JPH0636598Y2 - Ultra high frequency semiconductor device - Google Patents

Ultra high frequency semiconductor device

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JPH0636598Y2
JPH0636598Y2 JP1990015086U JP1508690U JPH0636598Y2 JP H0636598 Y2 JPH0636598 Y2 JP H0636598Y2 JP 1990015086 U JP1990015086 U JP 1990015086U JP 1508690 U JP1508690 U JP 1508690U JP H0636598 Y2 JPH0636598 Y2 JP H0636598Y2
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holes
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潤一 西澤
薫 本谷
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財団法人半導体研究振興会
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Description

【考案の詳細な説明】 本考案は半導体装置に関し、特にマイクロ波帯以上で負
性抵抗を示す半導体装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device exhibiting a negative resistance in a microwave band or higher.

逆方向バイアスのトンネル注入を用いた負性抵抗ダイオ
ード(タンネットダイオード)は、なだれ注入を用いた
負性抵抗ダイオード(インパットダイオード)よりも低
いバイアス電圧で動作し、かつ発振周波数が高くできる
ことと、低雑音という特徴をもっている(特公昭47-110
95号)。
Negative resistance diode (tannet diode) using reverse bias tunnel injection operates at a lower bias voltage than negative resistance diode (impatt diode) using avalanche injection, and the oscillation frequency can be increased. , Low noise (Japanese Patent Publication No. 47-110)
No. 95).

従来のタンネットダイオードは、電子をp+層よりn+層あ
るいはn層へ注入する構造であり、トンネル注入される
正孔による負性抵抗を無視してきた。
The conventional tannet diode has a structure of injecting electrons from the p + layer to the n + layer or the n layer, and neglects the negative resistance due to the holes that are tunnel-injected.

本考案は、トンネル注入される電子だけではなく正孔を
も利用したタンネットダイオードを提供することにあ
る。
The present invention is to provide a tannet diode that utilizes not only electrons that are tunnel-injected but also holes.

正孔による負性抵抗を利用することにより、動作層厚み
はおおよそ2倍により、同じ面積の電子だけによるタン
ネットダイオードよりも空乏層容量はおおよそ半分にな
り、インピーダンスをおおよそ2倍高くでき、回路との
接合がとりやすくなり、又出力電力を増加させることが
できる。
By utilizing the negative resistance due to holes, the operating layer thickness is approximately doubled, the depletion layer capacitance is approximately half that of a tannet diode with only electrons of the same area, and the impedance can be approximately doubled. It becomes easy to join with and the output power can be increased.

以下図面を参照して本考案を詳細に説明する。Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図は従来の電子トンネル注入によるタンネットダイ
オードの不純物密度分布であり、第1図(イ)はp+−n
−n+型であり、n+型基板1上にトンル注入兼走行領域で
あるn型領域2、p+型領域3を含む。第1図(ロ)は、
p+−n+−i(ν)−n+型であり、第1図(イ)のトンネ
ル注入とキャリア走行を行なわせるn+型領域22とキャリ
アを走行させるi(ν)型領域21とに分離しものであ
る。他の部分は第1図(イ)と同様である。
FIG. 1 shows the impurity density distribution of a tannet diode obtained by conventional electron tunnel injection, and FIG. 1 (a) shows p + −n.
It is an -n + type and includes an n + type region 2 and a p + type region 3 which are both tunnel injection and running regions on the n + type substrate 1. Figure 1 (b)
It is of p + -n + -i (ν) -n + type and has an n + -type region 22 for tunnel injection and carrier traveling shown in FIG. 1 (a) and an i (ν) -type region 21 for carrier traveling. It is a separate thing. The other parts are the same as in FIG.

これらのタンネットダイオードは、p+型領域3の不純物
密度を高くして、空乏層を主にn型領域2、22、21へ拡
げるように段階接合になるようにしているが、n層2あ
るいはn+層22よりp+層3へトンネル注入される正孔は殆
んど負性抵抗には寄与しない。本考案はトンネル注入さ
れる両極性のキャリアを共に利用するものであり、以下
説明する。
In these tannet diodes, the impurity density of the p + type region 3 is increased so that the depletion layer mainly spreads to the n type regions 2, 22 and 21 to form a step junction. Alternatively, holes tunnel-injected from the n + layer 22 into the p + layer 3 hardly contribute to the negative resistance. The present invention utilizes both bipolar carriers that are tunnel-injected, and will be described below.

第2図は上述の従来のタンネットダイオードにおいて利
用していないトンネル注入される正孔にも走行層を設け
ることにより、正孔及び電子による負性抵抗を得る半導
体装置の実施例であり、1は高不純物密度を持つn+型半
導体層、2はn型層1よりも不純物密度の低いn型層、
31はp型層で、32はp型層31よりも不純物密度の高いp+
型層である。
FIG. 2 shows an example of a semiconductor device in which a traveling layer is provided for tunnel-injected holes that are not used in the above-mentioned conventional tannet diode to obtain a negative resistance due to holes and electrons. Is an n + type semiconductor layer having a high impurity density, 2 is an n type layer having a lower impurity density than the n type layer 1,
31 is a p-type layer and 32 is p + with a higher impurity density than the p-type layer 31.
It is a mold layer.

n型層2、p型層31の不純物密度は、例えばGeでは1×
1017cm-3以上、Siでは3×1017cm-3以上、GaAsでは4×
1017cm-3以上とすることが望ましい。
The impurity density of the n-type layer 2 and the p-type layer 31 is, for example, 1 × for Ge.
10 17 cm -3 or more, 3 × 10 17 cm -3 or more for Si, 4 × for GaAs
It is desirable to set it to 10 17 cm -3 or more.

第3図は、第2図に示される本考案の半導体装置の動作
と電界分布を示す。
FIG. 3 shows the operation and electric field distribution of the semiconductor device of the present invention shown in FIG.

ダイオードは逆方向にバイアスされていて、pn接合の最
大電界強度領域付近40で発生したトンネル注入された電
子は、40以外のn型層41を飽和速度で走行すること及び
トンネル注入された正孔は40以外のp型層42を飽和速度
で走行することによって生じる走行時間効果により負性
抵抗が得られる。
The diode is biased in the reverse direction, and the tunnel-injected electrons generated in the vicinity 40 of the maximum electric field strength region of the pn junction travel in the n-type layer 41 other than 40 at the saturation speed and the tunnel-injected holes. The negative resistance is obtained by the transit time effect generated by traveling the p-type layers 42 other than 40 at the saturated speed.

pn接合部の最大電界強度εmaxは、トンネル注入を生起
させるために、おおよそ1000kV/cm以上にすることが望
ましい。
It is desirable that the maximum electric field strength ε max of the pn junction is approximately 1000 kV / cm or more in order to cause tunnel injection.

2、31のn、p層は、逆方向バイアス時に接合電界強度
がトンネル注入に必要な十分に高い電界強度となり、か
つ動作時にはほぼ全領域が空乏層化するような不純物密
度と厚さを有する。
The n and p layers 2 and 31 have such an impurity density and a thickness that the junction electric field strength becomes a sufficiently high electric field strength necessary for tunnel injection at the time of reverse bias, and almost all regions become a depletion layer at the time of operation. .

トンネル注入はおおよそ200Å以下に非常に狭い領域で
生起するのでトンネル注入領域以外のn型層2及びp型
層31は殆んどトンネル注入されたキャリアの走行する領
域となる。トンネル注入がおおゆそπ/2ラジアンで最大
となるときには電子及び正孔の走行角(θ≡ω・W/υ
ここでωは動作角周波数、Wはn型層2及びp型層31の
厚み、υは飽和速度である。)をおおよそπから2π
ラジアルとすれば負性抵抗が得られる。n型層2及びp
型層31の厚さは逆方向バイアスしたときにできる空乏層
がn+型層1及びp+型層32へ拡がるようにし、空乏層にな
っていない部分ができるだけ少なくする。電子と正孔の
飽和速度が異なる半導体であるGeやSi等あるいは同じで
あるGaAsの様な半導体が存在するが当然トンネル注入さ
れた電子及び正孔が同じ走行角を持つようにn型層2、
p型層31の厚さを決めると効率は上昇する。
Since the tunnel injection occurs in a very narrow region of approximately 200 Å or less, the n-type layer 2 and the p-type layer 31 other than the tunnel injection region are almost the regions where the tunnel-injected carriers travel. When the tunnel injection is maximum at approximately π / 2 radians, the traveling angles of electrons and holes (θ≡ω ・ W / υ s
Here, ω is the operating angular frequency, W is the thickness of the n-type layer 2 and the p-type layer 31, and ν s is the saturation velocity. ) From approximately π to 2π
Radial gives negative resistance. n-type layer 2 and p
The thickness of the type layer 31 is set so that the depletion layer formed when the reverse bias is applied spreads to the n + type layer 1 and the p + type layer 32, and the portion which is not the depletion layer is reduced as much as possible. There are semiconductors such as Ge and Si, which have different saturation speeds for electrons and holes, or the same semiconductor, such as GaAs, but the n-type layer 2 should be used so that tunnel-injected electrons and holes have the same traveling angle. ,
The efficiency increases when the thickness of the p-type layer 31 is determined.

本実施例の半導体装置は第1図(イ)の構造と較べて、
空乏層容量を小さくできインピーダンスを高くでき回路
との接合がとりやすくなる。但し第1図(イ)のp+−n
−n+型よりもおおよそ2倍位の電圧が必要であることと
第1図(イ)のp+−n−n+型構造と同様にトンネル注入
層と走行層が一緒になっていることの為走行層の厚さを
自由に設定できないという欠点がある。
Compared with the structure of FIG. 1A, the semiconductor device of this embodiment has
The capacitance of the depletion layer can be reduced, the impedance can be increased, and the connection with the circuit can be easily made. However, p + -n in Fig. 1 (a)
Approximately twice as much voltage as the -n + type is required, and the tunnel injection layer and transit layer are the same as in the p + -n-n + type structure of Fig. 1 (a). Therefore, there is a drawback that the thickness of the traveling layer cannot be freely set.

第4図に示す実施例は局在化したトンネル注入領域と走
行層を分離する構造で動作電圧を低くすることができ又
走行層幅を自由に設定できることを特徴とするものであ
る。
The embodiment shown in FIG. 4 is characterized in that the operating voltage can be lowered and the width of the traveling layer can be freely set by the structure for separating the localized tunnel injection region and the traveling layer.

5は不純物密度の高いn+型層、6は高抵抗なi(ν)型
層、7は不純物密度の高いn+型層、8は不純物密度の高
いp+型層、9は高抵抗なi(π)型層、10は不純物の高
いp+型層である。pn接合を形成する2つの層7、8はト
ンネル注入の為に設けられる領域であり、動作時の電界
強度がトンネル注入に必要な十分な値となり、かつでき
るだけ薄いことが望まれる。動作の点からn+型層7、p+
型層8共におおよそ100Å以下で十分である。
5 is an n + type layer having a high impurity density, 6 is an i (ν) type layer having a high resistance, 7 is an n + type layer having a high impurity density, 8 is a p + type layer having a high impurity density, and 9 is a high resistance. The i (π) type layer and 10 are p + type layers having high impurities. The two layers 7 and 8 forming the pn junction are regions provided for tunnel injection, and it is desired that the electric field strength during operation has a sufficient value necessary for tunnel injection and is as thin as possible. In terms of operation, n + type layer 7, p +
About 100 Å or less is sufficient for both the mold layers 8.

n+型層7、p+型層8の不純物密度はおおよそ1×1017cm
-3以上で厚さはおおよそ0.2μm以下でできるだけ薄い
ことが望ましい。第5図は第4図に示される本考案の半
導体装置の動作と電界分布を示す。動作は局在化して設
けられたp+−n+接合により形成される最大電界強度領域
付近50とトンネル注入された電子がトンネル注入領域50
以外の領域51を飽和速度で走行すること及び、トンネル
注入された正孔がトンネル注入領域50以外の領域52を飽
和速度で走行することによって生じる走行時間効果によ
り負性抵抗が得られる。トンネル注入を十分に生起させ
るためのp+−n+接合の最大電界強度ωmaxはおおよそ100
0kV/cm以上とすることが望ましい。
The impurity density of the n + type layer 7 and the p + type layer 8 is about 1 × 10 17 cm
It is desirable that the thickness is -3 or more and the thickness is approximately 0.2 μm or less, and the thickness is as thin as possible. FIG. 5 shows the operation and electric field distribution of the semiconductor device of the present invention shown in FIG. The operation is near the maximum electric field intensity region 50 formed by the localized p + −n + junction and the tunnel injection electron 50
Negative resistance is obtained by the traveling time effect generated by traveling at a saturation velocity in the region 51 other than that and by traveling at a saturation velocity by the tunnel-injected holes in the region 52 other than the tunnel injection region 50. The maximum electric field strength ω max of the p + −n + junction to sufficiently induce tunnel injection is about 100.
It is desirable to set it to 0 kV / cm or more.

高抵抗層6、9はそれぞれ電子、正孔の為の走行層で、
前記トンネル注入層7、8よりも不純物密度を低くして
ごくわずかな電圧で5、10の高不純物密度層まで空乏層
が到達するようにすれば、第2図の実施例よりも低い電
圧で動作が可能となる。
The high resistance layers 6 and 9 are transit layers for electrons and holes,
If the impurity density is made lower than that of the tunnel injection layers 7 and 8 so that the depletion layer reaches the high impurity density layers of 5 and 10 with a very small voltage, a voltage lower than that of the embodiment of FIG. It becomes possible to operate.

走行層6、9の厚さはトンネル注入が約π/2ラジアンで
最大となるときは走行角がおおよそπから2πラジアル
とするように決めればよい。走行角を3/2πラジアルと
すれば厚さはW=3υ/4となる。
The thickness of the traveling layers 6 and 9 may be determined so that the traveling angle is approximately π to 2π radial when the tunnel injection is maximum at approximately π / 2 radians. If the traveling angle is 3 / 2π radial, the thickness is W = 3υ s / 4.

ここでυはキャリアの飽和速度、は希望動作周波数
である。
Where ν s is the carrier saturation speed and is the desired operating frequency.

例えばキャリアの飽和速度を1×107cm/sec、動作周波
数を10、100、1000GHzとしたときにWはそれぞれ7.5μ
m、0.75μm、0.075μm程度となる。
For example, when the carrier saturation speed is 1 × 10 7 cm / sec and the operating frequency is 10, 100, and 1000 GHz, W is 7.5 μ each.
m, 0.75 μm, 0.075 μm.

走行角を約1.5πとする根拠は以下の通りである。The reason why the traveling angle is set to about 1.5π is as follows.

トンネル注入の電流により電子と正孔を走行させたとき
の負性抵抗、サセプタンス及び得られる電力を以下に示
す。
The negative resistance, susceptance and electric power obtained when electrons and holes are caused to travel by the current of tunnel injection are shown below.

電子を考える。この場合のダイオード構造を第6図に
示す。
Think electronic. The diode structure in this case is shown in FIG.

トンネル電流の式は次式で与えられる。The tunnel current equation is given by the following equation.

J=Jtexp eV/Vt …(1) 注入されるキャリアの量n(t)は、 となる。J = J t exp e V / Vt (1) The amount of injected carriers n (t) is Becomes

その時の誘導電流は次式で与えられる。The induced current at that time is given by the following equation.

ここで、Jt′=JteVo/Vt …(5) ここでIn(Z)はn次の変形ベッセル関数である。 Where J t ′ = J t e Vo / Vt (5) Here, In (Z) is a modified Bessel function of the nth order.

上式のうち直流分Joは次式となる。The DC component J o in the above equation is as follows.

一方、交流分は次式となる。 On the other hand, the AC component is given by the following equation.

ここで、 面積をSとしたときのダイオードのコンダクタンスG及
びサセプタンスBはそれぞれ次式で与えられる。
here, The conductance G and susceptance B of the diode when the area is S are respectively given by the following equations.

発生する電力は、 Vrf、Irf、Prfの概略を第7図に示す。 The power generated is An outline of V rf , I rf , and P rf is shown in FIG. 7.

電子、正孔が走行時間に寄与する場合(第5図)、誘
電電流として正孔分が加わる。電子と正孔の走行角が等
しい場合にPrfは電子だけの場合のほぼ2倍となる。
When electrons and holes contribute to the transit time (FIG. 5), holes are added as a dielectric current. When the traveling angles of electrons and holes are equal, P rf is almost twice as large as that of only electrons.

Prfと走行角の関係は次のようになる。The relationship between P rf and running angle is as follows.

コンダクタンスのみを考えた場合は、電子と正孔の走行
角が等しく、3/2πのときに、最大出力となるが、サセ
プタンス分があるので詳しく計算をする。
If only the conductance is considered, the maximum output is obtained when the traveling angles of the electron and hole are equal and it is 3 / 2π, but there is a susceptance component, so a detailed calculation will be performed.

走行角(θ=2πW/υ =0.75υ/W 今、υ=8×106cm/sec、W=0.2μmなので =3000GHz を変えたときのPrfの変化を第8図に示す。ほぼ走行
角が3/2πよりも少し低いところで最大出力となる。
Traveling angle (θ = 2πW / υ = 0.75υ / W Now, υ = 8 × 10 6 cm / sec and W = 0.2 μm, so P rf change when changing = 3000 GHz is shown in Fig. 8. The maximum output is obtained when the angle is slightly lower than 3 / 2π.

以上述べた本考案はトンネル注入された電子、正孔共に
走行キャリアとして用いるタンネットダイオードで、マ
イクロ波帯以上の負性抵抗半導体装置として応用でき
る。
The present invention described above is a tannet diode that uses both tunnel-injected electrons and holes as traveling carriers and can be applied as a negative resistance semiconductor device in the microwave band or higher.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図(イ)、(ロ)は従来の半導体装置、第2図は本
考案の実施例、第3図は第2図の考案の動作の説明、第
4図は本考案の別の実施例、第5図は第4図の考案の動
作の説明、第6図は電子だけを走行させるときの計算に
用いた構造、第7図はVrf、Irf及びPrfの関係の概略
図、第8図は本考案の周波数と出力の関係を計算した例
である。
1 (a) and 1 (b) are conventional semiconductor devices, FIG. 2 is an embodiment of the present invention, FIG. 3 is an explanation of the operation of the invention of FIG. 2, and FIG. 4 is another embodiment of the present invention. Example, FIG. 5 is an explanation of the operation of the device of FIG. 4, FIG. 6 is a structure used for calculation when only electrons are run, and FIG. 7 is a schematic diagram of the relationship between V rf , I rf and P rf . , FIG. 8 is an example of calculating the relationship between frequency and output according to the present invention.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項1】トンネル注入のためのp+−n+接合を形成す
る高不純物密度のn+型半導体領域と高不純物密度のp+
半導体領域と、n+領域に隣接した高抵抗のν型半導体領
域とp+領域に隣接した高抵抗のπ型半導体領域と前記ν
型半導体領域に隣接した高不純物密度n+型半導体領域と
を有し、逆方向バイアスの状態において前記p+−n+接合
部の最大電界強度がおおよそ1000kV/cmとなし、前記ト
ンネル注入のためのp+型領域とそれに隣接した高抵抗の
π型領域及びトンネル注入のためのn+型領域とそれに隣
接した高抵抗のν型領域を空乏層化した状態にしてp+
領域よりn+型領域へ電子をトンネル注入しn+領域からp+
領域へ正孔をトンネル注入し、これら注入されたキャリ
アを電子は前記高抵抗層ν層、正孔は前記高抵抗層π層
をその殆どの部分で飽和速度で走行させかつ電子と正孔
の走行角を殆ど同じく約1.5πラジアンとなるようにν
層とπ層の厚みを決めることによりマイクロ波帯以上で
負性抵抗を得ることを特徴とする半導体装置。
1. A high-impurity-density n + -type semiconductor region forming a p + -n + junction for tunnel injection, a high-impurity-density p + -type semiconductor region, and a high-resistance ν adjacent to the n + region. -Type semiconductor region and p + region adjacent to the high resistance π-type semiconductor region and ν
A high impurity density n + type semiconductor region adjacent to the type semiconductor region, the maximum electric field strength of the p + −n + junction in the state of reverse bias is about 1000 kV / cm, because of the tunnel injection the p + -type region and it was a n + -type region and the state it was depleted the ν-type region of high resistivity adjacent to the adjacent high-resistance π-type region and a tunnel injection p + -type region than n + Tunnel injection of electrons into the type region and p + from the n + region
The holes are tunnel-injected into the region, and the injected carriers cause the electrons to travel in the high-resistance layer ν layer and the holes travel in the high-resistance layer π layer at a saturation speed in most of the regions, and the electrons and holes Ν so that the running angle is about 1.5π radians
A semiconductor device characterized in that a negative resistance is obtained in a microwave band or higher by determining the thicknesses of the layers and the π layer.
JP1990015086U 1990-02-17 1990-02-17 Ultra high frequency semiconductor device Expired - Lifetime JPH0636598Y2 (en)

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