Алкея Н. А.

Інститут Радіотехніки та Електроніки РАН 141190, Росія, Московська обл. м. Фрязіно, пр. Введенського, 1 Fax: (095) 2032406, e-mail: alkeev@ms.ire.rssi.ru Голант Е. І., Пашковський А. Б.

Федеральне державне унітарне підприємство НВП «Исток» 141190, Росія, Московська обл. м. Фрязіно, Вокзальна 2а Fax: (095) 4658620, e-mail: eugenegolant@mail.ru


На основі комп’ютерного моделювання характеристик резонансно-тунельних діодів з використанням двухзонной Кейновской моделі з урахуванням просторового заряду, додаткових каналів тунелювання за рахунок взаємодії з фононами і непараболічності закону дисперсії електронів проведено аналіз перспективних структур для субгармонійних змішувачів. Показано, що, шляхом належного вибору товщини спейсера і параметрів квантової ями, можна оптимізувати ВАХ діодів для субгармонійних змішувачів, зокрема збільшити крутизну і піковий струм діодів.

I. Введення

Субгармонійних змішувачі (СГС) широко використовуються в міліметровому (ММ) і субміліметровому (СММ) діапазонах довжин хвиль. Перетворення частоти в них здійснюється за законом:

/ П = I / с-nfr I

Де /, проміжна частота, /, і / – частоти сигналу і гетеродина відповідно, а ицелями число. У ММ і СММ діапазонах СГС має ряд переваг у порівнянні зі звичайними змішувачами. Так як в цих діапазонах зазвичай виконується умова /, «f,, fT & F / 2, то значно нижча частота fT дозволяє спростити конструкцію гетеродина і отримати від нього достатню потужність для ефективного перетворення частоти.

В роботі [1] в якості активного елементу СГС було вперше запропоновано використовувати резонансно-тунельний діод (РТД), що має антисиметричною ВАХ і помітну нелінійність при V = 0. Попередній аналіз роботи СГС з РТД в якості активного елементу показав, що для ефективної роботи, діод повинен відповідати таким вимогам:

1) Досить велика напруга, при перевищенні якого починається різке збільшення струму в РТД AF ~ 0,4 н-0, 5 В.

2) Напруга Vmax . Відповідне піковому току /тах, Має бути приблизно вдвічі більше AV.

3) Крутизна g ~ Imax/(Vmax-AV) повинна бути досить високою.

4) Максимальний струм в структурі не повинен значно перевершувати величину /ф«105А / см2, Інакше може відбутися руйнування діода.

У даній роботі розрахунки проводились для двох типів структур: lno.53Gao.47 As (n+ 5-1018) lno.53Gao.47 As(n5-1016)-L По, 52А1о, 48 As (n5-1016) lno.53Gao.47 -As(undoped) lno.52Alo.48 As(n5-1016) lno.53Gao.47 As(n5-1016) lno.53Gao.47 As(n 5-1018) І lno.53Gao.47 As (n 5-1018) lno.53Gao.47 As(n5-1015) AlAs lno,53Ga0,47As(undoped)AlAs lno.53Gao.47 As(n5-1015) lno.53Gao.47 As(n+ 5-1018). Розрахунки проводилися за розробленою нами моделі, що дозволяє досить коректно враховувати основні особливості електронного транспорту в РТД.

Задача розрахунку струму протікає через РТД розбивається на кілька частин. Спочатку для заданої напруги розраховується рельєф зони провідності. Для цього спільно вирішуються рівняння Шредінгера і рівняння Пуассона з правою частиною залежить від відстані до рівня Фермі і температури. Потім розраховується струм, поточний через квантову структуру. При необхідності в розрахунок додатково включається просторовий заряд, що накопичується на рівні розмірного квантування двухбарьерной структури і додаткові канали тунелювання, що виникають за рахунок взаємодії електронів з фононами. Непараболічность закону дисперсії електронів природним чином враховується в двозонного наближенні [2-4].

II. Основна частина

Вило проведено порівняння результатів розрахунків з експериментально виміряними ВАХ для структури: lno.53Gao.47 As (n 10 Травня18 —50nm) lno.53Gao.47 As(n*10153nm)-lno,52Alo,48 As(n-1016-5nm) lno.53Gao.47 -As(n-10155nm) lno.52Alo.48 As(n-1016-5nm) lno.53Gao.47 As(n-10153nm) lno.53Gao.47 As(n+ 5-1018-50nm), результати якого наведені на рис.1.

Рис. (Fig.) 1

Виявилося, що розрахунковий струм досить близький до вимірювання, однак напруга Vmax , При якому струм досягає максимуму кілька занижено. Далі, для структур з lno.52Alo.48 As бар’єрами були досліджені залежності I (V).

Виявилося, (див. рис. 2), що всім перерахованим вимогам дуже добре відповідає структура з квантової ямою шириною а = 50 А, бар’єрами товщиною Ь = 30 А, і спейсерів товщиною hsp= 500 А (/ тах «1.7-105А / см2 , AF «0.43 В, g« 2.5-105CM/cM2).

Рис. (Fig.) 2

Цікаво відзначити, що подальше зменшення ширини ями до а = 40А призводить як до зростання AV, так і набагато більш плавною залежності струму від напруги в районі AV. Це дозволяє варіюючи товщину спейсера підбирати для змішувального діода структуру з потрібними параметрами. Збільшення ширини ями до 60 А веде до зменшення AV, що в плані застосування таких структур для змішувальних діодів повинно призводити до дуже великим товщинам спейсера.

На цьому тлі дуже цікаво виглядають вольтамперні характеристики в структурах з бар’єрами з AlAs. В них через вищі бар’єрів залежність AV від ширини квантової ями ще більш різка ніж в структурах з бар’єрами з потрійного з’єднання. У плані змішувального діода великий інтерес може представляти структура з досить коротким спейсерів / 7sp= 150 А квантової ямою шириною а = 30А, бар’єрами товщиною Ь = 20А (1тах~ 1,2-105 А / см2 , AV & 0J В, д «1.4-105 См / см2). Взагалі кажучи, баьери з AlAs дозволяють, при товщинах спейсера до 500 А варіювати величину AV в дуже широких межах.

III. Висновок

На основі моделі точного розрахунку РТД проаналізовано ряд структур резонансно тунельних діодів для субгармонійних змішувачів. Показано, що в стандартних структурах з lno.52Alo.48 As і AlAs бар’єрами варіюючи товщини шарів можна отримувати діоди з великою величиною AV і максимально великими допустимими струмами.

IV. Список літератури

1. W. У. Liu and D. P. Steenson. Investigation of Subharmonic Mixer Based on a Quantum Barrier Device

IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 48, pp. 757-762.

2.  E. O. Kane. Semiconductors and Semimetals, edited by R. K. Willardson and A. C. Beer (Academic, New York,

1966), Vol. 1 (Chapter 3).

3.  C. Sirtory, F. Capasso, andJ. Faist Nonparabolicity and a sum rule associated with bound-tobound and bound-to-continuum intersubband transitions in quantum wells. Phys. Rev. 50 (12), 8663 (1994).

4.  E. I. Golant and A. B. Pashkovskii. High Intensity of Interband Transitions in Double-Barrier Structures with High-Frequency Electric Field. JETP Letters, Vol. 75, No. 2, 2002, pp. 83-86.

COMPUTER ANALYSIS OF RESONANT TUNNELING DIODE STRUCTURES FOR SUBHARMONIC MIXERS

Alkeyev N. A.

Institute of Radioelectronics, RAS 1 Prospekt Vvedenskogo, Fryazino, Moscow Region, Russia, 141190

fax+7 (95) 2032406, e-mail: alkeev@ms.ire.rssi.ru Golant Ye. I., Pashkovskiy A. B.

‘Istok’ Federal State-Owned Unitary Research & Production Enterprise 2A Vokzalnaya, Fryazino, Moscow Region,

Russia, 141190 fax +7 (95) 4658620 e-mail:eugenegolant@mail.ru

Subharmonic mixers are used in receivers at higher microwave frequencies where it is often inconvenient to implement fundamental-frequency local oscillators due to excessive noise and lack of power. Application of a resonant tunneling diode (RTD) as a nonlinear element for second harmonic mixers looks quite promising here. RTDs offer highly symmetrical l(V) characteristics determined by the interior structure of diodes and may be optimized to provide greater efficiency and lower noise of the mixer. In this paper the conditions necessary to obtain these l(V) characteristics are formulated, and RTD structures possessing such characteristics are presented that have been numerically simulated using software based on Schredinger and Poisson equations and two-band Kane approximation.

Computer simulation for ln0,53Ga0,47 As(n+ 5 1018 -50nm) ln0,53Ga0,47 As(n-1015-3nm)-ln0,52AI0,48 As(n-1016-5nm) ln0,53Ga0,47 -As(n-1015-5nm) ln0,52AI0,48 As(n-1016-5nm) ln0,53Ga0,47 As(n-1015-3nm) ln0,53Ga0,47 As(n+ 5-1018-50nm) structure has demonstrated good agreement with the available experimental data.

Preliminary estimates for typical designs of RTD-based second harmonic mixers focused on the following: 1)The voltage above which the fast current rising occurs should be about

0.            4-^0.5; 2) the voltage corresponding to the peak current should be about 2AV; 3) transconductance g should be maximized; 4) the peak current should not exceed 105A/cm2. Our simulation has demonstrated that within the ln0,52AI0,48As material system the structure with the quantum well width of 50A, barriers of 20A each and the spacer layer of 200A meets all the above requirements.

Very promising results may also be obtained on structures with AlAs barriers. For this specific application our simulations predict that AV might be widely varied by adjusting the spacer layer within the 150-500 A limit in the structure with the quantum well of 30A and the AlAs barriers of 20 A each.

It has been shown that by adjusting active layer widths in resonant tunneling diodes one might obtain I(V) characteristics remarkably suitable for second harmonic mixing.

Анотація Розроблено фізико-топологічна модель матриць тунельних переходів, що функціонують на ефекті одноелектронного тунелювання. З її допомогою отримано хороше узгодження з експериментальними даними для матриці, яка містить 25 металевих острівців.

I. Вступ

Перспективними приладовими структурами наноелектроніки є структури, що функціонують на ефекті одноелектронного тунелювання (ЕСП). Їх основні переваги полягають в гранично низькому енергоспоживанні і високій швидкодії [1]. Безліч експериментальних досліджень присвячені спостереження ЕСП в тонких гранульованих плівках на різних матеріалах [2-4]. Утворені структури належать до класу одноелектронних матриць тунельних переходів і містять як послідовне, так і паралельне з’єднання острівців і тунельних переходів в площині [5,6]. Їх перевагами є відносна простота виготовлення і хороша відтворюваність, а недоліками слабкість прояви ЕСП внаслідок принципової важливості другого вимірювання і розкид параметрів переходів.

Для дослідження вольтамперних характеристик (ВАХ) матриць тунельних переходів зазвичай використовуються електричні моделі [1,2], які не дозволяють адекватно враховувати параметри конструкції і матеріалів. В даній роботі запропонована фізико-топологічна модель, яка позбавлена ​​зазначеного недоліку.

II. Модель

Розроблена модель дозволяє розраховувати вольтамперні характеристики одноелектронних матриць тунельних переходів в залежності від геометричних розмірів, діелектричної проникності, висоти потенційного бар’єру, фонових зарядів і температури. Матриця, що містить NxM металевих острівців, показана на рис. 1.

Модель заснована на чисельному рішенні двовимірного рівняння Пуассона (вплив магнітного поля не враховується):

VeV(p(x.y) = -qM,                                                          (1)

де Veg напівсума напруг до і після тунелювання електрона; R опір тунель-

де е діелектрична проникність, ср електростатичний потенціал, qM об’ємна щільність зарядів. В результаті рішення (1) виходить розподіл потенціалу в структурі. Далі визначаються значення напруг на тунельних переходах. Парціальні струми через переходи в прямому і зворотному напрямках в даній моделі обчислюються відповідно до виразу [1]:

Рис. 1. Представлення матриці тунельних переходів, яка містить N * M металевих острівців, у запропонованій моделі Fig. 1. A representation in the proposed model of a 2D array comprising N * M metallic islands

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.