RU2780380C1 - Planar gunn diode - Google Patents

Planar gunn diode Download PDF

Info

Publication number
RU2780380C1
RU2780380C1 RU2021108013A RU2021108013A RU2780380C1 RU 2780380 C1 RU2780380 C1 RU 2780380C1 RU 2021108013 A RU2021108013 A RU 2021108013A RU 2021108013 A RU2021108013 A RU 2021108013A RU 2780380 C1 RU2780380 C1 RU 2780380C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
range
active
microwave
contact
gunn
Prior art date
Application number
RU2021108013A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Ильич Самойлов
Original Assignee
Владимир Ильич Самойлов
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Ильич Самойлов filed Critical Владимир Ильич Самойлов
Application granted granted Critical
Publication of RU2780380C1 publication Critical patent/RU2780380C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention can be applied in the national economy, more specifically, in medicine, military industry, etc. The stated positive effect will be obtained if the following conditions are fulfilled simultaneously: the active semiconductor element of the Gunn diode of the UHF generator has a planar structure; the span distance from the cathode contact to the anode contact is in the range of (3 to 4) mcm; the ratio of the conductive cross-sectional area of the cathode contact (Sk) to the corresponding area of the anode contact (Sa) is in the range Sk=(0.9 to 0.95)*Sa; the value of the doping level of the current carriers in the active (working) layer is in the range of (1 to 1.5)*1015 cm3.
EFFECT: use of the invention allows for a significant increase in the performance coefficient of UHF generators on Gunn diodes, allowing for an expansion of the functional range thereof.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к микроэлектронике, конкретно к конструктивным параметрам активной области планарной структуры диода Ганна. Величина легирования носителей тока в рабочем слое равна значению, расположенному в диапазоне ~(1.-1.5)*1015 см-3 Отношение площади катодного контакта (Sк) к анодному контакту (Sa) расположено в диапазоне ~(0.9-0.98). СВЧ генератор с планарной структурой диод Ганна, изготовленной из GaAs с данными параметрами активного слоя, в диапазоне первой гармоники может иметь К.П.Д до ~ 40% и плавно изменяющийся уровень выходной СВЧ мощности до 10%. Предлагаемое изобретение найдет широкое применение при промышленном выпуске СВЧ генераторов, используемых в военной технике, медицине, сельском хозяйстве и т.д.The invention relates to microelectronics, specifically to the design parameters of the active region of the planar structure of the Gunn diode. The amount of doping of current carriers in the working layer is equal to the value located in the range ~ (1.- 1.5 ) * 10 15 cm -3 . A microwave generator with a planar structure Gunn diode made of GaAs with the given parameters of the active layer in the range of the first harmonic can have an efficiency of up to ~ 40% and a smoothly varying microwave output power level of up to 10%. The present invention will find wide application in the industrial production of microwave generators used in military equipment, medicine, agriculture, etc.

Известна конструкция диода Ганна, изготовленного в работе [1], и включающая полупроводниковый активный элемент, состоящий из двух слоев высоколегированного GaAs, покрытых слоем контактного металла и являющихся катодным и анодным контактами. Между контактными слоями GaA расположен активный слой низколегированного GaAs. Одним контактом он соединен с теплоотводящим электродом корпуса диода Ганна, другим - с гибким металлическим проводником, который соединен с другим электродом корпуса диода Ганна. При подаче постоянного напряжения на диод Ганна в нем происходит образование движущихся доменов сильного поля, определяющих частоту генерации СВЧ генератора. В данном режиме (пролетный режим) частота СВЧ генерации определяется толщиной активного слоя и равна ~ 1/T, где Т есть время движения домена сильного поля от катода к аноду. Частота СВЧ перестройки и выходная СВЧ мощность СВЧ генератора невелики и определяются толщиной активного слоя.A well-known design of the Gunn diode, made in [1], and including a semiconductor active element, consisting of two layers of highly alloyed GaAs, coated with a layer of contact metal and are cathode and anode contacts. Between the GaA contact layers, there is an active layer of low-doped GaAs. It is connected with one contact to the heat-removing electrode of the body of the Gunn diode, the other - with a flexible metal conductor, which is connected to another electrode of the body of the Gunn diode. When a constant voltage is applied to the Gunn diode, moving domains of a strong field are formed in it, which determine the generation frequency of the microwave generator. In this mode (transit mode), the frequency of microwave generation is determined by the thickness of the active layer and is equal to ~ 1/T, where T is the time of movement of the strong field domain from the cathode to the anode. The frequency of microwave tuning and the output microwave power of the microwave generator are small and are determined by the thickness of the active layer.

Недостатком данной конструкции является небольшой рабочий СВЧ диапазон, малый уровень выходной СЧ мощности ограниченные пролетным режимом.The disadvantage of this design is a small operating microwave range, a low level of output midrange power limited by the flight mode.

В работе [2] автор заявляет об отсутствии зависимости между рабочей СВЧ частотой и толщиной активного слоя низколегированного GaAs, что позволяет значительно увеличить как диапазон перестройки частоты СВЧ генерации, так и генерируемую выходную СВЧ мощность диода Ганна. В данном случае речь идет о так называемом режиме "Ограничения Накопления Пространственного Заряда" (ОНОЗ режим). В работе [3] обосновано требование к физическим параметрам полупроводникового материала GaAs, используемого для изготовления диодов Г анна, работающих в режиме ОНОЗ.In [2], the author states that there is no dependence between the operating microwave frequency and the thickness of the low-doped GaAs active layer, which makes it possible to significantly increase both the frequency tuning range of the microwave generation and the generated output microwave power of the Gunn diode. In this case, we are talking about the so-called "Limited Space Charge Accumulation" mode (ONOS mode). The paper [3] substantiates the requirement for the physical parameters of the GaAs semiconductor material used to manufacture Hann diodes operating in the ONOS mode.

n=(2-20)*104*L, где:n=(2-20)*10 4 *L, where:

n - уровень легирования активного слоя (1/см3);n is the doping level of the active layer (1/cm 3 );

L - длина активного слоя (мк).L is the length of the active layer (μm).

Диоды Ганна, изготовленные из полупроводникового GaAs материала с вышеописанными требованиями, не производятся электронной промышленностью.Gunn diodes made from GaAs semiconductor material with the above requirements are not produced by the electronics industry.

В работе [4] описана конструкция диода Ганна с профилем легирования носителей тока в активном слое. Толщина активного слоя равна 80 мк. Концентрация легирования носителей тока на границах активного слоя соответственно равна минимальному (1*1013 см-3) и максимальному (3*1013 см-3) значениям и линейно возрастает вдоль толщины от минимального до максимального значений. Данные параметры активного слоя позволяют, при изменении напряжения питания от 26 вольт до 37 вольт, изменять частоту СВЧ генерации от 26 ГГц до 6 ГГц соответственно. Данный эффект перестройки СВЧ генерации объясняется тем, что при изменении напряжения питания соответственно изменяется длина пролетной области, тем самым изменяется частота СВЧ генерации. Преобразование энергии постоянного тока в переменный происходит в пролетной области активного слоя. При максимальном напряжении питания пролетная область максимальна и равна толщине активного слоя, что соответствует максимальному преобразованию энергии. Так как длина пролетной области максимальна, частота СВЧ генерации будет минимальна. В данном случае она равна 6 ГГц. Уменьшение рабочего напряжения приводит к уменьшению длины пролетной области в активном слое, при этом соответственно частота выходной СВЧ генерации будет увеличиваться. В данной ситуации в части активного слоя напряженность электрического поля становится меньше величины порогового электрического поля возникновения неустойчивости. Эта часть активного слоя будет выполнять роль последовательно включенного паразитного сопротивления, на котором будет рассеиваться часть энергии. Это приведет к тому, что при повышении частоты СВЧ генерации будет происходить значительное уменьшение преобразования энергии постоянного электрического поля в переменное. Физически очевидно, что отношение максимального к минимальному значений генерируемых СВЧ мощностей пропорционально отношению толщин максимальной и минимальной пролетных областей. А при учете образуемого последовательно включенного паразитного сопротивления это отношение будет еще больше.The paper [4] describes the design of a Gunn diode with a doping profile of current carriers in the active layer. The thickness of the active layer is 80 microns. The doping concentration of current carriers at the boundaries of the active layer is respectively equal to the minimum (1*10 13 cm -3 ) and maximum (3*10 13 cm -3 ) values and increases linearly along the thickness from the minimum to the maximum values. These parameters of the active layer make it possible, when the supply voltage changes from 26 volts to 37 volts, to change the frequency of microwave generation from 26 GHz to 6 GHz, respectively. This effect of microwave generation tuning is explained by the fact that when the supply voltage changes, the length of the span region changes accordingly, thereby changing the frequency of microwave generation. The conversion of direct current energy into alternating current occurs in the transit region of the active layer. At the maximum supply voltage, the span area is maximum and equal to the thickness of the active layer, which corresponds to the maximum energy conversion. Since the span length is maximum, the frequency of microwave generation will be minimum. In this case, it is equal to 6 GHz. A decrease in the operating voltage leads to a decrease in the length of the transit region in the active layer, and, accordingly, the frequency of the output microwave generation will increase. In this situation, in part of the active layer, the electric field strength becomes less than the threshold electric field for the onset of instability. This part of the active layer will play the role of a series-connected parasitic resistance, on which part of the energy will be dissipated. This will lead to the fact that with an increase in the frequency of microwave generation, there will be a significant decrease in the conversion of the energy of a constant electric field into an alternating one. It is physically obvious that the ratio of the maximum to the minimum values of the generated microwave powers is proportional to the ratio of the thicknesses of the maximum and minimum span regions. And when taking into account the parasitic resistance formed in series, this ratio will be even greater.

В данном случае перепад генерируемой СВЧ мощности в указанном диапазоне частот составляет шесть и более число раз, что является существенным недостатком диодов Ганна с данным профилем легирования.In this case, the drop in the generated microwave power in the indicated frequency range is six or more times, which is a significant disadvantage of Gunn diodes with this doping profile.

В работе [5] представлен генератор СВЧ, содержащий активный и управляющие частотой и мощностью элементы, выполненные каждый на полевом транзисторе с барьером Шотки по схеме с общим истоком. Один конец колебательной системы соединен с затвором полевого транзистора с барьером Шотки активного элемента, а другой - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего частотой элемента. Активный элемент подключен к соответствующим источникам посредством фильтров питания. При этом вышеупомянутая конструкция выполнена в виде интегральной схемы на одной из сторон изолирующей подложки, а на другой ее стороне выполнена металлическая пленка толщиной 5-10 мкм, в которой выполнена продольная осесимметричная щель, коротко замкнутая на одном конце. Проводник колебательной системы, соединенный с затвором полевого транзистора с барьером Шотки активного элемента, расположен перпендикулярно продольной осесимметричной щели. Исток и сток полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего мощностью элемента, соединены с металлической пленкой посредством сквозных металлизированных отверстий в изолирующей подложке по обеим сторонам продольной осесимметричной щели на расстоянии каждый, равном четверти длины волны, как от коротко замкнутого конца продольной осесимметричной щели, так и от упомянутого проводника колебательной системы.In [5], a microwave generator is presented, containing active and frequency and power control elements, each made on a field-effect transistor with a Schottky barrier according to a common-source circuit. One end of the oscillatory system is connected to the gate of the field-effect transistor with a Schottky barrier of the active element, and the other end is connected to the drain of the field-effect transistor with a Schottky barrier that controls the frequency of the element. The active element is connected to the appropriate sources through power filters. At the same time, the above structure is made in the form of an integrated circuit on one of the sides of the insulating substrate, and on its other side, a metal film 5-10 μm thick is made, in which a longitudinal axisymmetric slot is made, short-circuited at one end. The conductor of the oscillatory system, connected to the gate of the field-effect transistor with a Schottky barrier of the active element, is located perpendicular to the longitudinal axisymmetric slot. The source and drain of the field-effect transistor with a Schottky barrier, which controls the power of the element, are connected to the metal film through through metallized holes in the insulating substrate on both sides of the longitudinal axisymmetric slot at a distance each equal to a quarter of a wavelength, both from the short-circuited end of the longitudinal axisymmetric slot, and from the mentioned conductor of the oscillatory system.

Недостатки выходных характеристик данного СВЧ генератора следующие:The disadvantages of the output characteristics of this microwave generator are as follows:

1. небольшой диапазон СВЧ перестройки;1. small range of microwave tuning;

2. большой перепад генерируемой СВЧ мощности;2. large drop in the generated microwave power;

3. малый уровень выходной СВЧ мощности.3. low level of output microwave power.

В качестве прототипа используется конструкция диода Ганна, выполненная по меза-технологии [6]. Конструктивные параметры материала GaAs, используемого при изготовлении диода Ганна следующие:As a prototype, the design of the Gunn diode, made using the mesa technology [6], is used. The design parameters of the GaAs material used in the manufacture of the Gunn diode are as follows:

1. Значение толщины активного слоя диода Ганна расположено в диапазоне (1.0-1.8) мк.1. The value of the thickness of the active layer of the Gunn diode is in the range (1.0-1.8) microns.

2. Значения уровня легирования носителей тока в активном слое равномерно изменяется от (1.1-1.4)*1016 см-3, на первой границе активного слоя, до (1.8-2.4)*1016 см-3 на второй границе активного слоя.2. The values of the doping level of current carriers in the active layer change uniformly from (1.1-1.4)*10 16 cm -3 , at the first boundary of the active layer, to (1.8-2.4)*10 16 cm -3 at the second boundary of the active layer.

СВЧ генераторы, использующие в качестве активных элементов диоды Ганна с вышеперечисленными параметрами, имеют низкий уровень коэффициента полезного действия выходной СВЧ мощности, что и является их недостатком.Microwave generators using Gunn diodes with the above parameters as active elements have a low level of efficiency of the output microwave power, which is their disadvantage.

Целью данного изобретения является повышение коэффициента полезного действия генерируемой СВЧ мощности (~ до 40%), при сохранении диапазона СВЧ перестройки и минимального перепада генерируемой в данном СВЧ диапазоне, СВЧ мощности.The purpose of this invention is to increase the efficiency of the generated microwave power (~ up to 40%), while maintaining the range of microwave tuning and the minimum drop generated in this microwave range, microwave power.

Поставленная цель достигается одновременным выполнением следующих условий.The goal is achieved by the simultaneous fulfillment of the following conditions.

1. Активный, полупроводниковый элемент диода Ганна СВЧ генератора, имеет планарную конструкцию.1. The active, semiconductor element of the Gunn diode of the microwave generator has a planar design.

2. Пролетное расстояние от катодного до анодного контактов расположено в диапазоне (3-4) мкм.2. The span distance from the cathode to the anode contacts is in the range of (3-4) µm.

3. Отношение токопроводящей области поперечного сечения катодного контакта (Sk) к соответствующей области анодного контакта (Sa) расположено в диапазоне Sk=(0.9-0.95)*Sa.3. The ratio of the conductive area of the cross section of the cathode contact (S k ) to the corresponding area of the anode contact (S a ) is in the range S k =(0.9-0.95)*S a .

4. Значение уровня легирования носителей тока в активном (рабочем) слое расположено в диапазоне (1-1.5)*1015 см3.4. The value of the doping level of current carriers in the active (working) layer is in the range (1-1.5)*10 15 cm 3 .

На фиг. 1 приведены результаты:In FIG. 1 shows the results:

- двумерного моделирования в частотном диапазоне диодов Ганна, для определения к.п.д планарной (а) и меза (b) конструкций;- two-dimensional modeling in the frequency range of Gunn diodes to determine the efficiency of planar (a) and mesa (b) structures;

- одномерного моделирования в частотном диапазоне диодов Ганна, для определения к.п.д меза (с) конструкций;- one-dimensional modeling in the frequency range of Gunn diodes, to determine the efficiency of mesa (c) structures;

- экспериментального определения в частотном диапазоне к.п.д. диодов Ганна меза (d) конструкций.- experimental determination in the frequency range of efficiency. Gunn mesa diodes (d) designs.

Примечание. Сравнение характеристик (с) и (d) фиг. 1 было проведено в работе [6].Note. Comparison of characteristics (c) and (d) of FIG. 1 was carried out in [6].

ВЫВОДЫ.CONCLUSIONS.

Исходя из результата сравнения характеристик (b - двумерное и с - одномерное моделирование в частотном диапазоне для определения к.п.д. диодов Ганна меза конструкций) можно видеть их хорошее соответствие. Это указывает на их адекватность. Следовательно с большой долей вероятности расчетная характеристика (а) также адекватна.Based on the result of comparing the characteristics (b - two-dimensional and c - one-dimensional modeling in the frequency range to determine the efficiency of Gunn diodes of mesa structures), one can see their good agreement. This indicates their adequacy. Therefore, with a high degree of probability, the calculated characteristic (a) is also adequate.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1]. Пат. USA №3422289, М.К. H01K 3/26, от 1962 г.[one]. Pat. USA No. 3422289, M.K. H01K 3/26 dated 1962

[2]. Пат. USA №3617940, М.К. Н01В 7/14, от 02.11.1971.[2]. Pat. USA No. 3617940, M.K. H01B 7/14, dated 02.11.1971.

[3]. Шур М., "Современные приборы на основе арсенида галлия", Изд. "МИР", 1991 г., с. 253.[3]. Shur M., "Modern devices based on gallium arsenide", Ed. "MIR", 1991, p. 253.

[4]. Пат. USA №5256579, М. Кл. H01L 47/02, от 26.10.1993 г.[four]. Pat. USA No. 5256579, M. Cl. H01L 47/02, dated 10/26/1993

[5]. Пат. RU №2357355, МПК, Н03В 19/14 (2006.01).[5]. Pat. RU No. 2357355, IPC, H03V 19/14 (2006.01).

[6]. Пат. SU №2456715, М.П.К., H01L 47/02, от 01.04.2011.[6]. Pat. SU No. 2456715, M.P.K., H01L 47/02, dated 04/01/2011.

Claims (1)

Полупроводниковый элемент Ганна, состоящий из последовательно соединенных подложки (Nп), активного (Na) и контактного (Nк) слоев, металлических контактов, сформированных из металлического слоя, нанесенного на поверхность активного (Na), отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента полезного действия последний имеет форму планарной конструкции, причем пролетное расстояние от катодного до анодного контактов расположено в диапазоне (3-4) мкм, а отношение токопроводящей области поперечного сечения катодного контакта (Sk) к соответствующей области анодного контакта (Sa) расположено в диапазоне Sk=(0.9-0.95)*Sa, а значение уровня легирования носителей тока в активном (рабочем) слое расположено в диапазоне (1-1.5)*1015 см3.Gunn's semiconductor element, consisting of a substrate (N p ), active (N a ) and contact (N to ) layers connected in series, metal contacts formed from a metal layer deposited on the surface of the active (N a ), characterized in that for the purpose increase in efficiency, the latter has the form of a planar structure, and the span distance from the cathode to the anode contacts is in the range of (3-4) μm, and the ratio of the conductive region of the cross section of the cathode contact (S k ) to the corresponding region of the anode contact (S a ) is located in the range S k =(0.9-0.95)*S a , and the value of the doping level of current carriers in the active (working) layer is in the range (1-1.5)*10 15 cm 3 .
RU2021108013A 2021-03-24 Planar gunn diode RU2780380C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2780380C1 true RU2780380C1 (en) 2022-09-22

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3509491A (en) * 1967-06-02 1970-04-28 Nasa Voltage-tunable gunn-type microwave generator
RU2113743C1 (en) * 1996-02-01 1998-06-20 Квяткевич Игорь Иванович Electromagnetic wave oscillator operating in microwave and extremely high-frequency bands
RU2168801C1 (en) * 2000-11-28 2001-06-10 Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) Gunn-effect diode (design versions)
RU2303316C1 (en) * 2006-05-29 2007-07-20 Томский политехнический университет - государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Semiconductor device manufacturing method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3509491A (en) * 1967-06-02 1970-04-28 Nasa Voltage-tunable gunn-type microwave generator
RU2113743C1 (en) * 1996-02-01 1998-06-20 Квяткевич Игорь Иванович Electromagnetic wave oscillator operating in microwave and extremely high-frequency bands
RU2168801C1 (en) * 2000-11-28 2001-06-10 Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) Gunn-effect diode (design versions)
RU2303316C1 (en) * 2006-05-29 2007-07-20 Томский политехнический университет - государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Semiconductor device manufacturing method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7564072B2 (en) Semiconductor device having junction termination extension
US8497527B2 (en) Device having active region with lower electron concentration
US4498093A (en) High-power III-V semiconductor device
KR20020088356A (en) Organic semiconductor devices with short channels
RU2780380C1 (en) Planar gunn diode
US9035469B2 (en) Semiconductor device that controls a negative resistive oscillation and obtains a high amplification output
US11636324B2 (en) Gaussian synapses for probabilistic neural networks
US4583107A (en) Castellated gate field effect transistor
US4183033A (en) Field effect transistors
US3706014A (en) Semiconductor device
US3836988A (en) Semiconductor devices
Elta et al. 150 GHz GaAs MITATT source
CN114400251A (en) Negative differential resistance diode based on cold metal
JP2666970B2 (en) Semiconductor device
US3597625A (en) Neuristor element employing bulk effect semiconductor devices
Mukherjee et al. α-SiC nanoscale transit-time diodes: performance of the photo-irradiated terahertz sources at elevated temperature
RU175418U1 (en) CARBON FILM FIELD TRANSISTOR WITH VERTICAL CONDUCTIVITY CHANNEL
JPS62205658A (en) High speed semiconductor device
RU2456715C1 (en) Gunn diode
KR101399195B1 (en) Variable energy graphene tunneling transistor
CN112531109B (en) Light-operated switch based on static domain
CN111584484B (en) Low-voltage, low-power complementary circuit, inverter and NAND device
US3860946A (en) Space-charge-limited solid-state triode
Botsula et al. Energy and Frequency Properties of Planar n+-n-n+ Diodes with Active Side Boundary
Gnilenko et al. SIMULATION OF GUNN DIODES WITH A STEP GRADED HOT ELECTRON INJECTOR BASED ON InGaAsP/InGaAlAs-HETEROSTRUCTURE