Резонансно-туннельный пролетный диод

 

Изобретение относится к электронной технике, полупроводниковой электронике, СВЧ-полупроводниковым диодам с динамическим отрицательным сопротивлением. Целью изобретения является увеличение КПД и максимальной рабочей частоты резонансно-туннельного пролетного диода путем сокращения фазовой длины пакетов носителей заряда, инжектируемых в пролетный участок, что достигается тем, что по крайней мере один из потенциальных барьеров квантовой гетероструктуры, а именно барьер, ограничивающий потенциальную яму со стороны пролетного участка, выполнен из двух слоев различных полупроводниковых материалов, различающихся значениями скачка потенциала для основных носителей заряда на гетерогранице между слоями этих материалов и узкозонным слоем, образующим потенциальную яму, причем для слоя, примыкающего к пролетному участку, значение упомянутого скачка потенциала меньше, чем для слоя, примыкающего к потенциальной яме. 3 ил.

Изобретение относится к электронной технике,полупроводниковым диодам с динамическим отрицательным сопротивлением. Целью изобретения является повышение КПД и максимальной рабочей частоты резонансно-туннельного пролетного диода (РТПД) путем сужения фазовой ширины пакетов носителей заряда, инжектируемых в пролетный участок диода. На фиг.1 изображена структура РТПД; на фиг.2 равновесная энергетическая диаграмма дна зоны проводимости диода, в котором основными носителями заряда являются электроны; на фиг.3 энергетическая диаграмма дна зоны проводимости квантовой барьерной гетероструктуры РТПД при различных значениях приложенной к этой гетероструктуре разности потенциалов. Диод содержит электрод 1 эмиттера, эмиттерный контактный слой 2 сильно легированного узкозонного материала толщиной d₂, нелегированный барьерный слой 3 одного широкозонного материала толщиной d₃, слой 4 узкозонного материала, образующий потенциальную яму, толщиной d₄, нелегированный барьерный слой 5 второго широкозонного материала толщиной d₅, нелегированный барьерный слой 6 третьего широкозонного материала толщиной d₆, пролетный участок (слой) 7 из узкозонного материала толщиной d₇, сильнолегированный коллекторный слой 8 толщиной d₈, коллекторный электрод 9. На фиг.2 уровень энергии, соответствующий дну зоны проводимости ε_с, уровень энергии Ферми в эмиттерном слое, отсчитываемый от дна зоны проводимости ε_F, резонансный энергетический уровень в квантовой яме, отсчитываемый от дна зоны проводимости эмиттера ε_о. На фиг.3,а изображена энергетическая диаграмма в равновесных условиях V≈ 0; на фиг.3б,в,г при V>0, где Δ ε₃ Δ ε₅ Δ ε₆ высоты потенциальных барьеров, равные скачкам потенциальной энергии электронов на гетерограницах между широкозонными слоями 3, 5, 6 и узкозонными слоями 4, 7; ε энергия электронов, отсчитываемая от дна зоны проводимости эмиттерного слоя 2; ε_F уровень Ферми электронов в эмиттерном слое; ε_о энергия резонансного уровня электронов в квантовой яме; V_F значение разности потенциалов, при котором уровень Ферми совпадает с резонансным уровнем ε_о, но остается ниже потенциального барьера слоя 6; V₁ разность потенциалов, при которой резонансный уровень поднимается над барьерным слоем 6 и начинается резонансное туннелирование электронов из эмиттерного слоя в пролетный участок; V_o разность потенциалов, при которой дно зоны проводимости в эмиттерном слое становится выше резонансного уровня ε_о и резонансное туннелирование электронов прекращается. Носители заряда в пакете, инжектируемом через квантовую гетероструктуру из эмиттерного контакта, распределены неравномерно, их концентрация возрастает от начала пакета к его концу. Поэтому если "отсечь" начальную часть пакета, то можно уменьшить его ширину без существенного уменьшения полного числа носителей заряда в пакете, их средняя (по длине пакета) плотность при этом возрастает. В результате возрастут как максимально достижимая рабочая частота диода, так и его КПД на данной частоте. При этом для слоя, примыкающего к пролетному участку, значение Δ ε скачка потенциала меньше чем для слоя, примыкающего к потенциальной яме и удовлетворяет соотношению ε_o-ε_F< (Δε-ε_o) < ε_o, (1) где ε_F энергия Ферми носителей заряда в эмиттерном слое; ε_о резонансное значение поперечной энергии носителей заряда в квантовой потенциальной яме; d₁ толщина слоя узкозонного материала, образующего квантовую потенциальную яму; d_Б1, d_Б2 толщины барьерных слоев, примыкающих к квантовой яме со стороны эмиттера и пролетного участка соответственно. Инжектируемыми основными носителями заряда могут служить либо электроны, либо дырки. В конструкции РТПД сужение пакета инжектируемых в пролетный участок носителей заряда достигается путем введения в структуру диода дополнительного слоя широкозонного материала (фиг. 1), создающего дополнительный потенциальный барьер, высота которого Δ ε₆ меньше высоты потенциального барьера ε₅ создаваемого слоем, примыкающим к потенциальной яме, но больше энергии резонансного уровня ε_о (фиг.2). Расчет показывает, что высоты и толщины барьеров должны удовлетворять условию ε_o-ε_F(Δε₆-ε_o) < ε_o, (2) где энергия ε_о связана с Δ ε₃ и Δ ε₅ уравнением d₄ arcsin -arcsin , (3) где m^* эффективная масса электрона в узкозонном материале, образующем квантовую яму; 2 π h постоянная Планка. При выполнении условия (2) резонансное туннелирование электронов начинается не при разности потенциалов V_F, qV_F= (ε_o-ε_F) , (4) при которой уровень Ферми в эмиттерном слое сравняется с резонансным уровнем ε_о (фиг.3,б) как в прототипе, а при большем значении V₁, определяемом выражением qV₁= (Δε_Б-ε_o) , (5) где d₁=d₃+d₄+d₅+d₆; d=d₃+d₄+d₅; q заряд электрона, при котором резонансный уровень становится выше барьера слоя 6 (фиг.3,в). Прекращение инжекции электронов как в прототипе происходит при разности потенциалов
V_o= , (6) при которой дно зоны проводимости эмиттерного слоя станет выше резонансного уровня ε_о (фиг.3,г). Фазовая длина инжектируемого пакета электронов определяется
V_o-V₁= -(Δε_Б-ε_o)· (7) и может быть сделана сколь угодно малой при уменьшении выражения в квадратных скобках формулы (7). Последнее может быть достигнуто как следует из формул (7) и (3) выбором материалов, определяющих значения высот барьеров Δ ε₃ Δ ε₅ Δ ε₆ и толщин слоев гетероструктуры d₃, d₄, d₅, d₆. Уменьшение фазовой длины инжектируемого пакета носителей заряда не только само по себе ведет к повышению рабочей частоты и КПД РТМД, но и улучшает эти характеристики благодаря тому, что одновременно сокращается разброс скоростей носителей заряда и, следовательно, разброс углов пролета этих носителей в пролетном участке, который снижает величину отрицательного сопротивления диода и его КПД на данной частоте, а следовательно, максимальную рабочую частоту. Таким образом, вследствие значительно меньшей фазовой длины пакета носителей заряда, инжектируемого через квантовую гетероструктуру в пролетный участок, настоящий РТПД будет иметь по сравнению с прототипом существенно большие значения величины отрицательного сопротивления и КПД на данной рабочей частоте и большие значения максимальной рабочей частоты. Таким образом, по сравнению с прототипом конструкция РТПД благодаря значительно меньшей фазовой длине пакетов носителей заряда, инжектируемых в пролетный участок, и меньшего разброса скоростей этих носителей обеспечит значительно большие величины отрицательного активного сопротивления и КПД на данной частоте, а следовательно, и большие значения максимальной рабочей частоты. Последняя в РТПД ограничивается только инерционностью процесса резонансного туннелирования и может достигать (1-2)х10¹² Гц.

Формула изобретения

РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫЙ ПРОЛЕТНЫЙ ДИОД, содержащий между эмиттером и пролетным участком многослойную квантовую гетероструктуру, выполненную из полупроводниковых материалов с различными значениями ширины запрещенной зоны, так что слой более узкозонного полупроводника образует квантовую яму для носителей заряда, которая ограничена с обеих сторон потенциальными барьерами, образованными слоями более широкозонных материаллов, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и максимальной рабочей частоты диода, один из упомянутых потенциальных барьеров, ограничивающий потенциальную яму со стороны пролетного участка, выполнен по крайней мере из двух слоев полупроводниковых материалов, различающихся значениями скачка потенциала для основных носителей заряда на гетерограницах между слоями этих материалов и узкозонным слоем, образующим потенциальную яму, причем для слоя, примыкающего к пролетному участку, значение Δε упомянутого скачка потенциала меньше, чем величина скачка потенциала для слоя, примыкающего к потенциальной яме, и удовлетворяет соотношению

где ε_F энергия Ферми носителей заряда в эмиттерном слое;
ε_o резонансное значение поперечной энергии носителей заряда в квантовой потенциальной потенциальной яме;
d_я толщина слоя указанного материала, образующего квантовую потенциальную яму;
d_Б1, d_Б2 толщина барьерных слоев, примыкающих к квантовой яме, со стороны эмиттера и пролетного участка соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3