Варизонный AlGaInAs-диод Ганна

Abstract

Диоды Ганна – активные элементы для генерации электромагнитных волн в миллиметровом диапазоне. Повышение их выходной мощности и предельной частоты генерации является актуальной задачей. Один из способов увеличения указанных характеристик диодов Ганна – использование варизонных полупроводников. В статье представлены результаты числовых экспериментов по генерации электромагнитных колебаний с помощью диодов Ганна на основе варизонного соединения AlGaAs-GaAs-InGaAs. Исследования проведены с помощью температурной модели междолинного переноса электронов в варизонных полупроводниках. Длина активной области диода составляла 2,5 мкм с концентрацией ионизированных примесей в ней 1016 см–3. Показано, что AlGaAs-GaAs-InGaAs-диоды могут быть использованы в качестве активных элементов для генерации электромагнитных колебаний миллиметрового диапазона. В GaAs-InxGa1–xAs- и Al0,2Ga0,8As-GaAs-InxGa1–xAs-диодах выходная мощность почти линейно растет с процентной долей InAs в интервале от 0 до 50 %. Максимальное значение выходной мощности Р = 12,2 кВт×см–2 на частоте f = 45 ГГц и с эффективностью η = 10,5 % имеет GaAs-Ga0,5In0,5As-диод. Наибольшую эффективность генерации η = 11,3 % при Р = 10,6 кВт⋅см–2 и f = 41 ГГц – Al0,2Ga0,8As-GaAs-In0,5Ga0,5As-диод. Al0,2Ga0,8As-GaAs-диод по выходной мощности и эффективности генерации в 2–3 раза уступает названным выше. Результаты исследования расширяют знания о физических процессах переноса носителей заряда в сложных полупроводниковых структурах и могут быть использованы для технологических разработок новых быстродействующих приборов на основе полупроводников А3В5.

Діоди Ганна – це активні елементи для генерації електромагнітних хвиль у міліметровому діапазоні. Підвищення їх вихідної потужністі та граничної частоти є актуальним завданням. Одним із способів збільшити вказані характеристики діодів Ганна є використання варізонних напівпровідників. У статті подано результати числових експериментів з генерації електромагнітних коливань за допомогою діодів Ганна на основі варізонної сполуки AlGaAs-GaAs-InGaAs. Дослідження проведено за допомогою температурної моделі міждолинного перенесення електронів у варізонних напівпровідниках. Довжина активної області діода становила 2,5 мкм з концентрацією іонізованих домішок у ній 1016 см–3. Показано, що AlGaAs-GaAs-InGaAs-діоди можуть бути використані в якості активних елементів для генерації електромагнітних коливань міліметрового діапазону. У GaAs-InxGa1–xAs- і Al0,2Ga0,8As-GaAs-InxGa1–xAs-діодах вихідна потужність майже лінійно зростає з відсотковою часткою InAs в інтервалі від 0 до 50 %. Найбільше значення вихідної потужності Р = 12,2 кВт×см–2 на частоті f = 45 ГГц і ефективністю η = 10,5 % має GaAs-Ga0,5In0,5As-діод. Найбільшу ефективність генерації η = 11,3 % при Р = 10,6 кВт⋅см–2 и f = 41 ГГц має Al0,2Ga0,8As-GaAs-In0,5Ga0,5As-діод; Al0,2Ga0,8As-GaAs-діод за вихідною потужністю і ефективністю генерації у 2–3 рази поступається названим вище. Результати дослідження розширюють знання про фізичні процеси перенесення носіїв заряду в складних напівпровідникових структурах і можуть бути використані для технологічних розробок нових швидкодіючих приладів на основі напівпровідників А3В5.

Gunn diodes are the active elements for generating electromagnetic waves in the millimeter range. An urgent task of today is to increase their cutoff frequency and output power. One of the ways to do it is to use graded-gap semiconductors. The paper presents the results of numerical experiments on the electromagnetic waves generation with the help of Gunn diodes based on graded-gap AlGaAs-GaAs-InGaAs compound. The numerical simulation has been conducted by means of the temperature model of intervalley transfer of electrons in the graded-gap semiconductors. The length of the diode active area was 2.5 μm with the concentration of ionized impurities therein 1016 cm–3. We have shown that the AlGaAs-GaAs-InGaAs-diodes can be used as active elements for generating electromagnetic oscillations in the millimeter wave range. In GaAs-InxGa1–xAs- and Al0.2Ga0.8As-GaAs-InxGa1–xAs-diodes the output power increases almost linear with InAs percentage in the range from 0 to 50 %. As it turned out GaAs-Ga0.5In0.5As-diode has the greatest value of the output power Р = 12,2 kW×cm–2 at frequency of f = 45 GHz and efficiency of η = 10.5 %. Al0.2Ga0.8As-GaAs-In0.5Ga0.5As-diode has the greatest generation efficiency of η = 11,3% at Р = 10.6 kW×cm–2 and f = 41 GHz output power and generation efficiency of Al0.2Ga0.8As-GaAs-diode in 2 to 3 times lower than the parameters of mentioned above diodes. Our findings extend the knowledge of the physical processes of carrier transport in complex semiconductor structures and can be used for technological development of new high-performance devices based on A3B5 semiconductors.