Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры

В данной работе исследуются статические, импедансные и шумовые характеристики структур GaAs–AlGaAs и AlGaAs–GaAs, в которых за счет профиля легирования на гетеропереходе формируется статический домен сильного поля. Характеристики рассматриваемых диодов сравниваются с характеристиками аналогичных при...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Боцула, О.В., Приходько, К.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2015
Назва видання:	Радіофізика та електроніка
Теми:	Радиофизика твердого тела и плазмы
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/106241
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры / О.В. Боцула, К.Г. Приходько // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 3. — С. 66-71. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-106241
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1062412016-09-22T03:03:02Z Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры Боцула, О.В. Приходько, К.Г. Радиофизика твердого тела и плазмы В данной работе исследуются статические, импедансные и шумовые характеристики структур GaAs–AlGaAs и AlGaAs–GaAs, в которых за счет профиля легирования на гетеропереходе формируется статический домен сильного поля. Характеристики рассматриваемых диодов сравниваются с характеристиками аналогичных приборов на основе GaAs. Исследование показало существование в диодах участков с отрицательным сопротивлением на частотах, близких к 50 ГГц, а наилучшими характеристиками, с точки зрения генерации шума в диапазоне частот 25…75 ГГц, обладает гетероструктура GaAs–AlGaAs. Результаты исследования позволили определить основные свойства предложенных диодных элементов и являются ориентиром для дальнейшего детального анализа физических процессов в них и практической реализации. У роботі досліджуються статичні, імпедансні та шумові характеристики структур GaAs–AlGaAs і AlGaAs–GaAs, в яких за рахунок профілю легування на гетеропереході формується статичний домен сильного поля. Характеристики розглядуваних діодів порівнюються з характеристиками аналогічних приладів на основі GaAs. Дослідження показало існування в діодах ділянок з від’ємним опором на частотах, близьких до 50 ГГц, а найкращі характеристики, з точки зору генерації шуму в діапазоні частот 25…75 ГГц, має гетероструктура GaAs–AlGaAs. Результати дослідження дозволили визначити основні властивості запропонованих діодних елементів і є орієнтиром для подальшого детального аналізу фізичних процесів у них та практичної реалізації. In these paper the static, impedance and noise characteristics of the GaAs–AlGaAs and AlGaAs–GaAs-based structures were investigated. In this structures the static domain of the strong field is formed due to doping profile at the heterojunction. The characteristics of considered diodes are compared to those of similar GaAs-based devices. The existence of regions in diodes with negative resistance at frequencies close to 50 GHz was shown. The GaAs–AlGaAs-based heterostructure has the best performance for a noise generation in the frequency range of 25…75 GHz. The main properties of proposed structures are determined and can be used for further detailed analysis of physical processes of the structures and manufacturing. 2015 Article Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры / О.В. Боцула, К.Г. Приходько // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 3. — С. 66-71. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/106241 621.382.2 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Радиофизика твердого тела и плазмы Радиофизика твердого тела и плазмы
spellingShingle	Радиофизика твердого тела и плазмы Радиофизика твердого тела и плазмы Боцула, О.В. Приходько, К.Г. Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры Радіофізика та електроніка
description	В данной работе исследуются статические, импедансные и шумовые характеристики структур GaAs–AlGaAs и AlGaAs–GaAs, в которых за счет профиля легирования на гетеропереходе формируется статический домен сильного поля. Характеристики рассматриваемых диодов сравниваются с характеристиками аналогичных приборов на основе GaAs. Исследование показало существование в диодах участков с отрицательным сопротивлением на частотах, близких к 50 ГГц, а наилучшими характеристиками, с точки зрения генерации шума в диапазоне частот 25…75 ГГц, обладает гетероструктура GaAs–AlGaAs. Результаты исследования позволили определить основные свойства предложенных диодных элементов и являются ориентиром для дальнейшего детального анализа физических процессов в них и практической реализации.
format	Article
author	Боцула, О.В. Приходько, К.Г.
author_facet	Боцула, О.В. Приходько, К.Г.
author_sort	Боцула, О.В.
title	Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры
title_short	Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры
title_full	Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры
title_fullStr	Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры
title_full_unstemmed	Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры
title_sort	диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Радиофизика твердого тела и плазмы
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/106241
citation_txt	Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры / О.В. Боцула, К.Г. Приходько // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 3. — С. 66-71. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT boculaov diodskatodnymstatičeskimdomenomnaosnovegeterostruktury AT prihodʹkokg diodskatodnymstatičeskimdomenomnaosnovegeterostruktury
first_indexed	2025-07-07T18:09:33Z
last_indexed	2025-07-07T18:09:33Z
_version_	1837012640909492224
fulltext	РРААДДИИООФФИИЗЗИИККАА ТТВВЕЕРРДДООГГОО ТТЕЕЛЛАА ИИ ППЛЛААЗЗММЫЫ ________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028821X Радиофизика и электроника. 2015. Т. 6(20). № 3 © ИРЭ НАН Украины, 2015 УДК 621.382.2 О. В. Боцула, К. Г. Приходько Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина 4, пл. Свободы, Харьков, 61077, Украина E-mail: oleg.botsula@mail.ru ДИОД С КАТОДНЫМ СТАТИЧЕСКИМ ДОМЕНОМ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ Источники СВЧ-шума в сантиметровом и миллиметровом диапазонах с высоким уровнем спектральной плотности мощ- ности шума имеют целый ряд важных применений, среди которых системы связи, автомобильной локации и радиометрии. Однако на сегодняшний день выбор эффективных твердотельных генераторов шума на частотах более 40 ГГц ограничен. Одним из вариан- тов активного элемента для шумовой генерации являются предлагаемые приборы – диоды с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры. В данной работе исследуются статические, импедансные и шумовые характеристики структур GaAs–AlGaAs и AlGaAs–GaAs, в которых за счет профиля легирования на гетеропереходе формируется статический домен сильного поля. Харак- теристики рассматриваемых диодов сравниваются с характеристиками аналогичных приборов на основе GaAs. Исследование пока- зало существование в диодах участков с отрицательным сопротивлением на частотах, близких к 50 ГГц, а наилучшими характе- ристиками, с точки зрения генерации шума в диапазоне частот 25…75 ГГц, обладает гетероструктура GaAs–AlGaAs. Результаты исследования позволили определить основные свойства предложенных диодных элементов и являются ориентиром для дальнейше- го детального анализа физических процессов в них и практической реализации. Ил. 6. Библиогр.: 13 назв. Ключевые слова: диоды, ударная ионизация, гетеропереход, домен, напряженность электрического поля, импеданс, диапазон частот. Создание источников СВЧ-шума в санти- метровом (см) и миллиметровом (мм) диапазонах с высоким уровнем спектральной плотности мощности шума (СПМШ) является актуальной задачей современной радиофизики, радиолока- ции, радиоастрономии и твердотельной электро- ники. Наиболее мощным источником первичного СВЧ-шума в твердотельных приборах является ударная ионизация. Основным способом ее воз- буждения является создание высоких напряжен- ностей электрического поля. Одним из приборов, в которых ударная ионизация приводит к возникновению шумовой генерации, является предложенный ранее GaAs-диод с катодным статическим доменом [1–4]. Такой диод представляет собой n + –n – –n–n + -струк- туру, в которой концентрации n – и n различаются более чем на порядок. В результате на границе раздела n – - и n-областей формируется стабильная область с большой напряженностью электриче- ского поля (статический домен). Причем, как по- казывают проведенные ранее исследования, все параметры статического домена определяются именно свойствами n – –n-перехода и слабо зависят от длины n-области [5]. В состоянии, близком к пробойному, уровень шума в диодах достигал 10 4 …10 5 0kT , где 0T – температура решетки, k – постоянная Больц- мана, что и обусловило интерес к ним. В настоящей работе в качестве возмож- ной модификации рассматривается использова- ние слоев различных материалов для создания в n – –n-переходе дополнительной неоднородности в виде гетероперехода. Цель настоящей работы – исследование статических, частотных и шумовых характерис- тик диодов с катодным статическим доменом и гетеропереходом на границе n – - и n-областей. 1. Структура диода и модель его опи- сания. Рассмотрены три разновидности диодов, имеющие структуру n + –n – –n–n + (рис. 1, а): диод на основе GaAs (рис. 1, б) и диоды с использова- нием гетеропереходов GaAs–AlGaAs и AlGaAs– GaAs (рис. 1, в, г). В GaAs–AlGaAs-диоде (рис. 1, в) n – -слой является узкозонным материалом (GaAs), а n-область – широкозонный материал (AlGaAs). В этом случае со стороны AlGaAs возникает до- полнительный барьер для электронов, который способствует накоплению электронов в области n – -слоя, а также за счет использования более широкозонного материала в n-области уменьша- ется вероятность развития ударной ионизации. В AlGaAs–GaAs-диоде (рис. 1, г) в качестве n – -слоя на катодном контакте используется ши- рокозонный материал (AlGaAs), а n-область – узкозонный материал (GaAs). Подвижность носи- телей заряда и скорость насыщения в AlGaAs ни- же, чем в GaAs, что также должно способствовать накоплению электронов в n-области, но в отличие от первого случая, это свойство должно сохра- няться и в сильных электрических полях, когда кинетическая энергия электрона, ускоренного в домене сильного поля, станет больше, чем высота потенциального барьера в n – –n-переходе. На сегодняшний день наиболее точный метод моделирования шумовых характеристик диода – метод Монте-Карло, который хорошо зарекомендовал себя при исследовании шумов в коротких диодах [6]. Основная проблема его ис- пользования для анализа процессов в диодах с катодным статическим доменом – необходимость проводить расчеты в области полупроводника mailto:oleg.botsula@mail.ru О. В. Боцула, К. Г. Приходько / Диод с катодным статическим… _________________________________________________________________________________________________________________ 67 больших размеров. Кроме того, для правильного описания полупроводника в предпробойном со- стоянии необходимо учесть наличие носителей заряда обоих знаков (электронов, дырок) [7]. Рис. 1. Структура и профиль легирования (а), энергетические диаграммы GaAs-диода (б), GaAs–AlGaAs-диода (в) и AlGaAs–GaAs-диода (г) при U  0 Была рассмотрена трехдолинная модель зоны проводимости. Все аспекты моделирования электронов методом Монте-Карло аналогичны рассмотренным в работе [6]. Что касается дырок, то их концентрация до возникновения ударной ионизации ничтожно мала и при напряжении, близком к напряжению пробоя, первоначальная генерация пар электрон– дырка производится электронами. Минимальная энергия, необходимая для ударной ионизации, определяется эффективной массой тяжелых дырок. Поэтому именно зона тяжелых дырок была принята к рассмотрению, а межзонными процессами в валентной зоне реше- но пренебречь. Дисперсионное соотношение для тяже- лых дырок учитывает анизотропию закона дис- персии, поверхность постоянной энергии которо- го является гофрированной [8]:  ,))((124 )( 2 222 \|\| 22 2 2 3 42 2 2 \|\| 2 1 0 2 0       zy Vk kkkkk kk m     (1) где 1 , 2 , 3 – зонные параметры Латинжера; xk , yk , zk – составляющие волнового вектора дырки; 22 \|\| xkk  ; 222 zy kkk  ; 222 zyx kkkk  ; 0m – масса электрона;  – модифицированная постоянная Планка; 0V – энергия потолка валентной зоны. Использование 1 , 2 , 3 в выражении (1) дало возможность применить линейную аппроксима- цию для определения закона дисперсии в соеди- нениях AlxGa1–xAs при различных значениях мо- лярной части алюминия x [9]. В качестве механизмов рассеяния для дырок были рассмотрены рассеяние на деформа- ционном потенциале акустических и оптических фононов, полярное оптическое рассеяние, рассея- ние на ионизированных примесях и сплавном потенциале (в AlxGa1–xAs). При расчетах процессов рассеяния с участием дырок закон дисперсии (1) представля- ется в виде:      ,1 2 0 2 \|\| 22 0 g m Akk Vk      , где   2242222 sincossincossin  cbg ; 1A ;  21 2/ b ;    2 2 2 2 3 2/12  c ;  и  – азимутальный и полярный углы волнового вектора в k-пространстве. Эффективная масса плотности состояний в зоне тяжелых дырок определялась выражением:     3 2 2 0 02 30 ,1 sin 4 1                    g dd A mmdhh . Существует большой разброс параметров 1 , 2 и 3 : для GaAs – 1 6,79…7,2; 2 1,9…2,88; 3 2,681…3,05; для AlAs – 1 3,42…4,04; 2 0,67…1,23; 3 1,17…1,57 [10]. Наиболее используемые параметры: для GaAs – 1 6,98; 2 2,06; 3 2,93; для AlAs – 1 3,76; 2 0,82; 3 1,42. Для этих парамет- Nd n+ n+ n– n x E Ef E Ef E Ef EC EV x EC EV x EC EV x а) б) в) г) О. В. Боцула, К. Г. Приходько / Диод с катодным статическим… _________________________________________________________________________________________________________________ 68 ров значение эффективной массы плотности со- стояний тяжелых дырок составляет 0,61 0m для GaAs и 0,786 0m для AlGaAs. Для вероятности рассеяния на полярных оптических фононах было использовано выраже- ние:          , 1 sin cos2 cos31 11 24 2 3 0 2 0 22 2 2 1 0 ст42 3 0 2 3 0 2 ПО ',ψ,g 'dψd kk'k'k ωε χχ A ωme kW π π k                       где 0 – энергия оптического фонона; ст и  – статическая и высокочастотная диэлекриче- ская проницаемости соответственно;  – угол между векторами дырки k  и 'k  соответственно до и после рассеяния. Для других рассматривае- мых механизмов рассеяния использовались соот- ношения из [9]. Вероятность ударной ионизации исполь- зуется в виде [11]:    p p p iiW                2,3 131029,1 , где  – энергия электрона, эВ; p – пороговая энергия ударной ионизации;  y – функция Хевисайда. В зависимости от молярной доли алюминия x, пороговая энергия определяется формулой:  XLp  43125,0   , где , L , X – энергии минимумов соответст- венно долин , L, X зоны проводимости, отсчи- тываемые от потолка валентной зоны. При переносе электронов через гетеро- переход учитывались законы сохранения энергии и импульса [12], причем разрешенными счита- лись переходы между одноименными долинами. Расчетная область диода выбирается в виде прямоугольника. Для нахождения двумерно- го распределения потенциала был выбран один из подвидов метода релаксации – многосеточный метод. 2. Статические характеристики диодов. Распределения напряженности электрического поля и концентрации для трех разновидностей диода (AlxGa1–xAs–GaAs, GaAs–AlxGa1–xAs ( )3,0x и GaAs без гетероперехода) при напря- жении питания 60 В показаны на рис. 2, 3. Из полученных распределений видно, что самая высокая напряженность электрического поля наблюдается в GaAs-диоде. Причем для GaAs-диода и диода со структурой GaAs–AlxGa1–xAs все распределения качественно близки. Рис. 2. Распределение напряженности электрического поля в диодах: 1 – GaAs; 2 – GaAs–AlxGa1–xAs; 3 – AlxGa1–xAs–GaAs Рис. 3. Распределение примесей и концентрации носителей заряда в диодах: 1 – Nd (x); 2 – n(x), GaAs-диод; 3 – n(x), GaAs–AlxGa1–xAs-диод; 4 – n(x), AlxGa1–xAs–GaAs-диод; 5 – p(x), GaAs-диод; 6 – p(x), AlxGa1–xAs–GaAs-диод Для диода со структурой AlxGa1-xAs–GaAs распределение концентрации носителей заряда практически линейно, за исключением n – –n-пере- хода, что приводит к смещению катодного доме- на к n – –n-контакту. Также можно отметить более крутые стенки домена и отсутствие виртуального катода на n – –n-контакте. Для выбранного напряжения U  60 В характерным является проявление ударной иони- зации, которая наблюдается в AlxGa1–xAs–GaAs и GaAs-диодах, и появление дырок. Концентрация дырок не превышает 15102  см –3 и еще, по сути, не влияет на процессы в диоде. Такое состояние можно назвать предпробойным; оно представляет интерес с точки зрения генерации шума. Вольтамперные характеристики (ВАХ) рассматриваемых диодов показаны на рис. 4. Все полученные характеристики демонстрируют оди- наково качественное поведение – увеличение то- ка до определенного напряжения с тенденцией к насыщению и последующее увеличение тока, связанное с ударной ионизацией в домене силь- ного поля при больших напряжениях. 41016 21016 0 N d , n , p , с м – 3 6 0 5 10 15 x, мкм 5 1 3 2 4 200 150 100 50 0 E , к В /с м 0 5 10 15 x, мкм 3 1 2 О. В. Боцула, К. Г. Приходько / Диод с катодным статическим… _________________________________________________________________________________________________________________ 69 Рис. 4. Вольтамперные характеристики диодов: 1 – GaAs; 2 – GaAs–AlxGa1–xAs; 3 – AlxGa1–xAs–GaAs Причем ВАХ GaAs–AlxGa1–xAs-диодов и GaAs-диодов похожи, а ВАХ AlxGa1–xAs–GaAs-диодов отличаются меньшей величиной плотности тока. Это свидетельствует об определяющей роли доме- на сильного поля в формировании характеристик. 3. Импедансные характеристики диодов. Практическое применение исследуемых структур во многом определяется характером их высоко- частотных характеристик. На примере катодного статического до- мена показано, что при формировании в образце статичного домена сильного поля заметно изме- няются динамические характеристики диода в определенной полосе частот, сопротивление об- разца становится отрицательным [3]. И хотя ме- ханизмы возникновения отрицательного динами- ческого сопротивления (ОДС) достаточно слож- ны и окончательно не выяснены, можно считать, что основную роль при этом играют пролетные эффекты. Анализ частотных свойств диодов прово- дился путем определения импедансов в условиях малого сигнала. При этом считалось, что площадь поперечного сечения диода 410S см 2 . Результаты расчета для всех трех разно- видностей диодов в предпробойном состоянии (U  60 В) показаны на рис. 5. Рис. 5. Зависимость активной составляющей импеданса в предпробойном состоянии при напряжении U  60 В: 1 – GaAs-диод; 2 – диод AlxGa1–xAs–GaAs; 3 – диод GaAs–AlxGa1–xAs Значения ZRe получены для частот в диапазоне от 2 до 150 ГГц. Зависимости, постро- енные с их использованием, позволяют оценить импедансные характеристики диодов. Характерной особенностью анализируе- мых кривых является наличие отрицательного динамического сопротивления в определенных диапазонах частот. Активная составляющая им- педанса меняется с изменением частоты немоно- тонно и в некоторых полосах частот принимает отрицательные значения. Можно утверждать, что для диодов на основе однотипного материала (GaAs) составляющая импеданса положительна во всей рассматриваемой полосе частот и имеет минимумы, близкие к нулю, на частотах примерно 12…15 ГГц. Для диода со структурой AlxGa1–xAs–GaAs наблюдается наличие полосы отрицательной со- ставляющей импеданса в диапазоне 5…14 ГГц. Максимальное значение отрицательной состав- ляющей импеданса для диода площадью 410S см 2 составляет 0,87 Ом. Диод со структурой GaAs–AlxGa1–xAs имеет два участка, в которых составляющая им- педанса отрицательна, на частотах 5…14 ГГц (максимальное значение 6 Ом) и на частотах 37…50 ГГц (максимальное значение 1,97 Ом). При более низких напряжениях, напри- мер 40 В, участки ОДС не наблюдаются. Участки ОДС в структуре GaAs–AlxGa1–xAs на частотах более 37…50 ГГц можно объяснить пролетными явлениями в домене сильного поля. В связи с инерционностью процесса ударной иони- зации могут возникать некоторые фазовые со- отношения между лавинным током, напряжением и дрейфом электронных сгустков в области умножения. Стимулом для таких процессов явля- ется наличие отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) в стенках домена при малых напряженностях поля. Таким образом, диоды с катодным стати- ческим доменом сильного поля в условиях начала развития ударной ионизации обладают отрица- тельным динамическим сопротивлением в облас- ти высоких частот и, следовательно, могут слу- жить активными элементами в СВЧ-цепях на час- тотах до 60 ГГц. Причем в области частот выше 50 ГГц зависимость реальной части импеданса от частоты слабая, что должно облегчить согласова- ние диода с высокочастотным трактом. 4. Шумовые характеристики диодов. Для определения шумовых характеристик диода проводится анализ флуктуации тока  ti . В общем случае наблюдения проводятся периодически, через определенный промежуток времени t , который соответствует дискретизиции с частотой tfe  /1 . Согласно теореме Котельникова, если для частоты дискретизации справедливо нера- 104 5104 0 J, А /с м 2 0 20 40 60 U, B 1 3 2 5 0 –5 R eZ , О м О. В. Боцула, К. Г. Приходько / Диод с катодным статическим… _________________________________________________________________________________________________________________ 70 венство max2 ffe  , где maxf – наибольшая частота спектра функции  tx , то функция  tx однознач- но воспроизводится по дискретным значениям  efkx / , ...;2;1;0 k Данное условие выпол- няется автоматически, поскольку временной шаг выбирается из условия  W t   1 , где  W – частота рассеяния электронов, которая гораздо больше рассматриваемых частот (   1312 10...10~W с –1 ). На первом этапе определяется автокор- реляционная функция по формуле [13]   , 1 1      kN i kii II kN K  где tk – момент времени, в котором вычис- ляется автокорреляционная функция; iI – значе- ние плотности тока в моменты времени ti . Затем путем численного интегрирования вычис- ляется  fS . Шаг дискретизации по частоте f должен удовлетворять неравенству T f 2 1  , где T – продолжительность данного сигнала. Таким образом, самыми главными параметрами являют- ся граничная частота T f 1 0  и частота Найквиста T N fN 2  , которая является верхней частотной границей. Спектральные характеристики диодов показаны на рис. 6. Рис. 6. Спектральные характеристики диодов при напряжении U  60 В: 1 – диод GaAs; 2 – диод GaAs–AlxGa1–xAs; 3 – диод AlxGa1–xAs–GaAs Полученные зависимости показывают, что в диоде с гетеропереходом, по сравнению с диодом на основе GaAs, происходит увеличение спектральной плотности мощности шума (СПМШ) в низкочастотной области спектра (в диапазоне 50…100 ГГц). Особенно это касается диода со структурой GaAs–AlxGa1–xAs, в котором СПМШ почти на порядок выше, чем в диоде GaAs. Кроме того, для этой структуры СПМШ практически постоянна в широком интервале частот, что явля- ется положительным свойством для практическо- го использования. Для более высоких частот спектральная плотность шума в диодах с гетеропереходами GaAs–AlGaAs либо ниже, либо близка к спект- ральной плотности шума в диодах на GaAs. Нужно отметить, что диоды на основе GaAs и соединения AlxGa1–xAs, которое было рас- смотрено, по многим параметрам очень близки, поэтому анализ диода с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры, содержащей другие, более контрастные по свойствам, полу- проводники, с целью получения высоких уровней СПМШ может стать целью дальнейших исследо- ваний. Выводы. Таким образом, в результате проведенных расчетов показано, что использова- ние гетероперехода на n – –n-переходе в диоде с катодным статическим доменом слабо влияет на статические характеристики диодов. Диоды с ка- тодным статическим доменом в условиях, близ- ких к развитию ударной ионизации, обладают отрицательным динамическим сопротивлением в области высоких частот и, следовательно, могут служить активными элементами в СВЧ-цепях. Из трех разных диодов, которые были проанализированы (GaAs, GaAs–AlxGa1–xAs и AlxGa1–xAs–GaAs), самую широкую полосу ОДС имеют структуры GaAs–AlxGa1–xAs. Область от- рицательного сопротивления охватывает диапа- зон частот до 60 ГГц. В области 50…100 ГГц за- висимость реальной части импеданса от частоты слабая, что должно облегчить согласование диода с высокочастотным трактом. В диоде с гетеро- переходом происходит увеличение спектральной плотности шума в низкочастотной области спектра (в диапазоне 25…75 ГГц). Библиографический список 1. Золотарев Е. С. Модели диодов с катодным статическим доменом / Е. С. Золотарев, Э. Д. Прохоров // Радиотехника и электрон. – 1990. – Вып. 35, № 10. – С. 2221–2223. 2. Прохоров Э. Д. Влияние параметров прикатодной области диода с катодным статическим доменом на порог генера- ции СВЧ-шума / Э. Д. Прохоров, О. В. Боцула, С. Б. Соко- лов // Радиофизика и электрон. – 2010. – 1(15), № 1. – С. 91–95. 3. Прохоров Э. Д. Шумовой спектр диода с катодным стати- ческим доменом / Э. Д. Прохоров, С. Н. Скоробогатова // Радиотехника и электрон. – 1985. – Вып. 31, № 7. – С. 1447–1449. 4. А. с. № 1591775 СССР. Диод для генерации СВЧ-шума / Э. Д. Прохоров, Е. С. Золотарев. – 26. 07. 1989. 5. Prokhorov E. D. Diode with cathode static domain as the source of HF-noise / E. D. Prokhorov, O. V. Botsula // 19th Int. Crimean Conf. Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo’2009): Proc. – Vol. 1. – P. 93–94. 10–6 10–7 10–8 S , А 2 с /с м 4 0 50 100 f, ГГц О. В. Боцула, К. Г. Приходько / Диод с катодным статическим… _________________________________________________________________________________________________________________ 71 6. Monte Carlo simulation of diodes with a cathode static do- main / E. D. Prokhorov, O. V. Botsula, A. V. Dyadchenko, I. A. Gorbunov // 23rd Int. Crimean Conf. Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo’2013): Proc. – Vol. 1. – P. 139–140. 7. Cook R. K. Diffusion effects “Ballistic Transport” / R. K. Cook, J. Frey // IEEE Trans. Electron Devices. – 1981. – ED-28, Iss. 8. – P. 951–953. 8. Adachi S. GaAs, AlAs, and AlxGa1–xAs: Material parameters for use in research and device applications / S. Adachi // J. Appl. Phys. – 1985. – 58, N 3. – P. 1–29. 9. Vurgaftman I. Band parameters for III–V compound semicon- ductors and their alloys / I. Vurgaftman, J. R. Meyer, L. R. Ram-Mohan // J. Appl. Phys. – 2001. – 89, N 11. – P. 5815–5875. 10. Jacoboni C. The Monte Carlo method for the solution of charge transport in semiconductors with applications to covalent materials / C. Jacoboni, L. Reggiani // Rev. Modern Phys. – 1983. – 55, N 3. – 1983. – P. 675–705. 11. Experimental and Monte Carlo Analysis of Impact-Ionization in AlGaAs/GaAs HBT’s / С. Canali, Р. Pavan, P. Lugli et al. // IEEE Transaction on electron devices. – 1996. – 43, N 11. – P. 1769–1777. 12. Garcias-Salva P. Effects of the emitter-base effective-mass difference on the collector current in InP/InGaAs HBTs A Monte Carlo study / P. Garcias-Salva, J. M. Lopez-Gonzalez, L. Prat // Microelectronic Engineering. – 2000. – 51–52. – P. 415–424. 13. Хокни Р. Численное моделирование методом частиц / Р. Хокни, Дж. Иствуд; пер. с англ. под ред. Р. З. Сагдеева и В. И. Шевченко. – М.: Мир, 1987. – 640 с. Рукопись поступила 03.07.2015. O. V. Botsula, К. H. Prykhodko HETEROSTRUCTURE-BASED DIODE WITH THE CATHODE STATIC DOMAIN The sources of noise in the microwave and mm-cm bands with high noise power spectral density have a number of important applications, including communications, automotive location and radiomeasurement. However, there is not many effi- cient solid-state generators of noise at frequencies above 40 GHz. The proposed active element for noise generating (heterostructure- based diodes with the cathode static domain) may be one of them. In these paper the static, impedance and noise characteristics of the GaAs–AlGaAs and AlGaAs–GaAs-based structures were investi- gated. In this structures the static domain of the strong field is formed due to doping profile at the heterojunction. The character- istics of considered diodes are compared to those of similar GaAs- based devices. The existence of regions in diodes with negative resistance at frequencies close to 50 GHz was shown. The GaAs– AlGaAs-based heterostructure has the best performance for a noise generation in the frequency range of 25…75 GHz. The main prop- erties of proposed structures are determined and can be used for further detailed analysis of physical processes of the structures and manufacturing. Key words: impact ionization, heterojunction, domain, electric field strength, impedance, frequency range. О. В. Боцула, К. Г. Приходько ДІОД З КАТОДНИМ СТАТИЧНИМ ДОМЕНОМ НА ОСНОВІ ГЕТЕРОСТРУКТУРИ Джерела НВЧ-шуму в сантиметровому та мілі- метровому діапазонах з високим рівнем спектральної густини потужності шуму мають низку важливих застосувань, серед яких системи зв’язку, автомобільної локації та радіометрії. Однак на цей час вибір ефективних твердотільних генераторів шуму на частотах понад 40 ГГц обмежений. Одним із варіан- тів активного елемента для генерації шуму є запропоновані прилади – діоди з катодним статичним доменом на основі гетероструктури. У роботі досліджуються статичні, імпеданс- ні та шумові характеристики структур GaAs–AlGaAs і AlGaAs–GaAs, в яких за рахунок профілю легування на гетеропереході формується статичний домен сильного поля. Характеристики розглядуваних діодів порівнюються з харак- теристиками аналогічних приладів на основі GaAs. Дослід- ження показало існування в діодах ділянок з від’ємним опором на частотах, близьких до 50 ГГц, а найкращі характе- ристики, з точки зору генерації шуму в діапазоні частот 25…75 ГГц, має гетероструктура GaAs–AlGaAs. Результати дослідження дозволили визначити основні властивості запро- понованих діодних елементів і є орієнтиром для подальшого детального аналізу фізичних процесів у них та практичної реалізації. Ключові слова: діоди, ударна йонізація, гетеро- перехід, домен, напруженість електричного поля, імпеданс, діапазон частот.

Диод с катодным статическим доменом на основе гетероструктуры

Репозитарії

Схожі ресурси