5.2. Генерація коливань у діапазоні 100–1000 гГц у вакуумно-напівпровідникових діодах на основі катода зі структурою типу квантової-резонансно-квантової ями

Як було показано вище, одним з методів підвищення НП є використання катодів на основі резонансної квантової ями.

Принцип дії резонансно-тунельних діодів полягає в наступному. Катод складається із шарів, що чергуються, із широкозонного й вузькозонного напівпровідників (наприклад, сплав Al_xGa_1-xAs – широкозонний, GaAs –вузькозонний, або SiO₂ – широкозонний, Si – вузькозонний). За відсутності прикладеної зовнішньої напруги рівні Фермі F по обидва боки структури (катод й анод) перебувають на одному рівні (рис.5.5а).

а)

б)

в)

г)

Рис.5.5. Схематичні енергетичні діаграми й вольт-амперна характеристика резонансних бар'єрних структур.

Через квантову яму електрони можуть проходити не за будь-якої енергії, а тільки за енергії, що відповідає резонансному рівню усередині ями. Наприклад, якщо першій (нижній) резонансний рівень перебуває вище рівня Фермі, то струм через структуру не проходить. При подачі на структуру прямого зсуву структура матиме вид, зображений на рис5.5б. У цьому випадку резонансний рівень виявляється нижчим за рівень Фермі, проте вищим дна забороненої зони лівої (катодної) частини. Через структуру протікає струм. У разі подальшого збільшення напруги зсуву резонансний рівень виявляється усередині забороненої зони (нижче її верхньої границі) і струм знову не може протікати (протікає тільки невеликий надбар'єрний термоемісійний струм). Тому вольт-амперна характеристика такої структури має N-подібний вид, що свідчить про наявність у такій структурі негативної диференціальної провідності (рис.5.5г). Схематична енергетична діаграма двобар'єрної резонансно-тунельної струкутри з вакуумною ділянкою дрейфу зображенна на рис.5.5в.

У таких діодах з вузькими шарами струм практично миттєво слідкує за змінюваннями напруги, й вони є аналогами звичайних тунельних діодів. У випадку досить широких шарів проявляється ще одна особливість резонансних квантових ям. Резонансні рівні стають метастабільними – час життя на них скінченний та визначається структурою квантової ями.

Відповідно, струм уже не є миттєвою функцією напруги, а слідує із запізнюванням, зумовленим часом життя на метастабільному рівні. Густина струму через таку бар'єрну структуру визначається виразом [88]:

, (5.2)

де q й – заряд й ефективна маса електрона;

2πħ – постійна Планка;

–проникність бар'єрної структури;

ε – енергія тунелюючого електрона (для спрощення приймається поперечна складова енергії електрона, а форма потенціальних бар'єрів – прямокутна та трикутна).

Проникність бар'єрної структури визначається виразом [88]:

, (5.3)

де ,– проникності бар'єрів;

–час прольоту електрона;

–ширина резонансної ями;

–швидкість поперечного руху електрона на -му резонансному рівні;

–час релаксації (с приТ=300 К);

Г – ширина резонансного рівня.

,

де розширення пов'язане із середнім часом життяелектрона на метастабільному рівні;

;

розширення .

Для прямокутного бар'єра завширшки й заввишкипри[93]:

. (5.4)

Для трикутного бар'єра завширшки й заввишки, при[93]:

. (5.5)

Резонансний рівень енергії для прямокутної потенціальної ями визначається розв’язком трансцендентного рівняння:

, (5.6)

корні якого визначають рівні енергії .

Часові залежності рівня енергії тунелюючого електрона відносно дна зони провідності катодного шару GaAs і наведеного струму на частоті генерації коливань , 1000 ГГц, розраховані за формулами (5.2)–(5.6), для параметрів різних структур, і відповідні ККД () зображені на рис. 5.6–5.8 Для даних структур. При цьому, чим більшим є запізнювання, тим більш негативна провідність. Це дозволяє створити на основі вакуумних вістрійних структур з катодом типу резонансної квантової ями напівпровідниковий аналог лавинно-пролітного діода, де роль ділянки зародження лавини відіграє резонансна квантова яма, а роль ділянки дрейфу –вакуумний проміжок. На відміну від лавинно-пролітного діода, де кут прольоту через простір дрейфу становить половину періоду, в цьому випадку час прольоту майже миттєвий. Тому наведений струм повинен мати вид різкого піка, а зсув його відносно максимуму прикладеної напруги повинен дорівнювати половині періоду. У цьому випадку наведений у зовнішньому ланцюзі струм перебуває в протифазі із прикладеною напругою. Діод має динамічну негативну провідність (аналогічно ЛПД) і може бути використаний для генерації коливань. Залежно від структури ями (тобто часу затримки) такі структури можуть бути використані для генерації коливань у широкому діапазоні частот від 100 ГГц до 1000 ГГц.

а) ε_k(ωt)=

=ε_k0(1-0,4cos(2π10¹¹ t)) ;

б) нм,нм,нм, η=3%;

в) нм,нм,нм, η=2.5%;

г) нм,нм,нм, η=1.8%.

1·10 ⁹

7·10 ⁸

4·10 ⁸

1·10 ⁸

2·10 ⁷

t, c

Рис.5.6. Часові залежності рівня енергії тунелюючого електрона та густини тунельного струму на частоті генерації коливань ГГц для структури Al_xGa_1-xAs/GaAs.

а) ε_k(ωt)=

=ε_k0(1-0,4cos(2π10¹² t));

б) нм,нм,нм, η=2.6%;

в) нм,нм,нм, η=2%;

г) нм,нм,нм, η=1%.

Рис.5.7. Часові залежності рівня енергії тунелюючого електрона та густини тунельного струму на частоті генерації коливань ГГц для структури Al_xGa_1-xAs/GaAs.

а) ε_k(ωt)=

=ε_k0(1-0,4cos(2π10¹¹ t ));

б) нм,нм,нм, η=2.8%;

в) ε_k(ωt)=

=ε_k0(1-0,4cos(2π10¹² t ));

г) нм,нм,нм, η=1.5%.

Рис.5.8 Часові залежності енергії тунелюючого електрона та густини тунельного струму на частоті генерації коливань f = 100,1000 ГГц для структури Al_xGa_1-xAs/ GaAs з вакуумним проміжком.