ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР С МЕЖДОЛИННЫМ ПЕРЕНОСОМ ЭЛЕКТРОНОВ
SEMICONDUCTOR DEVICE WITH INTERVALLEY TRANSFER OF ELECTRONS

Изобретение относится к области твердотельной СВЧ-электроники и может быть использовано при конструировании генераторных, усилительных и автодинных СВЧ-модулей, предназначенных для генерации, усиления и преобразования колебаний.
+
+
Известны диоды Ганна (ДГ) [1], работающие на основе эффекта междолинного переноса электронов (МПЭ). Они содержат катодную и анодную части прибора и пролетную (активную) область, которая имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления. Обычно катод в конструкции ДГ выполняется как омический контакт Ме-n к слою n, где Me - слой металла, n - слой вырожденного электронного полупроводника, n - слой невырожденного электронного полупроводника. Известны различные варианты исполнения конструкции ДГ, в том числе планарного типа, когда активная область диода формируется на полуизолирующей (высокоомной) подложке или на сильнолегированной (низкоомной) подложке [2, 3].
Общим недостатком известных приборов с междолинным переносом электронов является низкий коэффициент полезного действия (КПД). Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в режиме генерации коэффициент полезного действия ДГ, выполненных на основе арсенида галлия (GaAs), даже в импульсном режиме не превышает 7%, а у ДГ, выполненных на основе фосфида индия (InP), - 10%. В серийном производстве КПД ДГ оказывается еще меньше [4].
1
2
2
2
1
2
2
1
2
2
2
2
1
+
Наиболее близким к заявляемому объекту является полупроводниковый прибор с междолинным переносом электронов [5], имеющий полупроводниковую структуру слоев: , где слои  выполняют роль двухслойного анода, слои  - роль трехслойного инжектирующего катода, а слой n образует пролетное пространство. В такой структуре электроны, преодолевшие барьер между слоями Me и n (барьер Шоттки), становятся «горячими». В «разогретом» состоянии они проходят слой n и затем достигают пролетного пространства n. Горячие электроны обладают энергией, соответствующей дну боковой энергетической долины зоны проводимости полупроводника. Доминирующие в ДГ с омическим типом катодного контакта энергетические затраты на «разогрев» электронов в ДГ с инжектирующим контактом существенно снижаются, что приводит к возрастанию их КПД. Эффективный инжектирующий катодный контакт к пролетному пространству (Me-n-n-n) удалось реализовать в ДГ, изготовленных на основе фосфида индия. Такое техническое решение обеспечило получение КПД генераторов на ДГ до 24%. Аналогичный по эффективности ДГ на GaAs с точно таким же типом катодного контакта не был реализован. Это было связано с тем, что при создании ДГ на GaAs с инжектирующим контактом не удалось избежать обеднения электронами n-слоя, которое практически всегда имеет место в приповерхностной области электронного арсенида галлия, контактируемого с металлом. В промежуточном контактном слое, образованном Ме и n, нет упорядоченной кристаллической решетки, поэтому подвижность электронов и длина их свободного пробега обычно оказываются малыми (намного меньшими по величине, чем это характерно для полупроводника с регулярной кристаллической решеткой). В очень тонком промежуточном контактном слое потери избыточной энергии могут быть существенно более высокими, чем в более протяженном слое n. В конечном итоге число горячих электронов может сильно уменьшиться еще до попадания их в пролетную область n. Другим недостатком прототипа является наличие локальных неоднородностей в катодном контакте, особенно при наличии разных по своей природе материалов слоев, соединяемых между собой. Даже в серийно выпускаемых ДГ причиной разброса параметров являются локальные неоднородности в катодной области прибора [6].
Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в увеличении процента выхода годных приборов на эффекте междолинного переноса электронов, имеющих повышенный КПД при их промышленном производстве.
1
1
2
2
3
2
2
2
3
2
1
2
3
+
+
+
Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковый прибор с междолинным переносом электронов, содержащий последовательно соединенные слои полупроводника и металла , последний из которых имеет толщину менее длины свободного пробега электронов в нем, и не соединенные ни с одним из слоев Me, , n слои полупроводника n и металла Me, дополнительно введены слои полупроводника  p и слой металла Ме, из которых слой  размещен между слоями Ме и n, а слой p, имеющий длину менее длины диффузии электронов в нем, одной поверхностью соединен со слоем , а частями другой поверхности - с расположенными в одной плоскости и не соприкасающимися между собой слоями n и Ме, последний из которых содержит внешнюю периферийную часть, слой n выполнен из полупроводника с более широкой запрещенной зоной, чем слой p-типа с образованием в контакте с ним гетероперехода с разрывом дна зоны валентных состояний, при этом внешние поверхности слоев металлов Me, Ме и Ме выполняют соответственно роли анодного, катодного и управляющего электродов прибора.
Структура предлагаемого полупроводникового прибора с междолинным переходом электронов определяется формулой
1
1
1
Активный слой полупроводника, имеющий участок отрицательного дифференциального сопротивления, обозначен через n. Катодный канал, инжектирующий горячие электроны в активный слой n, образован слоями . Канал, инжектирующий «термализованные» (не «горячие») электроны, обладающие энергией, соответствующей дну основной энергетической долины зоны проводимости полупроводника, образован слоями . Анод (коллектор электронов) образуют слои  и Me.
Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что предлагаемый МПЭ прибор отличается наличием новых существенных признаков: катодным контактом, выполненного из двух частей: эмиттера и базы, а также однородным (выполненным из одного материала) эмиттером на основе р-n-перехода. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".
На фиг.1 и 2 представлены чертежи, поясняющие сущность изобретения.
1
2
3
1
2
3
1
2
+
19
-3
15
-3
19
-3
17
-3
+
19
-3
19
-3
На фиг.1 приведен активный элемент (АЭ) предлагаемого полупроводникового прибора с междолинным переносом электронов. Слои металла 1(Ме), 2(Ме) и 3(Ме) образуют выводы анодного, катодного и управляющего электродов прибора. Слои электронного и дырочного полупроводника , n, , p, n и n обозначены через 4, 5, 6, 7, 8, 9 соответственно. При изготовлении приборов с междолинным переносом электронов на основе арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP) в слоях 4, 5, 6, 7, 8, 9 задают следующие концентрации электронов и дырок: =10см; n=10см; =10см; n=10см; р=10 см; =10см.
Б-А
Э-Б
Б-А
Б-А
Э-Б
На фиг.2 представлены структура и схема включения прибора с междолинным переносом электронов. Прибор с междолинным переносом электронов имеет три раздельных электрода (фиг.2,а)): 1 - (инжектирующий электрод) эмиттер, 2 - (неинжектирующий электрод) - база, причем эмиттер и база составляют совместно катод прибора, и третий электрод 3 - анод; 4, 5 - источники постоянного напряжения. При подаче на анод 3 прибора положительного потенциала U от источника питания 5 относительно базы 2 независимо от приложенного потенциала к эмиттеру U (источник питания 4 цепи эмиттер-база) протекает сквозной ток I через участок база-анод прибора. На фиг.2,б) показаны временные зависимости тока I(t) - 2, протекающего по неинжектирующему каналу катода - через участок база-анод и тока I(t) - 1, который протекает по инжектирующему каналу катода через участок эмиттер - база и далее весь этот ток проходит через пролетное пространство и анод.
Э-Б
Э-Б
На фиг.2,в) показан механизм прохождения токов I(t) - 1 и I(t) - 2(t) с привязкой его к энергетической структуре прибора с междолинным переносом электронов.
К-О
О-А
K-A
При подаче на катодный электрод 1 отрицательного потенциала U относительно общего электрода 2 от источника питания 4 в присутствии положительного напряжения U, поданного на анодный электрод 3 относительно общего электрода 2 от источника 5, за счет источника СВЧ-сигнала 6 формируется ток I(t). Этот ток является сквозным, протекающим через всю структуру от катодного электрода до анодного электрода. Он сформирован инжекционным  каналом прибора с МПЭ.
О-А
О-А
O-A
K-A
На участке от общего электрода 2 до анодного электрода 3 прибора с МПЭ за счет действия напряжения U, подаваемого от источника 5, формируется ток I(t). Суммарный ток, протекающий в анод, равен I(t)=I(t)+I(t) (фиг.2,б)).
На фиг.2,в) показаны зонная энергетическая диаграмма прибора и прохождение по ней токов с привязкой этих токов к послойной структуре и к энергетической зонной структуре прибора с МПЭ.
Предлагаемый полупроводниковый прибор работает следующим образом.
Б-А
Б-А
С
L
+
+
При подаче отрицательного напряжения на базу относительно анода (фиг.2,а)) возникает базовый ток I(t). Ток I(t) является потоком термализованных электронов (с энергией Е, соответствующей дну основной энергетической долины зоны проводимости). Это связано с тем, что образующие этот поток электроны попадают в пролетное пространство, перемещаясь из валентной зоны дырочного вырожденного полупроводника p-типа в зону проводимости вырожденного полупроводника n  за счет механизма туннелирования, т.е. без потери или получения добавочной энергии. Поэтому при наличии условий для генерации или усиления СВЧ-мощности прибор будет находиться в активном режиме. Однако его КПД будет равен или близок к аналогичной величине для обычного диода Ганна.
Э-Б
Э-Б
Э-Б
+
+
При подаче положительного смещения Uна эмиттер 1 относительно базы 2 через прибор начинает протекать дополнительный ток электронов I (фиг.2,а)). Это ток инжекции эмиттера. В p-области структуры рекомбинационные процессы электронов и дырок подавлены за счет использования малой толщины этой области по сравнению с диффузионной длиной электронов (фиг.2,в)). Между p-областью и пролетным пространством для электронов, находящихся в зоне проводимости, всегда имеется тянущее электрическое поле, которое смещает электроны в пролетное пространство. Поэтому ток I практически без потерь электронов входит в пролетное пространство, что обеспечивает поставку горячих электронов в необходимом количестве для формирования домена сильного поля. При этом потери на разогрев подвижных носителей заряда в пролетном пространстве отсутствуют, что приводит к увеличению КПД трехэлектродного прибора по сравнению с обычным диодом Ганна.
L
+
Поток электронов, проходя без потерь сквозь тонкий слой n  и попадая в пролетное пространство, должен превращаться в поток «тяжелых» электронов, инжектируемых в боковую долину на энергетической диаграмме полупроводника. Действительно, в силу того, что боковая энергетическая долина характеризуется намного большей плотностью электронных состояний вблизи своего энергетического минимума по сравнению с аналогичной величиной в основной энергетической долине, вероятность попадания «высокоэнергетических» электронов именно в боковую долину очень велика. Кроме этого, в силу того, что приложенное электрическое поле к пролетному пространству превышает величину порогового поля и вероятность «разогрева» электронов полем преобладает над вероятностью их термализации, становится также малой вероятность того, что поступившие в боковую долину высокоэнергетичные электроны за счет столкновения с фононами будут рассеяны в основную долину. Таким образом, в предлагаемом приборе реализуется инжекция высокоэнергетичных носителей заряда с большой эффективной массой по отношению к обычным свободным электронам, находящимся в основной энергетической долине зоны проводимости.
Очевидно, что для эффективной работы прибора с междолинным переносом электронов, необходимо, чтобы количество высокоэнергетических электронов было равно количеству низкоэнергетических электронов в момент зарождения и формирования домена. Действительно, в этом случае при возникновении домена в каждый момент времени нет необходимости создавать дополнительные высокоэнергетические электроны (это было бы необходимо делать, если бы их недоставало в области формирования домена) или же переводить их в разряд обычных электронов посредством рассеяния их в основную долину (если их инжектируется слишком много). В обоих этих процессах происходят дополнительные энергетические потери, снижающие КПД прибора. Одновременно необходимо отметить, что в случае правильно подобранных режимов работы прибора на пролетном участке и при вхождении домена в анод ток должен поддерживаться только низкоэнергетическими носителями.
Э-Б
На временной диаграмме (фиг.2,б)) показано, что условия равенства потоков высокоэнергетических и низкоэнергетических электронов на этапе зарождения и формирования домена и отсутствия высокоэнергетических электронов на этапе продвижения домена выполнимы при пропускании через инжектирующий контакт СВЧ-тока I, частота которого задает частоту СВЧ-колебаний на выходе прибора. В это время через неинжектирующий контакт катода протекает СВЧ-ток, дополняющего инжектирующий ток до полного тока на выходе прибора. Потери в приборе, связанные с разогревом электронов электрическим полем на начальном участке пролетного пространства в процессе зарождения и формирования домена, в этом случае исключаются. Потери на рассеяние высокоэнергетических электронов во время пролета домена и его поглощения на аноде могут быть. Но они будут тем ниже, чем более высоким будет рабочее напряжение прибора. В этом смысле наиболее эффективным для приборов с междолинным переносом электронов является импульсный режим работы.
W
2
+
+
Обе этих возможности: инжекция и протекание тока высокоэнергетических электронов - при одновременном пропускании низкоэнергетических электронов через пролетное пространство совместно обеспечивают увеличение КПД прибора с n-р-n -n-n-структурой вплоть до значений, определенных на основе зависимости дрейфовой скорости от напряженности электрического поля.
В предлагаемом техническом решении сохраняется свойство равномерности распределения тока по площади поперечного сечения прибора Ганна. Это определяется тем, что в предлагаемом приборе сохраняется механизм междолинного переноса электронов в пролетной области, как это показано на фиг.2,в). Действительно при наличии слоевой неоднородности (доменов сильного поля) скорость распространения электрического возмущения во много раз превышает скорость движения самого домена, что и обеспечивает равенство плотностей тока по всей площади поперечного сечения прибора с междолинным переносом электронов. Все это также обеспечивает возможность построения мощного прибора с равномерным распределением тока по площади поперечного сечения. В связи с этим нет необходимости в искусственном расчленении области n типа на множественные фрагменты с очень малыми геометрическими размерами, что характерно для случая конструирования мощных полевых транзисторов Шоттки и гетеробиполярных транзисторов. Для предлагаемого прибора с объемным характером протекания тока, каким является прибор с междолинным переносом электронов, одновременно минимизируются величины паразитных конструкционных емкостей и индуктивностей за счет сведения к минимуму периферийной части его активной области.
W
2
2
+
+
+
+
+
15
-3
Что касается внутренних потерь мощности в приборе с междолинным переносом электронов, например на последовательных активных сопротивлениях, то, анализируя прохождение тока в n-р-n -n-n-структуре, можно отметить, что в случае использования одинаковых уровней концентраций легирующей примеси и равных толщин слоев в приборе с переносом электронов наблюдается практически детальное сходство с ситуацией, имеющей место в гетеробиполярных транзисторах. Отличие касается только присутствия в приборе с переносом электронов последовательно включенного в прямом направлении туннельного p-n -перехода. На этом переходе падение напряжения в любом случае не превысит приблизительно одну десятую вольта. Учитывая то, что напряжение питания прибора с переносом электронов может быть выбрано в пределах, задаваемых напряжением пробоя, можно ожидать, что в предельном случае внутренние потери в предлагаемом приборе будут равноценны тем, которые наблюдаются в гетеробиполярных транзисторах. Например, для GaAs прибора, предназначенного для работы в 8-мм диапазоне длин волн, максимальное напряжение питания может составлять (75-120) вольт в случае концентрации электронов в пролетном пространстве на уровне (2-5)·10 см. Длина пролетной области для классического диода Ганна 8-мм диапазона длин волн обычно выбирается не более 3 мкм. Для гетеробиполярных транзисторов, выполненных на основе арсенида галлия, в некоторых случаях толщина коллекторной области может быть величиной такого же порядка. Таким образом, инжекционные потери и потери на последовательном сопротивлении в приборе на эффекте переноса электронов будут сопоставимы с аналогичными потерями у равноценного гетеробиполярного транзистора. Попутно отметим, что высокие значения напряжения лавинного пробоя домена сильного поля определяют хорошие мощностные возможности прибора при работе в импульсном режиме.
W
3
5
+
+
Дальнейшее уменьшение потерь мощности на последовательном сопротивлении прибора может быть достигнуто в случае направленного снижения контактного потенциала на гетерогранице n-p. Это можно сделать за счет использования узкозонного полупроводникового материала для формирования p-области (катода прибора). Например, для арсенидогаллиевого прибора это может быть германий или более сложное полупроводниковое соединение на основе материалов АВ, например InGaP. В случае использования германия в качестве материала катода контактный потенциал на границе германий - арсенид галлия может быть уменьшен до 0,66 В (при использовании германия также и в качестве материала базовой области).
T
-4
2
В рамках настоящего предложения были изготовлены экспериментальные образцы ДГ 8-мм диапазона длин волн. Монтаж кристалла на поверхность теплопроводящего диэлектрического материала обеспечил эффективный отвод тепла от кристалла. Наличие гибридного носителя из нитрида алюминия с λ=(150-200) Вт/град·см дало возможность получить тепловое сопротивление ДГ с площадью поперечного сечения 2·10 см на уровне (0,5-1,0) град/Вт. При допустимом перегреве в 20°С и эффективном отводе тепла от гибридного носителя конструкция прибора обеспечила рассеяние до 40 Вт тепловой мощности. КПД полученных образцов составил порядка 10%, а выходная непрерывная СВЧ-мощность была в диапазоне 2,5-5 Вт.
Литература
1. Дж. Кэрролл. СВЧ-генераторы на горячих электронах. - М.: “Мир”, 1972, 382 С. - стр.185-189.
2. Левинштейн М.Е., Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. - М.: "Сов. радио", 1975, 288 С. - стр.193-195.
3. Патент РФ № 2064718, МКИ H01L 47/02. Диод Ганна / С.Д.Воторопин, В.И.Юрченко, A.M.Кожемякин / (РФ).- 5046020/25; Заявлено 04.06.92; Зарег. 27.07.96, БИ № 21. - С.5.: ил.3.
4. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. /Под ред. Б.А.Наливайко. Справочник. - Томск, МГП «РАСКО», 1992, стр.173 (разд. 7).
5 Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. - М.:"Мир", 1984, с.257-260.
6. Хан А.В., Попов А.И., Антошкина Т.А. Доотказовая деградация диодов Ганна. - Электронная техника. Сер 2. Полупроводниковые приборы, вып.5, 1980, стр.40.