Роль контактов в повышении эффективности и предельных частот генерации диодов Ганна мм и субмм диапазонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ОД

Ші іьза

АРКУША Юрій Васильович ,

.//

УДК 621.382.2

РОЛЬ КОНТАКТІВ У ПІДВИЩЕННІ ЕФЕКТИВНОСТІ ТА ГРАНИЧНИХ ЧАСТОТ ГЕНЕРАЦІЇ ДІОДІВ ГАННА ММ ТА СУБММ ДІАПАЗОНІВ

01.04.03 - радіофізика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Харків -1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському державному університеті Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор, академік АН ВШ України

Прохоров Едуард Дмитрович, Харківський державний університет, завідувач кафедри напівпровідникової та вакуумної електроніки Офіційні опоненти : - член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор

Гассанов Лев Гассанович, директор НДЦ “ Квазар”, м. Київ

- доктор фізико-математичних наук, професор Гордієнко Юрій Омелянович, Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри мікроелектроніки, електронних приладів та пристроїв

- доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Чайка Василь Євгенович, НВО " Оріон ", м. Київ, завідувач теоретичного відділу

Провідна установа : Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усікова

Національної Академії наук України, відділ твердотільної електроніки

Захист відбудеться "2." оіг&йтНЯ 1998 р. о годині на засіданні спеціалізованої ради Д 64.051.02 Харківського державного університету (310077, м. Харків, майдан Свободи, 4, ауд. 3-9).

З дисертацією можно ознайомитися у Центральній науковій бібліотеці Харківського державного університету (310077, м. Харків, майдан Свободи, 4).

Автореферат разісланий е£і?іі~НА 1998 г,

Актуальність проблеми. Однією з актуальних проблем радіофізики і, зокрема, твердотільної НВЧ електроніки, є задача практичного освоєння міліметрового та субміліметрового діапазонів електромагнітних хвиль. Річ у тім, що короткохвильова частина міліметрового діапазону довжин хвиль є тією областю, для якої не вдалось створити спеціальних напівпровідникових приладів. Біполярні транзистори з успіхом працюють до частот не вище Ю10 Гц, а напівпровідникові лазери - на частотах не нижче 1013Гц. Проміжна область (НВЧ диапазон Ю10 -1013 Гц ) ці прилади не охоплюють через принципові обмеження. Освоєння короткохвильової частини міліметрового діапазону йде шляхом підвищення граничних частот генерації традиційних приладів: лавино-пролітних діодів (ЛПД), тунельних діодів, діодів з міждолинним переносом електронів (МПЕ), пленарних транзисторів. З іншого боку освоєння даного частотного діапазону можливо шляхом пошуків нових фізичних ефектів з метою збільшення ефективності генерації та розширення частотного діапазону цих приладів.

Одним з найбільш перспективних напівпровідникових ефектів, відкритих на початку 60-х років, є ефект Ганна. На цьому ефекті заснована дія численних напівпровідникових приладів, генераторів та підсилювачів НВЧ, аналогових та логічніх схем, оптоелектронних пристроїв. На відміну від інших напівпровідникових приладів у діодах Ганна для підсилення та генерації використовується весь об’єм напівпровідника, що спрощує проблему розсіяння тепла, яке виділяється при роботі, чим дозволяє збільшити корисну НВЧ-потужність. У міліметровому діапазоні вони є єдиними твердотільними приладами з низьким рівнем шуму. А за сукупністю вихід них параметрів (діапазону частот, рівню спектральної щільності шуму, зручним номіналам робочої потужності) генератори на діодах Ганна є перспективними для використання в апаратурі міліметрового діапазону довжин хвиль НВЧ-елементів.

З просуванням у короткохвильову частину міліметрового діапазону виникає ряд проблем, пов'язаних як з принциповими труднощами (зростає вплив інерцій-ності процесів перерозподілу електронів між долинами зони провідності), так і з технологічними (скорочуються розміри активної області діода, підвищуються вимоги до якості напівпровідникового матеріалу, ускладнюється створення оптимальних контактів). Однією з проблем при переході у міліметровий діапазон довжин хвиль є створення контактів, особливо катодного, для діодів з МПЕ. Річ у тім, що омічні контакти, які застосовуються для діодів Ганна ( наприклад, п* - п ),

мають суттєвий недолік, що не дозволяє використовувати їх в досить коротких діодах. Низька напруженість електричного поля біля катоду робить досить протяжною область напівпровідника, де електрони набирають необхідну для міждолинного переходу енергію, і вже при довжинах діода 2-3 мкм ця область початкового розігріву електронів - ОПРЕ ( її ще називають мертвою зоною ) суттєво зменшує ефективність роботи діода та робить її практично неможливою при довжинах 1-1,5 мкм .

Щоб використати прилади з малою довжиною активної області, необхідно забезпечити розігрів електронів на відстаннях, суттєво менших цієї довжини. Останнє досягається за допомогою влаштованих електричних полів, що формуються бар’єром Шоттки, різкою зміною концентрації легованої домішки і (або ) складу напівпровідникового матеріалу, тобто використанням гомо- і гетеропереходів. Розігрів електронів у таких структурах має ряд принципових особливостей, які відсутні у об’ємних однорідних напівпровідниках.

Мета даної дисертаційної роботи - знайти нові можливості збільшення ефективності генерації і розширення частотних можливостей приладів з МПЕ за допомогою досліджень впливу різних типів катодних контактів на величину області початкового розігріву електронів, досліджень особливостей прояву ефекта МПЕ у діодах на основі перспективних сполук напівпровідників А3В5, досліджень нових закономірностей роботи коротких діодів Ганна у взаємодії із зовнішнім колом, які можуть знайти застосування при розробці приладів з МПЕ для міліметрового та субміліметрового діапазонів довжин хвиль.

Рішення поставлених задач проводились у таких напрямках:

1. До початку данних досліджень матеріалом для діодів з МПЕ найбільш ширше використовувався ЄаАз, який міг би служити модельним матеріалом для дослідження фізичних явищ, що лежать в основі генерації, з використанням різних типів катодних контактів, які впливають на скорочення області початкового розігріву електронів. До таких контактів слід першочергово віднести: п+ - п' - п - контакт , п+ -п - контакт з профілем активної області діода, що лінійно змінюється, металевий катодний контаїсг, використання гетеропереходу в якості катодного контакту. Поєднання інерційності міждолиного перерозподілу електронів у коротких діодах з явищами на перелічених катодних контактах область надзвичайно перспективна, що й зумовило проведення досліджень у цьому напрямку.

з

2. Дослідження енергетичних та частотних характеристик діодів з МПЕ на основі таких напівпровідникових матеріалів, як ІПкСа^Аз, іпР^хАб*, Іпх6аі-хРуАзі-у, які для режиму обмеження накопичення об’ємного заряду ( ОНОЗ ) були визначені як перспективні. Оскільки ОНОЗ-режим найбільш перспективний на частотах 1-30 ГГц, то найбільш високочастотними були визначені пролітні режими, роль контактів для діодів на основі даних перспективних сполук напівпровідників у дослідженні їх високочастотних властивостей та визначенні їх граничних частот ще більш зросла. З іншого боку, за оцінками часів релаксацій' для даних напівпровідників можна було сподіватися, що у діодах на їх основі навіть для омічного (п+ - п) контакту область початкового розігріву може бути меншою, ніж у діодів на основі ЄаАз. Ця думка є основною при дослідженні енергетичних та частотних характеристик діодів на основі перспективних сполук напівпровідників А3В5, оскільки дозволяє виявити особливості формування різних типів нестійкостей з використанням тих чи інших катодних контактів і збільшити ефективність генерації діодів з МПЕ.

3. Дослідження особливостей взаємодії коротких діодів Ганна з зовнішнім колом в умовах дії на діоді напруги складної форми. Генерація гармонік - один із шляхів просування в більш короткохвильову область міліметрового діапазону довжин хвиль. Крім того, використання діодів Ганна в якості нелінійного елемента помножувача частоти дає можливість значно розширити частотні можливості цих діодів. Основне завдання тут - дослідження впливу типів катодних контактів та профілю легування активної області діодів Ганна на генерацію на другій і третій гармоніках та роботу помножувачів частоти з метою розширення їх частотних можливостей.

Вибрані напрямки досліджень дали можливість сформулювати й вирішити слідуючі завдання:

1. Дослідження впливу інерційності міждолинного перерозподілу електронів на частотні властивості діодів Ганна на основі ОаАв з неоднорідним профілем легування активної області, а також на вимірювання однієї з важливих характеристик напівпровідникового матеріалу - залежності V (Е) НВЧ - методом.

2. Дослідження впливу запорних та антизапорних металевих катодних контактів на роботу коротких ( з довжиною активної області від 5 до 0,7 мкм ) діодів Ганна.

3. Дослідження фізичних процесів, енергетичних та частотних характеристик

СаАэ - діодів Ганна з запорним ізотипним гетерокатодом іпхСаі.хАз, ІпР1хАз* та з антизапорним ізотипним АІхСаі-хАз гетерокатодом для різних довжин діодів та параметрів катоду.

4. Дослідження впливу металевого катодного контакту та довжини катодної області у т - п : lno.45Gao.55As - п : СаАэ - п+: СаАэ - структурі.

5. Дослідження фізичних процесів, різних типів нестійкостей, енергетичних та частотних характеристик діодів Ганна на основі перспективних напівпровідників Іпх6аі.хАз, ІпРі-хАзх, ІпхОаі_хРуАзі.у з різною довжиною активної області.

6. Дослідження впливу типу катодного контакта, профілю легування і температури активної області, величини Поіа та інших параметрів на ефективність генерації та частотний діапазон роботи діодів Ганна з різною довжиною активної області на частоті другої і третьої гармонік.

7. Дослідження можливостей підвищення граничних частот генерації діодів при використанні їх у якості нелінійних елементів помножувачів частоти.

8. Дослідження можливості генерації короткими діодами Ганна при температурі ~ 500 К та вище.

Положення, що виносяться на захист:

1. Скорочення ОПРЕ біля катоду та одержання високоефективної генерації НВЧ-потужності в широкому діапазоні частот діода Ганна з структурою п+ - п - п+ можливе при лінійній зміні профілю легування активної області діода, причому концентрація електронів біля катоду повинна бути меншою за концентрацію електронів біля аноду.

2. Використання в якості катодів до коротких діодів Ганна металевих контактів дає можливість зменшити вплив області початкового розігріву електронів біля катоду, збільшити ККД діодів у порівнянні з діодами з п* - п - катодними контактами.

3. У докритично легованих діодах з запорним металевим контактом існує ре-

жим роботи діода з однорідним полем у зразку з негативною диференційною провідністю (НДП) у частотному діапазоні до 150 - 200 ГГц при максимальному ККД на низьких частотах - 20%. ,

4. У СаАг - діодах Ганна з запорним гетерокатодом в залежності від розриву зони провідності в гетероструктурі можуть розповсюджуватись дипольні домени або заряджені шари. У динамічному режимі існує ефект заливу збідненої області гетерокатода електронами із збагаченої області. Зменшується ефективний енергетичний бар’єр та максимальне електричне поле у гетерокатоді. ЄаАз - діоди з ІПхЄаьхАз - катодом можуть працювати до ~ 190 ГГц ( х=0,40) та з іпРі хАб* - катодом -до ~ 180 ГГц (х=0,10 ) при То = 300 К.

5. У ЄаАз - діодах з АІхСаі.кАз антизапорним гетерокатодом виникають нестійкості, які пов’язані з розповсюдженням заряджених шарів. При оптимальному складі АІхваї-хАБ ( х=0,17 ) та температурі решітки 300 К такі діоди можуть працювати до частот 160 ГГц.

6. У діодах на основі ІПхЄаі-хАз, ІпР^Аз*, ІпхСаіхРуАз1у з п* - п" - п - та п+ - п -катодними контактами виникають ті ж типи нестійкостей, що і у діодах на основі СаАэ з аналогичними контактами. Діоди з дипольними доменами на основі ІПхваї-хАв можуть працювати до частот ~250 ГГц. Ефективність генерації діодів на основі ІПхва^хАз та ІпхСаі-хРуАзі-у з п* - п - катодним контактом вдвічі перевищує ефективність генерації діодів на основі СаДэ.

7. Присутність гармонік у напрузі, що діє на діоді, дозволяє скоротити ОПРЕ біля катоду і тим самим збільшити ефективність генерації на основній гармоніці. Катодні контакти впливають на ефективність генерації діодів Ганна на гармоніках. Кращими по ККД генерації є діоди Ганна з металевим катодним контактом на частоті другої гармоніки і діоди Ганна з зарубкою біля катоду на частоті третьої гармоніки.

8. Використання коротких діодів Ганна з різними типами катодних контактів в якості нелінійних елементів помножувачів частоти дає можливість значно розширити їх частотні можливості, а використання діодів з ДБКС дозволяє створити високоефективні помножувачі частоти.

Наукова новизна одержаних результатів міститься в тому, що в дисертації вперше:

1. Єдиним методом досліджено вплив різних типів катодних контактів на енергетичні і частотні характеристики діодів Ганна як на основі ваАв, так і на основі перспективних сполук напівпровідників А3В5. Вивчені фізичні процеси, що впливають на ККД генерації. Визначено вплив типів катодних контактів на величину області початкового розігріву електронів біля катоду.

2. Досліджено вплив інерційності міждолинного перерозподілу електронів на зниження ефективності генерації із скороченням довжини активної області діодів з

дипольними доменами і зарядженими шарами та на вимірювання залежності V (Е) НВЧ - методом.

3. У докритично легованих діодах із запорним металевим катодним контактом виявлено режим однорідного поля, який нагадує ОНОЗ - режим, який сприяє ефективній роботі діодів в широкому діапазоні частот.

4. В діодах на основі ІпхСа1.хАз, іпР1хА5х, ІпхОаі.хРуА8і.у з різними катодними контактами виявлені ті ж типи нестійкостей, що і в діодах на основі ЄаАз.

5. В динамічному режимі в ваАв - діодах Ганна з запорним гетерокатодом виявлено ефект заливу збідненої області гетерокатода електронами із збагаченої області, що приводить до зменшення висоти ефективного енергетичного бар’єру в гетерокатоді. Знайдені умови для реалізації нестійкостей, пов’язаних з розповсюдженням дипольних доменів або заряджених шарів.

6. Показана можливість підвищення граничних частот діодів Ганна, що працюють в пролітному режимі з різними типами катодних контактів при роботі на другій і третій гармоніках пролітної частоти.

7. Показана можливість помноження частоти до 10ОО ГГц на коротких діодах Ганна з різними типами катодних контактів, а також можливість створення високоефективного помножувача на діоді з ДБКС.

Практична значимість роботи заключається в тому, що її результати складають наукову базу і практичні рекомендації для розробки ефективних діодів Ганна з метою досягнення максимальних частот генерації. Визначена доцільність вико-ристання тих чи інших типів катодних контактів у конкретному частотному діапазоні як при роботі на основній частоті, так і на частотах другої та третьої гармонік.

Детально вивчена робота діодів Ганна на основі ІпхСаі_хАз, ІпР^Азх, ІпхСаі.хРуАзі.у з різними катодними контактами на пролітній частоті і визначені їх енергетичні та частотні можливості. Показана перспективність використання таких діодів у порівнянні з діодами на основі ЄаАз. У ході виконання цих досліджень розроблений комплекс математичних моделей і програм, які дозволяють адекватно описувати процеси розігріву електронів у неоднорідних структурах малих розмірів з різними типами катодних контактів і можуть бути використані для більш глибокого розуміння фізичних процесів, що протікають у таких структурах, і визначення їх енергетичних характеристик.

*

Достовірність результатів, одержаних у дисертації, забезпечується використанням адекватних математичних моделей, застосуванням апробованих методів дослідження, добрим якісним та кількісним збігом теоретичних висновків з наявними експериментальними даними, а також чіткою фізичною інтерпретацією тих ефектів, для котрих поки що відсутні експериментальні результати.

Матеріали проведених досліджень викладені в 27 статтях у наукових журналах країн СНД і України і доповідались на: VI Всесоюзному симпозіумі " Плазма і нестійкості у напівпровідниках" ( м. Вільнюс, 1986 p. ), VI Всесоюзній нараді по дослідженню арсеніда галію ( м. Томськ, 1987 р. ), Всесоюзній конференції " Фізика і застосування контакту метал-напівпровідник" ( м. Київ, 1987 p. ), II Всесоюзній нараді " Математичне моделювання фізичних процесів у напівпровідниках і напівпровідникових приладах " ( м. Ярославль, 1988 p. ), VII Всесоюзному симпозіумі " Плазма і нестійкості у напівпровідниках " ( м. Вільнюс, 1989 p. ), І Всесоюзній конференції ” Фізичні основи твердотільної електроніки " ( м. Ленінград, 1989 p.), XII Всесоюзній науково-технічній конференції" Твердо-тільна електроніка НВЧ " ( м. Київ, 1990 р.), 1 Українському симпозіумі" Фізика і техніка мм і субмм радіохвиль " ( м. Харків, 1991 р. ), Міжвідомчої науково-техничної конференції ” Прилади, техніка та розповсюдження метрових та субміліметрових хвиль " ( м, Харків, 1992 р. ), International Conference “ Physics in Ukraine “ ( Kiev, 1993 ), International Simposium “ Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves “ ( Kharkov, 1994 ), 5, 6 і 7 Кримських

конференціях та виставках " НВЧ - техніка та супутникові телекомунікаційні технології" (їм. Севастополь, 1995, 1996, 1997 pp.).

Особистий внесок автора. У дисертації узагальнені матеріали досліджень, що є результатом багаторічної самостійної роботи автора, або одержані при його безпосередній участі. З надрукованих разом із співавторами робіт використані лише ті матеріали, в які автор вніс найбільш вагомий, визначний вклад ( постановка задачі, складання алгоритмів, значна частина чисельних розрахунків, обробка та фізична інтерпретація результатів, участь у постановці і обговоренні результатів експериментальних досліджень). Автором сформульовані положення, які виносяться до захисту.

Загальний об’єм дисертаційної роботи складає 301 сторінку, містить в собі 150 малюнків на 120 сторінках, а також 194 бібліографічні джерела на 20

сторінках. Кожний розділ дисертації закінчується короткими висновками, в яких сформульовані основні результати досліджень.

Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків та списку використаної літератури.

У вступі обгрунтовується необхідність і актуальність досліджень у вибраному напрямку. Сформульовані цілі та завдання дисертаційної роботи, розглядається коло питань, вивчення яких лягло в основу дисертації. Коротко викладено зміст роботи, сформульовані положення, що виносяться до захисту.

У першому розділі розглянуті теоретичні дослідження частотних властивостей арсенід-галієвих діодів Ганна з неоднорідним профілем легування активної області та впливу інерційності розігріву електронного газу при вимірюванні \/(Е) НВЧ - методом. Дано короткий аналіз математичних моделей, використаних для дослідження на високих частотах. Для дослідження вибрана двохтемпературна модель ЄаАБ, тобто розглядається модель арсеніду галія з двома нееквівалентними долинами. Приведені основні рівняння та методика дослідження енергетичних характеристик.

Проведено дослідження енергетичних характеристик діодів з Іа = 2,5 мкм, які являли собою п+ - п - п* - структури з концентрацією домішок у п - області, яка змінюється лінійно. Відношення концентрації біля аноду Пд до концентрації біля катоду Пк характеризувалось відношенням К = пА / пк , яке змінювалось від 0,5 до 3,0. Показано, що при К = 1 діод однорідно легований і в ньому розповсюджуються заряджені шари. При К < 1 ефективність генерації швидко зменшується і при К= 0,5 вона складає долі відсотків. При К > 1 у діоді розповсюджуються дипольні домени і ефективність генерації зростає. Максимальний ККД -8,2 % відповідає при 300 К значенню К = 1,5. Збільшення ККД при 1,0 < К< 1,5 зумовлено умовами, що покращуються для утворення домена ( збільшення напруженості електричного поля біля катоду ), зменшенням мертвої зони біля катоду.

Для дослідження впливу температурних неоднорідностей по довжині діода у доменному режимі розглядались діоди з Іа = 2,5 мкм двох різних конструкцій - з максимальною температурою на катоді і з максимальною температурою на аноді. Показано, що збільшення температури на катоді зменшує ефективність генерації і звужує частотний діапазон роботи діодів на першій та другій гармоніках. Збільшення температури на аноді при певних градієнтах приводить до ефективної гене-

рації на частотах, які перевищують пролітну в 1,5 - 2 рази та розширюють частотний діапазон роботи на другій гармоніці до 200 ГГц.

Досліджено вплив інерційності розігріву електронного газу у зразках з різними профілями легування при вимірюванні V(E) НВЧ - методом. Показано, що для розглянутих неоднорідно легованих зразків при збільшенні частота вимірювання значення Утах , Vmin, Е„ на залежності V(E) збільшується, а негативна диференційна провідність ( НДП ) - зменшується. Профілі легування, які мають підвищену ( або знижену ) концентрацію у середині зразка в меншій мірі впливають на відновлення залежності V(E), ніж з лінійно змінюваним профілем легування.

У другому розділі теоретично досліджується вплив металевих катодних контактів на роботу коротких діодів Ганна. Розглянуті діоди з різними типами катодних контактів: запорних m - n і m - п+- п, та антизапорних m - n і m-n'-n.

У випадку запорних контактів визначені оптимальні по ККД значення висоти потенціальних бар’єрів на контакті для m - п - контактів ~ 0,03 - 0,04 еВ і для m - п+

- п - контактів ~ 0,3 - 0,4 еВ. Показано, що застосування катодного m - п - контакта дозволяє підвищити ефективність генерації діодів Ганна на частотах 30 - 90 ГГц у порівнянні з омічними п+ - п - контактами. Однак у діодах з довжиною < 1 мкм застосування такого контакту неперспективне, оскільки при таких довжинах потенціальний бар’єр навіть порівняно малої висоти створює високоомну область біля катоду, на якій зосереджена майже вся прикладена напруга, а поле поза цією областю залишається нижче порогового при будь-яких прикладених напругах. Запорний m - п+ - п - контакт усуває мертву зону при коротких довжинах п+ -області і використовується в діодах з довжиною активної області менше 1 мкм на частотах до 200 ГГц.

Антизапорні m - п - катодні контакти близькі за своїми властивостями до п+ -п - контактів і для субмікронних довжин діодів вони не придатні. Антизапорні m-n'-n - контакти усувають мертву зону і є перспективними для діодів субмікронної довжини. Застосування таких контактів до діодів з довжиною більше

2,5 - 3 мкм не виправдано, оскільки при таких довжинах ефективніше працюють діоди з п+ - п - катодними контактами.

У діодах з докритичним рівнем легування і запорним m - п - контактом виявлено режим, в якому поле у діоді розподілено однорідно ( аналогічно ОНОЗ -режиму ). Такий діод має негативну диференційну провідність ( НДП ) у широкому

діапазоні частот.

Досліджено вплив розігріву робочої області діода при роботі в безперервному режимі, зміну рівня легування та інше, на роботу коротких діодів. Показано, що розігрів діода приводить до збільшення майже вдвоє оптимальної висоти потенціального бар’єру, при якій ККД максимальний і максимальної висоти бар’єра, при якій ще можливий режим з прольотом дипольних доменів у діодах з металевим катодним контактом.

Проведено експериментальне дослідження можливостей генерації коротких діодів Ганна при температурі активної області вище, ніж 500 К. Експерименти проведені з діодами Ганна 8 мм діапазону з металевим (АиСе)еет. + № і п+- катодними контактами ( довжина активної області ~ 2,5 мкм, концентрація носіїв в активній області 21016 см'3 ). Експериментально показана можливість роботи діодів Ганна при температурах активної області до 660 К. Виявлені режими з напругами живлення діодів Ганна, при котрих потужність змінюється у 2-2,5 рази в діапазоні температур активної області 300 - 650 К.

У третьому розділі теоретично досліджені ваАв - діоди з запорним гетерокатодом. Розглядались ІпхСаі.хАз / ЄаАБ і ІпРі.хАзх / ЄаАз гетерокатоди. Детально досліджувались фізичні процеси, що протікали в прикатодній області як у статичному, так і в динамічному режимах. Розглядались діоди різні за довжиною, складом сполук та концентрацією електронів у катоді. Одержані їх енергетичні і частотні характеристики. Знайдений оптимальний склад сполук у катоді і концентрації електронів у катоді для діодів з довжиною активної області 2,5; 1,0; 0,8 мкм. Визначений вплив параметрів сполук у катоді на вихідні характеристики діодів. Показано, що ОаАз - діоди з Іп/Заі-хАз - катодом можуть працювати на частотах до 190 ГГц, аз ІпР^АБх- катодом - на частотах до 180 ГГц.

Розглядалась робота ЄаАз - діодів з антизапорним гетерокатодом АІхСаі.хАз / СаАэ. У статичному і динамічному режимах досліджені основні процеси у такому діоді Ганна. Особлива увага приділялась прикатодній області. Показано, що ЄаАз - діоди з АІхЄацДз - катодом можуть працювати на частотах аж до 160 ГГц.

Досліджено вплив металевого контакту до діода Ганна з гетеропереходом на катодному контакті на енергетичні і частотні характеристики. Розглядалась т - п: ІПо,450ао,55Аз - п : СаАэ - п+ : ОаАэ - -структура з різною висотою потенціального бар’єру на контакті метал-напівпровідник і довжиною катоду з Іа =

2,5 мкм. Показано, що металевий контакт з малою висотою бар’єра ( меншою

0,03 еВ ) зменшує максимальну ефективність генерації і знижує оптимальну частоту генерації. Визначена оптимальна довжина катодної області.

Досліджено вплив температури кришталевої решітки на фізичні процеси у діодах Ганна на основі ЄаАз з довжиною активної області 1 мкм і різними гетеро-катодними контактами ( ІПхваї-хАє і А^а^Ає ). Для широкого діапазону температур одержані енергетичні і частотні характеристики. Показано, що діоди з гетерокатодом можуть ефективно процювати в мм-діапазоні довжин хвиль у безперервному режимі. Знайдені граничні температури, при яких діоди перестають процювати і які склали для ЄаАз - діода з ІПо,450ао,55Аз - катодом ~ 780 К і з Alo.15Gao.85As - катодом ~ 510 К. Показано, що ріст температури приводить до зменшення оптимальної частоти генерації та незначній зміні частотного діапазону.

У четвертому розділі розглянуто питання про вплив типів катодних контактів та профілю легування активної області діодів Ганна на ефективність генерації на частоті гармонік. Розглядались діоди з т - п - катодним контактом, діоди зп*-п-п - контактом і діод з неоднорідним профілем легування активної області. Показано, що кращими по ККД генерації на частоті другої гармоніки є діоди з металевим катодним контактом, а на частоті третьої гармоніки - діоди з зарубкою біля катоду. Ці результати були одержані для діодів з Іа = 2,5 мкм при температурі То = 300 К. Зменшення довжини активної області до 1 мкм привело до зменшення максимального значення ККД генерації на основній частоті і на частоті гармонік та до суттєвого розширення частотного діапазону. Кращими по ККД генерації залишились діоди з зарубкою біля катоду на частоті третьої гармоніки.

Визначено діапазон зміни величини ПоІа , У межах якого можлива ефективна генерація НВЧ-потужності у діапазоні температур.

У п'ятому розділі розглянуто питання частотних можливостей діодів Ганна на основі перспективних (ІпхСаі.хАз, ІпРі.хАзх, ІпхСаі.хРуАзі-у ) сполук напівпровідників АзВ5 з різними типами катодних контактів. Особливість методики дослідження полягала в тому, що на першому етапі визначались залежності \/(Е) для перелічених напівпровідників. До того ж при визначенні залежностей \/(Е) у потрійних і четверних сполуках враховувалось також і розсіювання на сплавному потенціалі, оскільки останньому механізму надається великого значення. За оптимальними залежностями V ( Е ) ( переваги по відношенню Х/тах / \/тіп ,

довжини ділянки НДП) визначені параметри напівпровідників, які в розрахунках використовувались змінюваними лінійно від однієї подвійної сполуки до другої.

На другому етапі вже безпосередньо досліджувались енергетичні характеристики діодів Ганна на основі вищезазначених напівпровідників А3В5 для їх оптимальних значень. Розглянуті діоди Ганна на основі ІпРі-хАзх з різною довжиною активної області і з п+ - п' - п - і п+ - п - контактами. Показано, що в діодах з п+- п" - п - катодним контактом розповсюджуються дипольні домени, а з м+ - п - ксн.тзктом - заряджені шзои.

Діоди з зарубкою біля катоду на основі ІпРо,бАз0,4 мають ККД генерації більші, ніж діоди на основі ЄаАз при довжинах активної області більших ніж 0,5 мкм ( або частоти нижче 160 ГГц ), оскільки на частотах більше 160 ГГц переважає вплив часу релаксації електронів за імпульсом і енергією, які в ІпРо,бАзо,4 дещо більші, ніж в ЄаАз. У однорідно легованих діодів на основі ІпРо,бАз0,4 при всіх досліджених довжинах активної області ефективність генерації більша, ніж у таких же діодів на основі баАэ. Критична довжина активної області складає ~ 1,2 мкм ( ~80 ГГц).

У діодах Ганна на основі ^Са^Аг (х = 0,4) з п+- п' - п і п +- п - катодними контактами розповсюджуються ті ж типи нестійкостей, що і в діодах на основі СаАэ і Іп Рі-хАз х. Ефективність генерації діодів на основі І^Са^Лв з п+- п' - п - контактом при зменшенні довжини активної області зменшується і при довжині активної області Іа = 0,4 мкм вона стає однаковою з ефективністю генерації діодів на основі СаАв. Зменшення ККД генерації пов’язано з впливом інерційних ефектів МПЕ. Показано, що максимальна ефективність генерації спостерігається на частотах більших, ніж у баАэ, що пов’язано з вибором параметрів ІпхСаі-хАз. У діодів зп*-п-контактом максимальна ефективність генерації хоч і зменшилась у порівнянні з дипольними доменами ( з ~ 10,4% до -8,2% ), але залишається більшою у два рази, в порівнянні з діодами з зарядженими шарами на основі СаАв.

Енергетичні характеристики діодів Ганна на основі ІпхСаі.хРуАзі.у розглядалися для тих же типів катодних контактів ( п+ - п" - п і п+ - п ) з довжиною активної області ~ 2,5 мкм для різних значень х і у. Показано, що за ефективністю генерації діоди на основі ІпхСаі.хРуАзі.у близькі до діодів на основі ІпхСаі.хАз.

Проведені дослідження впливу температури на енергетичні характеристики показали, що нагрів активної області дає ті ж ефекти, що і в діодах на основі баАв. Максимум ефективності генерації зміщується у бік більш низьких частот, що

зумовлено меншим значенням Vmin залежності V(E). ККД при збільшенні температури зменшується, хоча і залишається порівняним з ККД для діодів на основі GaAs при То = 300 К.

Шостий розділ присвячений дослідженню можливості використання діодів Ганна з різними типами катодних контактів і діодів з двохбар’єрною квантовою структурою у якості нелінійних елементів помножувачів частоти з метою розширення граничних частот роботи таких діодів. Показана можливість помноження частоти на діоді Ганна до 1000 ГГц. Досліджені вольтамперні характеристики діодів з ДБКС. Показано, що використання діодів з ДБКС на основі Alo,2Gao,8As / GaAs / Alo,2Ga0i8As і GaAs0i4Po.6 І GaAs / GaAs0,4Po,6 дає можливість створювати високоефективні помножувачі частоти.

Досліджені фізичні процеси у діоді Ганна з тунельним катодом. Показано,

що енергетичні характеристики таких діодів залежать від падіння напруги на р++ -

++ * \/ * • п -переході. У таких діодах розповсюджуються заряджені шари.

У висновках наведені основні результати, одержані у дисертаційній роботі:

1. Для одержання високоефективної генерації НВЧ-потужності у широкому діапазоні частот у діоді Ганна зі структурою п+ - п - п+ достатньо мати лінійно змінюваний профіль концентрації електронів у п - області, такий, щоб концентрація електронів біля катоду була менша, ніж концентрація біля аноду. Максимальне значення ефективності генерації при пд / пк = 1,5 для 300 К і пА / пк = 1,6 для 500 К.

2. У доменному режимі для діодів з Іа = 2,5 мш при Тк > ТА зменшується ефективність генерації та звужується частотний діапазон роботи діодів на першій і другій гармоніках у порівнянні з однорідним розподілом поля. При ТА > Тк при певних градієнтах температур спостерігається підвищення ефективності генерації на частотах, які перевищують пролітну в 1,5 - 2 рази, що приводить до розширення частотного діапазону роботи діода на другій гармоніці до 200 ГГц.

3. Використання металевих контактів у якості катода до коротких діодів Ганна зменшує вплив області початкового розігріву електронів біля катоду, збільшує ККД діодів у порівнянні з діодами з п* - п - катодними контактами. До частот ЗО - 40 ГГц найбільш ефективними є діоди з омічними п+ - n і m - п -контактами. В діапазоні частот 40 - 80 ГГц - діоди з запорними m - п - контактами і в діапазоні 80-200 ГГц - діоди з складними запорними m - п +- п і антизапорними m - п' - п - контактами.

4. При певній висоті потенціального бар'єру на контакті металу з докритично легованим напівпровідником існує режим однорідного розподілення поля, в якому діод має НДП. Максимальна частота генерації діодів в такому режимі складає 180200 ГГц , що відповідає граничній частоті існування НДП, одержаній в ОНОЗ -режимі. Ефективність генерації складає на низьких частотах -20-22 %.

5. Розігрів робочої області діодів Ганна з т - п - катодним контактом до температури 475 К приводить до зміщення оптимальної і максимальної висоти потенціальних бар’єрів у напрямку більших бар’єрів. Існує область значень бар’єрів, де діод може працювати як в імпульсному , так і в безперервному режимах. Гранична частота роботи діодів з т - п* - п - контактом ~ 170 ГГц.

Теоретично показана можливість роботи діодів довжиною 2,5 мкм до температур активної області ~ 650 К і експериментально до ~ 600 К.

6. У динамічному режимі вперше виявлено ефект заливу збідненої області гетеропереходу електронами із збагаченої як у діодах з запорним, так і з анти-запорним гетерокатодом. Ефективний енергетичний бар’єр на гетеропереході у динамічному режимі менше, ніж у статичному.

7. У СаАэ - діодах Ганна з запорним гетерокатодом в залежності від розриву зони провідності у гетероструктурі можуть розповсюджуватися дипольні домени або заряджені шари. У діодах з антизапорним гетерокатодом розповсюджуються заряджені шари.

При зменшені довжини активної області діодів розширюється частотний діапазон їх роботи, збільшується оптимальна частота і зменшується ККД. Максимальна робоча частота діодів з Іп/Заі.хАз - катодом складає ~190 ГГц ( іа=

0,55мкм, х = 0,40 ) ; з ІпРі-хАзх - катодом - - 180 ГГц ( Іа^ 0,6 мкм, х = 0,10 ) ; з АіхЄаі-хАз - катодом - - 160 Ггц (Іа = 0,8 мкм , х = 0,175 ).

Металевий контакт з малою висотою потенціального бар’єру до діодної структури погіршує вихідні характеристики діодів з гетерокатодом. Для діодів з І а =

2,5 мкм існує незалежна від типу металевого контакту оптимальна довжина катодної області ~ 0,39 мкм.

При збільшенні температури кришталевої решітки зменшується ефективний бар'єр і збільшується ширина області просторового заряду гетеропереходу.

Збільшення температури кришталевої решітки в режимі генерації не приводить до змін типу нестійкості струму в діодах. Ефективність генерації діодів при цьому зменшується. У діоді з ІПхЄаі.хАв - катодом розповсюджуються дипольні

домени, з AIxGa-i.xAs - катодом - заряджені шари. Гранична температура для оптимальних складів катоду ~ 780 К для IrixGa-i „As і ~ 510 К для Аіх Ga-i.xAs.

існує температура, при якій вихідна потужність має найбільше значення 500К для lnxGai.xAs - катоду і ~ 400 К для AIxGa^As - катоду.

Вплив гетерокатода на роботу діода із збільшенням температури зменшується. У зв'язку з цим область початкового розігріву електронів біля катоду збільшується.

Зростання температури приводить до зменшення оптимальної частоти генерації і незначного зменшення частотного діапазону.

8. Використання напруги складної форми діючої на діоді, дозволяє скоротити ОПРЕ біля катоду, що приводить до збільшення ККД на основній гармоніці.

Генерація на частоті другої и третьої гармоніках при Іа= 2,5 мкм можлива для діодів з металевим катодним контактом від 25 до 150 ГГц , для діодів з зарубкою біля катоду від ЗО до 145 ГГц , для діодів з неоднорідним профілем легування від 25 до 145 ГГц. При цьому кращими по ККД генерації на частоті другої гармоніки є діоди з металевим катодним контактом ( ~ 5% ), а на частоті третьої гармоніки - діоди з зарубкою біля катоду (~ 1,5% ).

Генерація діодом з Іа = 1мкм з металевим катодним контактом на основній частоті і частоті другої чи третьої гармоніки можлива від 70 до 550 ГГц, а діодом з зарубкою біля катоду - від 90 до 580 ГГц. Кращими по ККД генерації на частоті другої гармоніки залишились діоди з металевим катодним контактом ( ~ 1,8% ), а на частоті третьої гармоніки - діоди з зарубкою біля катоду ( - 0,7% ). Частотні діапазони роботи на основній гармоніці і на частоті другої гармоніки перекриваються, а частотні діапазони роботи на основній гармоніці і на частоті третьої гармоніки не перекриваються.

9. Визначений діапазон зміни величини По Іа , в межах якого можлива ефективна генерація на частоті другої чи третьої гармоніки діодами з різними типами катодних контактів, оптимальні значення висоти потенціального бар’єру та величини концентрації носіїв в п'- області для діодів з зарубкою біля катоду з різною довжиною активної області для ефективної роботи їх на частоті гармонік.

10. В залежності від типу катодного контакту в діодах на основі lnxGai-xAs, lnPi-xAsx, lnxGai-xPyAsi.y розповсюджуються ті ж типи нестійкостей, що і в діодах на основі GaAs - дипольні домени і заряджені шари.

11. У діодів на основі Іпх0аі-хАз з дипольними доменами максимальне значення ефективності генерації для всіх досліджених довжин діодів більше ( понад 10% ), ніж у діодів на основі СаАэ. Частотний діапазон роботи діодів довжиною до Іа = 1,7 - 1,9 мкм, більший ніж у діодів на основі ОаАв. Максимальне значення ефективності генерації діодів з зарядженими шарами понад 2 рази переважає максимальне значення ефективності генерації діодів на основі ваАв. Визначальним фактором, що впливає на ефективність генерації в діодах на основі ln.Gai.vAs. є час релаксації, який у 1п*Оа1.»Аэ менше, ніж у СаАэ.

12. Діоди на основі ІпР^Азх з дипольними доменами за ефективністю генерації переважають діоди на основі СаАэ до довжини активної області ~ 0,5мкм і частоти ~ 160 ГГц. На частотах понад 160 ГГц переважає вплив часу релаксації електронів за імпульсом та енергією, які в ІпРо,бОао,4 дещо більші, ніж у СаАэ.

13. Діоди на основі ІПо.гСао.вРо.гАБо.є з дипольними доменами ( Іа= 2,5 мкм) за ефективністю генерації дещо поступаються перед діодами на основі ІПо^бао.бАз, але переважають діоди на основі ЄаАз. Частотний діапазон роботи цих діодів на основній гармоніці ширше вдвічі до відповідного частотного діапазону роботи діодів на основі баАв. Діоди з зарядженими шарами за ефективністю генерації переважають всі розглянуті однорідно леговані діоди - на основі ЄаАз, ІпхСаі.хАз і ІпРі.хАзх. Під час роботи діодів з дипольними доменами у безперервному режимі з’являється можливість одержання більш високих значень ефективності генерації у широкому діапазоні частот у порівнянні з діодами на основі СаАз.

14. Використання коротких діодів Ганна з різними типами катодних контактів у якості нелінійних елементів помножувачів частоти дозволяє значно розширити їх частотні можливості ( до 1000 ГГц ). Найбільш сприйнятними для практичного використання є діоди з ДБКС на основі АІо.гОао.вАБ І ЄаАз І АІо.гЄао.бАз і ЄаАзо^Ро.б / СаАє / ЄаАзодРо.б • Використання діодів з ДБКС з оптимальними параметрами дає можливість створювати високоефективні помножувачів частоти.

Основні результати дисертації опубліковані у таких роботах:

1. Аркуша Ю.В. Частотные свойства диодов Ганна миллиметрового диапазона с температурными градиентами в доменном режиме // В кн.: “ Элементная база, приборы и техника миллиметровых и субмиллиметровых диапазонов ”. Сб. научн.тр. Харьков: Ин-т радиофизики и электроники АН УССР.-19$0.- С. 58-61.

2. Аркуша Ю.В. Энергетические характеристики диодов Ганна с гетеропереходом на катодном контакте //Доповіді Національної Академії наук України. - 1997. - № 10. - C. 90-93.

3. Аркуша Ю.В. Влияние металлического катодного контакта на энергетические характеристики коротких диодов Ганна // Радиофизика и электроника : Сб.науч.тр. НАН Украины. Ин-т радиофизики и электроники. - Харьков,- 1996. С. 96 - 99.

4. Аркуша Ю.В. Влияние профилей легирования образцов на измерение зависимости V(E) СВЧ - методом // Радиофизика и электроника : Сб. науч. тр. НАН Украины. Ин-т радиофизики и электроники. - Харьков,- 1996,- С. 93 - 95.

5. Аркуша Ю.В., Дрогаченко A.A., Кашурина А.М. Влияние градиента концентрации на анодном п+-п контакте на эффективность генерации коротких диодов Ганна // Вестник Харьковского университета. Радиофизика и электроника. - 1988.- № 318,-С. 7-9.

6. Аркуша Ю.В., Дрогаченко A.A., Мишнёв A.A. Генерация второй гармоники диодом Ганна с двухзонным катодом // Твердотельные генераторы и преобразовательные приборы мм и субмм диапазонов волн : Сб. научных трудов.-Харьков: Ин-т радиофизики и электроники АН УССР,- 1989,- С. 10-13.

7. Аркуша Ю.В., Дрогаченко A.A., Прохоров Э.Д. Влияние контакта металл-полупроводник с низкой высотой потенциального барьера на работу диода Ганна // В кн.: Электроника мм и субмм диапазонов. ИРЭ АН УССР.- Н. Дум-ка.- 1988,- С. 184-189.

8. Аркуша Ю.В., Дрогаченко A.A., Прохоров Э.Д. Влияние запорного металлического катодного контакта на работу коротких диодов Ганна // Радиотехника и электроника,- 1988,-Т.ЗЗ, №6.-С. 1295-1301.

9. Аркуша Ю.В., Дрогаченко A.A., Прохоров Э.Д. Антизапорный металлический катодный контакт к коротким диодам Ганна // Радиотехника и электроника,- 1988,-Т.ЗЗ, № 6,- С. 1336-1337.

10. Аркуша Ю.В., Дрогаченко A.A., Прохоров Э.Д. Работа коротких диодов Ганна с металлическим контактом при обратной полярности питающего напряжения // Радиотехника и электроника. - 1989,-Т.34, № 5,- С. 1098-1100.

11. Аркуша Ю.В,, Дрогаченко A.A., Прохоров Э.Д. Режим однородного поля в докритически легированных диодах Ганна с металлическим катодным контактом // Радиотехника и электроника,- 1989,- Т.34, № 7,- С. 1538-1540.

12. Аркуша Ю.В., Дядченко A.B., Прохоров Э.Д. Возможности генерации диодами Ганна на основе lnxGai.xAs // Радиотехника и электроника. - 1991.- Т.36, №7,- С. 1401-1404.

13. Аркуша Ю.В., Полянский Н.Е., Прохоров Э.Д. О возможности работы коротких диодов Ганна на GaAs при температурах активной области выше 500 К // Радиотехника и электроника,- 1993.- Т.38, № 3.- С. 553-556.

14. Аркуша Ю.В., Попов А.М. Влияние профиля легирования активной области на энергетические и частотные характеристики коротких диодов Ганна // Вестник Харьковского университета. Радиофизика и электроника.- 1991,- № 355,- С. 12-

14.

15. Аркуша Ю.В., Попов А.М., Прохоров Э.Д. Оптимальные профили легирования мм диодов Ганна при 300 и 500 К// Радиотехника и электроника. - 1990.- Т.35, №

7,-С. 1552-1553.

16. Аркуша Ю.В., Прохоров Э.Д. Материалы для диодов Ганна на основе перспективных полупроводников А3В5 // Функциональные материалы,- 1995.- Т.2, № 4,- С. 397-400.

17. Аркуша Ю.В., Прохоров Э.Д., Санин С.И. Влияние типа катодного контакта, профиля легирования и температуры на эффективность генерации диодами Ганна на частоте второй и третьей гармоники // Радиотехника и электроника.-1994,-Т.39, №8-9,- С. 1435-1438.

18. Аркуша Ю.В., Прохоров Э.Д., Санин С.И. Зависимость эффективности генерации диодами Ганна на гармониках от его внутренних параметров // Применение радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Сб. научн. тр,- Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины.-1994.-С. 137141.

19. Аркуша Ю.В., Прохоров Э.Д., Санин С.И. Работа коротких диодов Ганна на частоте второй и третьей гармоники II Доклады Национальной Академии наук Украины,- 1995,- № 4,- С, 47-49.

20. Аркуша Ю.В., Прохоров Э.Д., Санин С.И. Влияние величины n<jla на эффективность диодов Ганна с различными типами катодных контактов при работе на частоте второй и третьей гармоники // Использование радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Сб. научн. тр,- Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины,- 1993,- С. 99-104.

21. Аркуша Ю.В., Прохоров Э.Д., Санин С.И. Оптимальные параметры диодов с двухбарьерной квантовой структуры // Техника мм и субмм волн: Сб. Научн. тр.-Харьков. Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины,- 1993.-С.41-44.

22. Аркуша Ю.В., Прохоров Э.Д., Стороженко И.П. Гетеропереход InРi-xAsx / GaAs в диоде с междолинным переносом электронов // Радиотехника и электроника -

1996,-Т.41, №2,-С. 248-252.

23. Аркуша Ю.В., Прохоров Э.Д., Стороженко И.П. Гетеропереход lnxGai-xAs / GaAs в арсенид-галлиевом диоде Ганна // В кн.: Применение радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Сб. научн. тр,- Харьков. Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины,- 1994,- С. 78-85.

24. Аркуша Ю.В., Прохоров Э.Д., Стороженко И.П. Диоды Ганна миллиметрового диапазона на основе lnPo.6Aso4 Н Радиотехника и электроника,- 1994,- Т.39, №

11,- С. 1816-1818.

25. Аркуша Ю.В., Прохоров Э.Д., Стороженко И.П. Влияние температуры на энергетические и частотные характеристики диодов Ганна мм-диапазона с гетерокатодом // Радиофизика и радиоастрономия. - 1997,- Т.2, № 2,- С. 230-235.

26. Arkusha Yu.V. Metal contací to heterocathodic Gunn diode П Functional Materials.-

1997, V. 4, № 2.- P.314-315.

27. Arkusha Yu.V., Prokhorov E.D., Sanin S.I. Gunn Diodes with different Cathode Contacts Oscillation on Harmonics Frequencies // Int. Journal of INFRARED and Millimeter Waves.- 1996,- V. 17, № 10,- P. 1639-1650.

Анотація

Аркуша Ю.В. Роль контактів у підвищенні ефективності та граничних частот генерації діодів Ганна мм та субмм діапазонів.

Дисертаційна робота ( рукопис ) на здобуття наукового ступеню доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика, Харківський державний університет, Харків, 1998.

Захищається 27 наукових робіт, в яких відбиті дослідження проблеми підвищення ефективності генерації та розширення частотних можливостей діодів Ганна. Досліджено вплив різних типів катодних контактів ( п+ - п‘ - п - контакт, металевий катодний контакт, гетероперехід на катодному контакті ) та профілю легування GaAs-діодів на ККД генерації як на основній частоті, так і на частоті

другої та третьої гармонік. Визначено, що кращими по ККД генерації на частоті другої гармоніки є діоди з металевим катодним контактом, а на частоті третьої гармоніки - п+ - гї - п - катодний контакт. Досліджені енергетичні характеристики діодів Ганна на основі перспективних сполук напівпровідників А3В5 ( ІПхСаі.хАз, ІпР-і-хАЗх, lni.xGaxPi.yASy ) з різними типами катодних контактів. Показано, що в діодах на основі цих напівпровідників росповсюджуються ті ж типи нестійкостей, що й в діодах на основі вгАє. Розглянута можливість використання коротких діодів Ганна та діодів з двохбар’єрною квантовою структурою як нелінійних елементів помножувачів частоти.

Ключозі слова: діод Ганна, катодний контакт, ефективність генерації, частотний діапазон, активна область діода, профіль легування.

Аннотация

Аркуша Ю.В. Роль контактов в повышении эффективности и предельных частот генерации диодов Ганна мм и субмм диапазонов.

Диссертационная работа ( рукопись ) на соискание учёной степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика, Харьковский государственный университет, Харьков, 1998.

Защищается 27 научных работ, в которых отражены исследования проблемы повышения эффективности генерации и расширения частотных возможностей диодов Ганна. Исследовано влияние различных типов катодных контактов (п+ - п' - п -контакт, металлический катодный контакт, гетеропереход на катодном контакте ) и профиля легирования СаАэ - диодов на КПД генерации как на основной частоте, так и на частоте второй и третьей гармоник. Установлено, что лучшими по КПД генерации на частоте второй гармоники являются диоды с металлическим катодным контактом, а на частоте третьей гармоники - с п+- п' - п -катодным контактом. Исследованы энергетические характеристики диодов Ганна на основе перспективных соединений полупроводников А3В5 ( ІПхЄаі.хАз, ІпРі_хАзх, lni.xGaxPi.yASy) с различными типами катодных контактов. Показано, что в диодах на основе этих полупроводников распространяются те же типы неустойчивостей, что и у диодов на основе СаАэ. Рассмотрена возможность использования коротких диодов Ганна и диодов с двухбарьерной квантовой структурой в качестве нели-нейных элементов умножителей частоты.

Ключевые слова : диод Ганна, катодный контакт, эффективность генерации, частотный диапазон, активная область диода, профиль легирования.

Abstract

Arkusha Yu.V. Cathode contacts influence to the mm and submm wave Gunn diodes efficiency improvement and frequency range expansion.

The thesis ( a manuscript) is applied on adjudge for research degree doctor of Physical and Mathematical Sciences on speciality 01.04.03 - " Radiophysics ". Kharkov State University, Kharkov, 1998.

The thesis contains the result of 27 scientific publications connected with problem of the Gunn diodes efficiency and their frequency possibilities improvement. It has been investigated the influence of different type cathode contacts ( n+ - n' - n, metalic cathode contact, heterojunction on the cathode contact ) and GaAs diode doping profile to the fundamental frequency and on the second and third harmonics. It has been found more efficient on the second harmonic are the diodes with metalic cathode contacts but on the third harmonic - diodes with n+ - n~ - n cathode contacts. The power characteristics of the Gunn diodes on perspective A3B5 semiconductor base (lnxGai.xAs, lnPi.*Asx, lni.xGaxPi.yAsy) with different cathode contacts types has been researched. It has been shown the same instabilities take place both in the diodes based on such semiconductor compounds and in the GaAs diodes. It has been studied any possibilities of using both the short Gunn diodes and diodes with double barriers quantum well structures as unline elements for the frequency multiplication.

Keywords : Gunn diode, cathode contact, oscillation efficiency, frequency range, diode active region length, doping profile.

АРКУША Юрій Васильович

РОЛЬ КОНТАКТІВ У ПІДВИЩЕННІ ЕФЕКТИВНОСТІ ТА ГРАНИЧНИХ ЧАСТОТ ГЕНЕРАЦІЇ ДІОДІВ ГАННА ММ ТА СУБММ ДІАПАЗОНІВ

Відповідальний за випуск Прохоров Е.Д.

Отпечатано на ризографе ООО « Либра » Формат 60 х 84 1/16. 0бъёмб,0 печ.л.

Тираж 100 экз.

310002, г. Харьков, ул. Чернышевского 41, ком. 205