Рассмотрим диод Ганна из GaAs при доменном режиме работы.

Рисунок 10 – а) структура диода Ганна, типовое распределение по координате б) легирующей примеси в) концентрации подвижных носителей заряда г) статического поля д) скорости дрейфа

Пояснение представленных зависимостей:

б) В центральной части структуры, т.е. в n-слое, концентрация доноров должна превышать критическое значение, для выполнения условия генерации СВЧ-колебаний: , где l – длина активной части полупроводника. n⁺ - области содержат более высокую концентрацию примесей для создания хороших омических контактов

в) При достижении критической напряженности скорость электронов падает, что связано с переходом электронов в боковую долину, где они обладают меньшей подвижностью. Именно поэтому со стороны катода образуется слой накопления, в следствии примыкания к области сильного поля отрицательного объемного заряда, быстрые электроны догоняют эту область и копятся в ней. Со стороны анода возникает слой обеднения, характеризующийся положительным зарядом ионов, так как быстрые электроны покидают эту область.

г) Область домена характеризуется областью повышенной напряженности, он движется к аноду, и затем уходит в него. Далее этот процесс повторяется.

д) Скорость дрейфа сначала увеличивается и достигает максимума – , при значениях напряженности выше скорость снижается с ростом поля до , что также обусловлено переходом электронов из центральной долины зоны проводимости в боковые долины, где у них большая эффективная масса и меньшая подвижность.

2. Используя зависимость напряженности статического электрического поля представьте прибор как слоистую структуру с разной дифференциальной подвижностью.

Рисунок 11 – а) диода Ганна: а.1) диод Ганна, как слоистая структура с разной дифференциальной подвижность, а.2) распределение напряженности статического электрического поля по координате для диода Ганна, а.3) поле-скоростная характеристика для диода Ганна

б) ЛПД: б.1) ЛПД как слоистая структура с разной дифференциальной подвижность, б.2) распределение напряженности статического электрического поля по координате для ЛПД б.3) поле-скоростная характеристика ЛПД

Поясним, почему разные слои обладают разной дифференциальной подвижностью:

Диод Ганна:

Обратимся к поле скоростной характеристике, как известно .

Таким образом, при слабых полях, т.е. напряженностях меньше критического значения ( области 1 и 5 будут характеризоваться положительными дифференциальными подвижностями, так как дрейфовая скорость будет возрастать с увеличением напряженности.

Так как в качестве материла используется GaAs, для которого характерно падение дрейфовой скорости носителей заряда с ростом напряженности при , потому что за счет междолинного перехода, подвижность электронов падает, соответственно область 2 и 4 будет характеризоваться отрицательной дифференциальной подвижностью, этот факт позволяет получать отрицательное динамическое сопротивления у прибора.

При напряженностях поля, превышающих насыщение ( скорость носителей заряда остается постоянной и достигает значение насыщения [5], соответственно область 3 будет характеризоваться нулевой дифференциальной подвижностью.

Рисунок 12 иллюстрирует все описанные выше рассуждения:

Рисунок 12 – к объяснению дифференциальной подвижности носителей заряда [1 стр. 441]

ЛПД:

Здесь рассуждения аналогичны предыдущим, при напряженностях полей меньше напряженности насыщения ( скорость дрейфа увеличивается c ростом напряженности поля или уменьшается при падении Е, соответственно области 1 и 3 будут характеризоваться положительной дифференциальной подвижностью.

Когда , скорость дрейфа принимает значение насыщения, соответственно область 2 характеризуется нулевой дифференциальной подвижностью.

Здесь отрицательное динамическое сопротивление достигается за счет того, что в режиме лавинного пробоя изменение потока носителей заряда через диод под влиянием переменного поля запаздывает так, что большая часть носителей отдает энергию, полученную от постоянного поля, СВЧ-полю, так как попадает в тормозящую фазу полуволны СВЧ-поля.

3. Определите частоту генерации ЛПД и ДГ с бегущим доменом при одинаковой длине активной области приборов .

**Дальнейший расчет произведен по формулам, представленным в лекционном материале «ЛПД ДГ» сл.6 [8] и [5 стр.27] , как было сказано выше

Частота генерации ЛПД:

Частота генерации ДГ:

Ответы: ,

2 балла

Задача №3

Транзисторы.

1. Сравните максимально возможную толщину базы Биполярного транзистора и длину затвора Полевого транзистора при работе на частоте . Оцените угол пролета в обоих случаях. Свяжите с решением задачи №3 из 1-го задания.

Произведем расчет толщины базы биполярного транзистора:

**Формулы, используемые в расчетах взяты из лекции «биполярный транзистор» сл.4 [9] и [1 стр.40, стр. 430]

В качестве материала возьмём GaAs, у которого подвижность носителей заряда при [10].

Тогда толщина базы для угла пролета радиан:

Произведем расчет длины затвора полевого транзистора:

Так как носители заряда движутся под действием поля, они обладают скорость дрейфа, тогда составим выражение для длины затвора:

Тогда длина затвора для угла пролета радиан:

Таким образом, длина затвора полевого транзистора больше толщины базы в 5,5 раз на заданной частоте.

Оценим угол пролета, в задаче 3 ИДЗ 1 угол пролета выражался через длину области взаимодействия и определялся выражением:

Данная формула определяет угол пролета носителей при дрейфе, т.е. при движении носителей заряда в следствии прикладываемого поля, соответственно может быть применена для полевого транзистора, что и было сделано в расчётах:

В биполярном транзисторе перенос происходит за счет диффузии, движущей силой которой является градиент концентрации, поэтому рассмотренная выше модель не применяется для него. Угол пролёта может быть рассчитан исходя из выражения, написанного выше:

Отметим, что на практике углы пролета берутся меньше, чем (так как при коэффициент взаимодействия 0), что достигается за счет меньших, по сравнению с рассчитанными, размеров базы и длины затвора.

2. Сравните преимущества и недостатки использования в микроволновом диапазоне HEMT-приборов и транзисторов с баллистическим транспортом. Какова должна быть толщина высоколегированной области HEMT c , если контактная разность потенциалов равна . На какое расстояние может сместиться электрон от положения равновесия в этом слое при Т=300К?

**Для написания ответа были изучены источники [1] [11] и [12] на основание прочитанной информации, самостоятельно были составлены следующие рассуждения:

HEMT:

Транзистор с высокой подвижностью электронов основывается на гетероструктуре, так как создается контакт двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны, но с близким параметром кристаллической решётки. Электроны вследствие диффузии переходят из сильнолегированной в более слаболегированную область, на границе двух материалов формируется потенциальная яма, следовательно, возникает двумерный электронный газ, который играет роль проводящего канала. Он обладает малым сопротивлением, так как электроны перемещаются по нему без рассеяния, что обеспечивает высокую подвижность в низколегированной области.

Рисунок 13 – зонная диаграмма гетероперехода [1 стр.419]

Рассмотрим преимущества и недостатки работы в микроволновом диапазоне:

Преимущества:

• Вследствие большой высоты барьера Шоттки можно подавать большие прямые управляющие напряжения (до 0,8 В) на затвор.

• Малая плотность поверхностных состояний приводит к уменьшению толщины обедненных областей в промежутках исток-затвор и затвор-сток, как следствие снижаются паразитные сопротивления этих областей, что улучшает ВЧ-характеристики прибора.

• Низкий уровень шума.

• Малая потребляемая мощность.

Недостатки:

• Дорогостоящее изготовление.

• Произведение мощности на быстродействие не такое высокое, соответственно, увеличение одного параметра будет приводить к уменьшению другого.

• Инерционность затвора (затвор не может мгновенно реагировать на изменение управляющего сигнала) и подзатворный пробой (происходит при больших напряжениях на затворе, когда электроны преодолевают барьер Шоттки, вызывая нежелательный ток и повреждение прибора.)

• Низкие температуры работы