высокочастотный прибор на эффекте ганна
Классы МПК: | H01L47/02 приборы с эффектом Ганна |
Автор(ы): | Каневский Василий Иванович[UA], Сухина Юрий Ефимович[UA], Пономаренко Анатолий Александрович[UA] |
Патентообладатель(и): | Каневский Василий Иванович[UA], Сухина Юрий Ефимович[UA], Пономаренко Анатолий Александрович[UA] |
Приоритеты: |
подача заявки:
1995-08-29 публикация патента:
27.09.1997 |
Использование: в радиотехнической аппаратуре для генерирования СВЧ колебаний. Сущность изобретения: в высокочастотном приборе на эффекте Ганна область катода, инжектирующая ток, выполнена в виде локальных гетероинжекторов последовательно состоящих из металла с большей шириной запрещенной зоны, чем у материала n - GaAs, AlxGa1-xAs с постоянным значением параметра x, контактирующего, с одной стороны, с материалом n - GaAs и образующего с ним резкий гетеропереход, а с другой стороны, контактирует со слоем AlxGa1-xAs с убывающим значением параметра x к нулю в направлении к слою n++ - GaAs - типа проводимости со стороны катодного контакта, причем слой с линейно изменяющимся значением параметра x AlxGa1-xAs находится между слоем материала AlxGa1-xAs с постоянным значением параметра x и имеет с ним одинаковое значение параметра x на границе контактирования, и слоем n++ - GaAs - типа проводимости. Гетероинжектор окружен областью, ограничивающей инжекцию тока, выполненной в виде обратно смещенного барьера Шоттки. Параметр x выбирается из условия: 0 < x
0.23, а энергия
, набираемая носителями на длине гетероижектора удовлетворяет следующему соотношению:
ГL, где
ГL - энергетический зазор между Г и L долинами GaAs. Концентрация носителей в слое n+ - типа удовлетворяет следующему соотношению: n < n+ < n++, где концентрации n++, n выбираются из следующих условий: 8
1017
n
5
1018, см-3 3
1015
n
1,4
1016, см-3. Локальные гетероижекторы выполнены в виде цилиндрических областей, направленных вглубь полупроводникового материала, причем основания цилиндров лежат в плоскости катодного контакта прибора, а их образующая перпендикулярна плоскости катодного контакта. 3 з.п. ф-лы. 10 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091100/949.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091100/949.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
Формула изобретения
1. Высокочастотный прибор на эффекте Ганна, содержащий полупроводниковый материал GaAs n-типа проводимости, сформированные на нем полупроводниковые слои n++-GaAs-типа проводимости со стороны анодного контакта и локальной области n++-GaAs-типа проводимости в областях катодного контакта, инжектирующих ток, анодный контакт и катодный контакт, содержащий первое множество областей, инжектирующих ток в прибор, и второе множество областей, ограничивающих инжекцию тока в прибор, причем области, инжектирующие ток в прибор, образуют плоскую решетку, отличающийся тем, что области катода, инжектирующие ток в прибор, выполнены в виде локальных гетероинжекторов, последовательно состоящих из полупроводникового материала с большей шириной запрещенной зоны, чем у материала n-GaAs, AlxGa1-xAs, с постоянным значением параметра x, контактирующего с одной стороны с полупроводниковым материалом n-GaAs и образующего с ним гетеропереход, а с другой стороны контактирует со слоем AlxGa1-xAs с убывающим значением параметра x к нулю в направлении к слою n++-GaAs-типа проводимости со стороны катодного контакта, причем слой с линейно-изменяющимся значением параметра x AlxGa1-xAs находится между слоем материала AlxGa1-xAs с постоянным значением x и имеет с ним одинаковое значение параметра x на границе контактирования и слоем n++-GaAs-типа проводимости, причем гетероинжектор окружен областью, ограничивающей инжекцию тока, выполненной в виде обратно-смещенного барьера Шоттки, и параметр x выбирается из условия 0 < x![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091100/949.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091100/949.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
где
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
n++ > n+ > n,
где концентрация n++ и n выбираются из следующих условий:
8
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
3
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-36t.gif)
4. Прибор по пп. 1 3, отличающийся тем, что локальные гетероинжекторы выполнены в виде цилиндрических областей, направленных вглубь полупроводникового материала, причем основания цилиндров лежат в плоскости катодного контакта прибора, а их образующая перпендикулярна плоскости катодного контакта.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым прибором на основе переноса электронов и может быть использовано в радиотехнической аппаратуре для генерирования СВЧ колебаний. Существующие приборы на основе эффекта Ганна (диоды Ганна) не позволяют эффективно работать в субмиллметровом диапазоне длин волн, так как конструкции таких приборов приводят к ограничению частотного диапазона, коэффициента полезного действия вследствие большой зоны начального разогрева носителей ("мертвой" зоны). "Мертвой" или "холодной" зоной называют обычно область примыкающую к катоду прибора, в которой электроны приобретают энергию равную энергетическому зазору между Г и L долинами полупроводникового материала![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
Дальнейшее продвижение в субмиллиметровый диапазон частот может быть осуществлено при обеспечении дополнительного разогрева носителей в прикладной области приборов типа диодов Ганна. Попытка обеспечить дополнительный разогрев носителей в прикатодной области была предпринята в приборе, описанном в статье (см. M.R.Friscourt, P.A. Rolland and M.Pernisek "Heterojunction Cathode Contact Transferred-Electron Oscillators", IEEE Electron Device Letters, vol. EDL-6, N 10, October 1985, pp. 497-499). [2]
Полупроводниковый прибор на основе переноса электронов состоит из катода -n+: Ga Al As, активной области прибора n: GaAs и анод n+, то есть n+: Ga Al As/ n: GaAs/ n+ структуры. В качестве материала катода прибора используется более широкозонный материал Ga Al As, по сравнению с материалом в активной области прибора GaAs. Как указывается данной работе (с. 498), идея использования такого катода связана с тем, что в этом случае из катода (Ga Al As) в активную область прибора (n GaAs) инжектируются "горячие" электроны с энергией немного меньшей междолинного энергетического зазора
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
Полупроводниковый прибор на эффекте Ганна содержит активный слои, выполненный из полупроводникового материала GaAs данного типа проводимости, первый анодный контакт и второй катодный контакт, содержащий множество первых зон, способных инжектировать ток в прибор и множество вторых зон, формирующих выпрямляющие контакты с активной зоной, причем первая и вторая зона расположены на поверхности активного слоя напротив анодного контакта, формируя мозаику. Прибор также содержит металлический электрод, расположенный на первой и второй зонах. В приборе также первые зоны образованы с помощью металлического сплава, вторые зоны образованы из второго металлического сплава и введены в контакт с активным слоем, формируя с последним барьер Шоттки (БШ). В описании прибора по прототипу указывается, что ограниченная инжекция тока в диоде, реализованная с помощью островковой структуры катода гарантирует существование ненулевого тянущего поля в непосредственной близости у катода и более однородного распределения поля вдоль всей длины диода. Причем распространение тока в данном диоде уже не однонаправленное, как n+-n-n+ диоде (аналоге), а трехмерное. Размеры и плотность областей (количество областей на единицу площади катода) инжектирующих ток в области катода указанного диода (конструкции по прототипу) определяют плотности инжектирующего тока. Наличие ненулевого тянущего поля в непосредственной близости у катода позволяет уменьшить зону начального разогрева носителей ("мертвую" зону) и расширить частотный диапазон прибора по сравнению с конструкцией прибора-аналога. Тем не менее она ("мертвая" зона) остается, так как электронам необходимо набрать энергию
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091100/949.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091100/949.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
n++>n+>n,
где концентрации носителей n++,n выбирается из следующих условий:
8
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
3
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091398/931.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-2t.gif)
Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна локальные гетероинжекторы выполнены в виде цилиндрических областей направленных вглубь полупроводникового материала, причем основания цилиндров лежат в плоскости катодного контакта прибора, а их образующая перпендикулярна плоскости катодного контакта. На фиг. 1 представлен общий вид высокочастотного прибора на эффекте Ганна; на фиг. 2 то же, сечение A-A высокочастотного прибора на эффекте Ганна; на фиг. 3 часть сечения A-A (ячейка) высокочастотного прибора на эффекте Ганна; на фиг. 4 ячейка периодической структуры высокочастотного прибора на эффекте Ганна; фиг. 5 профиль зоны проводимости вдоль сечения
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-3t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-4t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-5t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-6t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-7t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-8t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091100/949.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
1) ABWS это n++ GaAs область непосредственно под AB областью инжектирующей ток в прибор и являющейся омическим контактом;
2) SWPK это n+ AlxGa1-xAs область, где x линейно изменяется от нуля до 0.23 (0<x
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
3) KPNM это n+ AlxGa1-xAs область;
4) BCDGMNPWB это n-GaAs область рассматриваемого прибора, включающая активную область данного прибора и находящаяся под областью BC, ограничивающей ток в приборе;
5) GDEF это n++ GaAs область анода прибора. Заметим, что область гетероинжектора высокочастотного прибора на эффекте Ганна представляет сумму областей, описанных в пунктах 1, 2 и 3. Представляется наиболее удобным рассмотрение разогрева электронов в гетероижекторе заявляемого прибора через анализ профиля зоны проводимости данного прибора вдоль сечения
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-9t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-10t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091141/8805.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-11t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-12t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-13t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-14t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-15t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
где Eс3р среднее поле в CD области (фиг. 5). в/м;
l3 толщина PN области (фиг. 4), м;
g заряд электрона, K. Носители, вышедшие из гетероинжектора и попавшие в активную область прибора через MN (фиг. 4) имеют кроме энергии V3 еще и энергию V4, равную
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
V3+V4
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091100/949.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-16t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-17t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-18t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-19t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091100/949.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
1) энергия данных носителей
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091100/949.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
2) поле в области границы раздела "гетероинжектора активная область" должно удовлетворять условию Eвых > Ea;
3) концентрация инжектируемых носителей в активную область заявляемого прибора должна быть оптимальной с точки зрения эффективности и соответственно расширения частотного диапазона данного прибора. Рассмотрим требования к конструкции гетероинжектора с точки зрения требований к конструкции гетероинжектора с точки зрения требований пунктов 1), 2) и 3). Согласно работе (см. кн. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов, т. 2, М. Мир, 1984, с. 102) на основе формулы туннелирования носителей сквозь барьер в ВКБ (метод Венцеля Крамеса Бриллюэна) приближении численным методом было получено, что толщина AlxGa1-xAs слоя в гетероинжекторе заявляемого прибора (между n++ областью омического контакта и активной n областью) равная приблизительно (1500 1700)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-20t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-21t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
в соответствии с работами (T.W. Hickmott, et all, J. Appl. Phys. 57, 2844 (1985)), (M. O. Watanabe, et all, J. Appl. Phys. 57, 5340 (1985)), причем параметры x удовлетворяет следующему неравенству:
0 < x
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
При x > 0.23 глубина залегания донорных уровней в AlxGa1-xAs резко возрастает (см. кн. Пека Г. П. Коваленко В. Ф. Смоляр А.Н. Варизонные полупроводники, Киев, изд. Выща школа, 1989 г. с. 34, фиг. 1.10), что приводит к вымораживанию носителей в гетероинжекторе при азотных температурных, перекрытию уровней примесей различных долин в зоне проводимости AlxGa1-xAs. При x > 0.23 также существенно увеличивается вероятность перехода носителей из Г в L долину в Alx Ga1-xAs, что нежелательно. Случай малых значений x. В случае малых x имеет изначальную неоптимальность прибора, которая заключается в том, что теряется влияние встроенного поля в области гетероинжектора, так как при уменьшении параметра x уменьшается
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-22t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-23t.gif)
n++ > n+ > n,
где n концентрация носителей в активной области заявляемого прибора;
n++ концентрация носителей под областью катода инжектирующей ток в прибор. Заметим, что n++ и n находятся в следующих пределах:
8
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
3
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
Нижний предел n++ носителей под областью катода инжектирующей ток в прибор определяются существованием хорошего омического контакта к n++ области катода. Верхний предел концентрации n++ определяется пределом растворения легирующей примеси в данном материале (GaAs). Верхний и нижний пределы для концентрации носителей n в полупроводниковом материале n-типа проводимости определяются областью существования эффекта Ганна для данного типа полупроводникового материала (n GaAs). Как показывают численные расчеты, при значении концентрации носителей n в полупроводниковом материале вне указанных границ эффект Ганна для данного типа полупроводникового материала является неустойчивым. Неравенство (2) необходимо для обеспечения условий 1) 3) для инжектируемых в активную область прибора носителей, а именно;
а) чтобы получить заданную величину
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091100/949.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091081/8773.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/916.gif)
б) учитывая тот факт, что увеличение концентрации донорной примеси в n+-AlxGa1-xAs уменьшает среднее поле в области гетероинжектора, может таким образом управлять данным полем с целью обеспечения условия Eвых
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091141/8805.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-24t.gif)
в) выбор величины n+ позволяет оптимальным образом подбирать величину тока инжекции в активную область высокочастотного прибора на эффекте Ганна с точки зрения эффективности данного прибора. Гетероинжектор высокочастотного прибора на эффекте Ганна выполнен в виде цилиндрических структур, расположенных непосредственно под электродом катода вдоль прибора в объеме n GaAs. Такое выполнение гетероинжекторов дает следующие преимущества:
а) в активной области заявляемого сразу за островковым гетероинжектором повышенное значение поля данного гетероинжектора спадает, так как инжектируемые в активной области рассматриваемого прибора носители могут двигаться в общем случае в любом направлении положительной полусферы. Такое выполнение гетероинжектора позволяет данному гетероинжектору не навязывать свое поле в активной области прибора, то есть нет необходимости создавать сразу за гетероинжектором (в активной области) тонкую высоколегированную n++ GaAs область для исключения влияния поля гетероинжектора на активную область прибора, хотя на гетерогранице n+ - AlxGa1-xAs/n GaAs нормальное поле значительное с целью уменьшения виртуального катода в данной области;
б) цилиндрическое выполнение инжектирующей области и расположение этих областей в виде пространственной регулярной решетки позволяет эффективно отводить от них (этих инжектирующих областей) тепло через подбарьерные области в теплоотвод, расположенный со стороны катода. Это позволяет в конечном итоге обеспечить непрерывный режим работы заявляемого прибора, а не импульсный. Высокочастотный прибор на эффекте Ганна с гетероинжектором (см. фиг. 4) содержит активный слой l из полупроводникового материала GaAs n типа проводимости, сформированных на нем со стороны анодного контакта 2 полупроводникового слоя 3 n++ типа проводимости и со стороны катодного контакта локального цилиндрического гетероинжектора, инжектирующего ток в прибор, причем гетероинжектор последовательно состоит из слоя 4 полупроводникового материала с большей шириной запрещенной зоны, чем у материал n GaAs, например AlxGa1-xAs, контактирующего, с одной стороны, активным слоем l полупроводникового материалы n GaAs и образующего с ним резкую гетерограницу, а с другой стороны контактирует со cлоем AlxGa1-xAs 5 с убывающим значением параметра x к нулю в направлении к слою n++ типа проводимости 6, причем слой AlxGa1-xAs 5 находится между слоем 4 материал AlxGa1-xAs и имеет с ним одинаковое значение параметра x на границе контактирования, и слоем n++ типа проводимости 6. Катод области AC высокочастотного прибора на эффекте Ганна с гетероинжектором состоит из инжектирующей ток в прибор области (генероинжектора) AMNB и ограничивающей инжекцию тока в прибор области 7 BC. Ограничивающая инжекцию тока в прибор области 7 BC выполнена в виде обратно-смещенного барьера Шоттки. Работа высокочастотного прибора на эффекте Ганна происходит следующим образом. При подключении к прибору постоянного смещающего напряжения
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-25t.gif)
1) эффективное значение барьера у ограничивающей ток части катода 7 выбрано таким, что исключает протекание тока через обратно-смещенный барьер Шоттки;
2) полный ток через боковые стенки ячейки прибора (фиг. 4) равен нулю;
3) ток, втекающий в проводящую ток часть катода 6 и вытекающий из анода в основном состоит из тока проводимости (как показали численные расчеты токами смещения и диффузии в первом приближении можно принебречь);
4) отношение площади инжектирующей ток части катода AB к общей площади катода составляет не более 10%
5) в начале момент времени после включения постоянного напряжения проводимость у инжектирующей ток части катода 6 изменяется незначительно;
6) ток через прибор в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется последующей формулой:
I =
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091259/963.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
где Ecкh нормальной составляющая среднего поля вдоль инжектирующей ток части катода;
Sk площадь инжектирующей ток части катода. На основании вышеизложенного вытекает тот факт, что среднее нормальное поле Ecкh инжектирующей части катода 6 в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется следующим образом:
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-26t.gif)
где Sa площадь анода;
Ecah нормальная составляющая среднего вдоль анодного контакта. Повышенное значение нормального поля у проводящей ток части катода 6 предлагаемого прибора в совокупности со встроенным полем в областях 4, 5 AlxGa1-xAs слоя гетероинжектора создают повышенное значение нормального поля Eвых на гетерогранице n+ - AlxGa1-xAs/n GaAs вдоль прибора между гетероинжектором и активной область l n GaAs. Указанное поле Eвых в начальный момент времени после включения постоянного включения приводит к появлению неподвижного обогащенного слоя (ОС) у гетероинжектора и подвижного обогащенного слоя. Указанным ОС соответствуют пики поля в заявляемом приборе. Подвижный ОС, отделившись от неподвижного ОС у гетероинжектора в начале пути, очень быстро возрастает до гораздо большего объема, чем в случае формирования ОС в приборе по прототипу. При подходе к анодной области обогащенный слой становится шире, уменьшаясь по амплитуде. Заметим, что в случае предлагаемого прибора по сравнению с прибором по прототипу подвижный ОС проходит существенно меньший участок активной области вдоль прибора перед тем, как становиться шире, уменьшаясь по амплитуде. Движение подвижного ОС характеризуется движением пика поля, максимум которого соответствует переднему фронту подвижного ОС. После установления переходного процесса в приборе устанавливается надпороговое поле с небольшим провалом в активной области заявляемого прибора у гетерограницы n+ AlxGa1-xAs/n - GaAs, который соответствует неподвижному ОС, образуя небольшой виртуальный катод. Заметим, что существование виртуального катода указывает на то, что прибор не оптимизирован, однако частотный диапазон заявляемого прибора более чем в два раза шире по сравнению с частотным диапазоном прибора по прототипу (фиг. 10). После ухода подвижного ОС в анодную область в активной области прибора не появляется новых подвижных ОС, которые бы характеризовались описанными выше пульсациями поля, концентрации свободных носителей. При приложении к прибору в качестве внешнего напряжения не только постоянной составляющей, но и переменной U = -Asin
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/969.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091057/969.gif)
В качестве полупроводникового материала использовались подложки GaAs марки ЭСАГ толщиной 250 мкм кристаллографической ориентации (100), причем концентрация носителей в n++ слое области со стороны анодного контакта составляет (1 4)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-27t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-28t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091036/183.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-29t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-30t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-31t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-32t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-33t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-34t.gif)
![высокочастотный прибор на эффекте ганна, патент № 2091911](/images/patents/381/2091911/2091911-35t.gif)
Класс H01L47/02 приборы с эффектом Ганна