плавно изменяется с координатой, то есть варизонных полупроводников [1].

II.                              Основная часть

в работе представлены результаты исследования работы диодов Ганна на основе трех различных варизонных соединений ΑΙχ р Gai_x (z) As Ιπχ (ζ) Gai_x (ζ) As и ΙηΡι-χ (ζ) ASx (ζ) с η*-η и η -η~η катодами при различной длине активной области и толщине варизонного слоя.

Исследования проводились с помощью двухтемпературной модели междолинного переноса электронов в варизонном полупроводнике [2]. Процентная доля InAs в соединениях ΙηΡι.χ ASx и ΙΠχ Gai-x (Z) As или AlAs в ΑΙχ (ζ) Gai_x (ζ) As зависит от координаты ζ:

где χι и Х2 предельное содержание InAs или AlAs в соединениях, соответственно на -со и +со; zo – координата центра варизонного слоя; /у – толщина варизонного слоя.

В модели использовались параметры полупроводников, приведенные в работе [3], а также энергия электронного сродства в GaAs – 4.07 эВ, в 1пР – 4.40 эВ, в InAs – 4.90 эВ и в AlAs – 2.62 эВ. Температура кристаллической решетки считалась постоянной То = 300 К. На диод подается синусоидальное напряжение, что соответствует помещению диода в одноконтурный резонатор. Вычисления КПД диодов производилось для 2-го и 3-го периодов колебаний. Характер работы диодов с варизонным слоем определяется направлением изменения состава полупроводникового соединения. Дело в том, что на работу варизонного диода Ганна, по сравнению с диодом на основе пространственно однородного по составу полупроводника, оказывает влияние дополнительные факторы. Среди них можно выделить градиент энергии электронного сродства и зависимость от координаты частоты релаксации концентрации электронов в Г-долине (скорости переноса электронов из Г- в L-долины), так как все параметры варизонного полупроводника зависят от координаты. Если толщина варизонного слоя во много раз превышает длину активной области, то влияние этих факторов мало. По мере уменьшения /у на работу диода начинает влиять координатная зависимость электрофизических параметров полупроводника. Прежде всего, это сказывается на скорости переноса электронов из Г- в L-долины. Если скорость переноса электронов убывающая функция координаты, то в диоде, как с п*-п, так \л с п*- п ‘ – п катодом распространяются дипольные домены. В ΑΙχ (Z) Gai-x (Z) As, ΙΠχ (ζ) Gai.x (ζ) As и ΙηΡι.χ ASx (ζ) это имеет место, когда процентная доля GaAs возрастает и 1пР убывает с координатой. Выходная мощность и эффективность генерации таких диодов выше, чем диодов на основе однородных по составу полупроводников. Диоды имеют оптимальную толщину варизонного слоя, т. е. толщину варизонного слоя, при которой эффективность генерации диода максимальная. Оптимальная толщина зависит от длины активной области и от полупроводникового соединения [1]. Оптимальная толщина обусловлена двумя основными причинами.

Рис. 1. Зависимость КПД генерации диодов от частоты:1,5-А1о 2Gao sAs-GaAs диоды;2,6 – GaAs диоды; 3,7-Alo.iGao.gAs duodbi;4,8-Alo.2Gao.8As диоды.

CnnoujHbie – диоды с η*-п~-η катодом.

Пунктирные – диоды с п*-п катодом.

Fig. 1. Dependence of η on the frequency:

1,5- Alo.2Gao.8As-GaAs diode; 2, 6 – GaAs diode;

3,7     – Aio.iGao.gAs diode; 4, 8- Aio.2Gao.8As diode. Firm curves -for diodes with n*-n ‘ -n cathode, dotted curves – for diodes with n*-n cathode

Во-первых, ухудшаются условия зарождения неустойчивостей заряда у катода, так как при уменьшении толщины варизонного слоя состав соединения у катода перестает зависеть от координаты. Во- вторых, градиент энергии электронного сродства приводит к появлению значимого внутреннего поля варизонного слоя, которое противоположно направ-

ленно внешнему полю, что ухудшает условия дрейфа дипольного домена в центре активной области.

Рис. 2. Зависимость КПД генерации диодов от частоты:1,5 – 1пР-1пРо.бА5о.4диоды;2,6 – 1пР диоды; 3,7-1пРо.8Азо.2диоды; 4,8 – 1пРо.бАзо.4 диоды.

Сплошные – диоды с п^-гГп катодом.

Пунктирные – диоды с п^-п катодом.

Fig. 2. Dependence of η on the frequency:1,5-lnP- 1пРо.бА8о.4diode; 2,6- InP dlode;3,7-lnPo.8Aso.2diode; 4,

8 – 1пРо.бАзо.4 diode. Firm – for diodes with h^- n’ – n cathode, dotted – for diode with n^ – n cathode

Fig. 3. Dependence of η on the frequency: 1-GaAs- lno.4Gao.6As diode; 2 – GaAs-lno.4Gao.6As; 3 – lno.2Gao.8As diode; 4 – GaAs diode; 5- lno.2Gao.8As diode. Firm -for diodes with n^- n’ – n cathode, dotted – for diode with n^ – n cathode

Если процентная доля GaAs убывает и InP растет с координатой, то выходные характеристики вари- зонных диодов ухудшаются по сравнению с характеристиками соответственно Alo.1Gao.9As, lno.4Gao.6As и 1пРо.бАзо.4 диодов.

Рис. 3. Зависимость КПД генерации диодов от частоты: 1- GaAs-lno.4Gao.6As диод; 2- GaAs- lno.4Gao.6As диод; 3- lno.2Gao.8As диод; 4- GaAs диод; 5- lno.2Gao.8As диод; 6- GaAs диод. Сплошные – диоды с п^-п~п катодом. Пунктирные – диоды с п^-п катодом.

Из всего разнообразия полупроводниковых материалов пригодных для приборов с МПЭ мм- диапазона [3] можно выделить те варизонные полупроводники, у которых частота релаксации концентрации электронов в Г-долине убывающая функция координаты. Это следующие тройные варизонные полупроводниковые соединения А3В5: Gao.65Po.35As- GaAs; GaAso.45Sbo.55"GaAs; lno.52Gao.48P"lnP; lnPo.75Sbo.25-lnP; InN-GaN, lno.07Gao.93Sb-lno.70Gao.30Sb. Таким образом, в диодах на основе этих полупроводников следует ожидать возникновение дипольных доменов и вьюоких значений выходной мощности и они являются перспективными для работы их в суб- миллиметровом диапазоне электромагнитных волн.

IV.                         Список литературы

[1] Аркуша Ю. В., Прохоров Э. Д., Стороженко И. П. Влияние толщины варизонного слоя на энергетические и частотные характеристики lnx(z)Gai-x(z) Аз диодов Ганна. Радиотехника и электроника. 2006, т. 51, № 3, с. 371-377

[2] Стороженко И. П. Моделирование диодов Ганна на основе варизонных полупроводников. Радиофизика и электроника. Сб. науч. тр. НАН Украины. Ин-т. радиофизики и электроники. Харьков. 2003, т. 8, № 2, с. 287-294.

[3] Прохоров Э. Д., Белецкий Н. И. Полупроводниковые материалы для приборов с междолинным переносом электронов. -Харьков: Вища школа. -1982. -144 с.

GENERATION OF OSCILLATIONS IN ММ- AND SUB-MM-RANGES BY GUNN-DIODES ON THE BASE OF THE ALLOY VARIBAND A3B5 SEMICONDUCTOR

Arkusha Yu. V., Prokhorov E. D., Storozhenko I. P.

V.               N. Karazin Kharkov National University

4,                 Svobody Sq., Kharkov, 61077, Ukraine Ph.: (057) 705-12-62

Abstract – The results of researches of power and frequency characteristics for Gunn-diode on the base of the alloy variband semiconductor ΑΙχ (z> Gai_x (z> As, Ιπχ (z> Gai_x (z> As and lnPi-x (z) ASx (z) with n*-n and п*-пГп cathode contacts and with different active length and thickness variband layers are presented. The possibility of generation by means of such diodes in submillimeter range is shown.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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