Анотація до роботи:

Боцула О.В. Неустійкості струму в GaAs з ударною іонізацією та тунельними ефектами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Харків, 2007.

Досліджено особливості роботи діодів на основі арсеніду галію, що містить нейтральні центри захоплення носіїв заряду та нестійкості струму, що виникають в цих діодах в умовах міждолинного переносу електронів, ударної іонізації домішок та захоплення електронів в сильних електричних полях. Вивчена робота генераторів на основі цих діодів та перехідні процеси, що відбуваються в них при різних профілях легування.

Розглянуто спільну роботу діодів з міждолинним переносом електронів та діодів з негативною диференціальною провідністю, що зумовлена тунельними ефектами та встановлені особливості їх використання для отримання генерації в широкому діапазоні частот. Розглянуто можливості помноження частоти з використанням тунельних явищ.

Досліджена робота діодів з міждолинним переносом електронів з тунельним та резонансно – тунельними контактами. Визначені умови отримання генерації в діоді з резонансно – тунельним контактом як за рахунок ефекту міждолинного переносу електронів, так і за рахунок негативної диференціальної провідності контакту.

У дисертації наведені результати дослідження нестійкостей струму, що виникають в діодах з МПЕ на основі арсеніду галію в сильних електричних полях при існуванні в ньому нейтральних компенсуючих центрів і нестійкостей струму в діодах з міждолинним переносом електронів і ефектами тунелювання та резонансного тунелювання. Використання компенсованого матеріалу дозволяє створити діоди з керованими характеристиками та генератори на їх основі. Розширення частотного діапазону можливе за рахунок поєднання діодів з негативною диференціальною провідністю на основі ефекту міждолинного переносу, тунельних явищ та помноження частоти. Використання тунельних катодів дозволяє скоротити в діоді величину області початкового розігріву електронів та підвищити ефективність його роботи.

1. Встановлено, що низькочастотні нестійкості струму в арсеніді галію в умовах захоплення носіїв заряду на глибокі рівні при наявності системи із двох рівнів можуть мати стохастичний характер при відхиленні в початковому заповненні рівнів від термодинамічно рівноважного більш ніж на два порядки і спостерігаються в обмеженому діапазоні зміни параметрів напівпровідника й зовнішнього кола. Ширина спектра коливань зростає з ростом концентрації хрому і зі зменшенням величини навантажувального опору. Показано, що при модуляції напруги, характерної для неоднорідного розподілу параметрів, відсутні жорсткі обмеження для виникнення стохастичної нестійкості.

2. Показано, що в умовах повної або часткової компенсації донорів при наявності глибоких центрів захоплення в діодах на основі GaAs можливе виникнення високочастотних нестійкостей струму, пов'язаних з розвитком ударної іонізації. Особливістю розвитку нестійкості є зменшення статичної НДП структури і наявність тривалого перехідного процесу, що відбувається у два етапи, пов'язаних з іонізацією в статичних електричних полях і рухомими доменами сильного поля. Показано, що в другому випадку перехідний процес може бути описаний у рамках теорії стабільних доменів. Ефективність високочастотної генерації нижче, ніж у діодах без глибоких рівнів, а положення її максимумів по напрузі залежить від ступеня компенсації. Використання неоднорідного розподілу глибокої домішки по довжині діода дозволяє керувати електричним полем на контакті та виконувати функцію аналогічну неоднорідному профілю легування. Відмінності обумовлені наявністю зв’язаного заряду, що забезпечує низьку концентрацію вільних електронів в області слабкого поля і призводить до значної залежності форми коливань струму від параметрів легування.

3. Показано можливість розширення частотного діапазону роботи діодів за рахунок помноження частоти, а також при використанні зв'язки діодів з НДП, що формуються тунелюванням та міждолинним переносом електронів.

При відсутності напруги зміщення на РТД найбільший КПЧ спостерігається при виділенні сигналу на непарних, а при наявності напруги на парних гармоніках і отриманий для двохрівневого РТД AlAs/GaAs. КПЧ РТД із ВАХ близькими до експериментальних становить 10-15% на 2…5 гармоніках для In_0.53Ga_0.47As/AlAs і до 20-30% на тих же гармоніках для InAs/AlAs/GaSb.

4. Визначені умови отримання генерації в з’єднанні діодів з різними механізмами формування НДП – за рахунок МПЕ та тунелювання. Показано, що в залежності від співвідношень струмів у максимумах ВАХ окремих діодів їх спільна ВАХ може мати від однієї до трьох ділянок НДП ( при використанні РТД із двома енергетичними рівнями у квантовій ямі, які можуть бути використані для генерації). Для одержання генерації за рахунок резонансного тунелювання необхідно забезпечити близькість граничної напруги діода із МПЕ до напруги, що відповідає максимальному струму через РТД, що для більшості відомих РТД відповідає довжинам активної області меншим ніж 1 мкм, для РТД на основі меншій ніж 2,5 мкм. Ширина області генерації по напрузі залежить від положення максимуму НДП, а величина ефективності близька до ефективності генерації діода із МПЕ. Генерація за рахунок резонансного тунелювання можлива на частотах, відмінних від пролітної частоти, і з’єднання діодів може працювати у двоконтурному резонаторі на частотах не кратних пролітній частоті, що дає можливість створити двохчастотний генератор з некратними частотами з перебудовою частоти в широких межах. Діапазон частот, на яких можлива спільна робота з’єднання діодів, обмежений параметрами діодів і сполученням діодів. Активна складова імпедансу діода негативна при виконанні умови , що для з’єднання РТД InGaAs/AlAs і діода з ОНОЗ відповідає діапазону від 50 до 100 ГГц, для сполучення тунельний діод - діод Ганна - діапазону від 0 до 40 ГГц.

6. Використання контакту дозволяє одержувати досить високі значення ККД генерації, що перевищують ККД діодів з - контактом.

При використанні резонансно - тунельного катоду можна створити структуру, в якій можлива генерація як за рахунок резонансно - тунельного ефекту, так і за рахунок МПЕ при відповідному виборі співвідношення площі контакту й активної області приладу, а також профілю легування діода. Найкращі результати дає використання градієнтного профілю при збільшенні концентрації від катоду до аноду при оптимізації градієнта легування. Граничні частоти генерації за рахунок резонансно - тунельних ефектів не перевищують декількох десятків гігагерц, що збігається зі значеннями, отриманим при аналізі з’єднання резонансно - тунельний діод - діод Ганна.

Публікації автора:

1. Botsula O. V., Prokhorov E. D, Analysis of stochastic current oscillasion in GaAs:Cr based diodes // Telecommunicaition and Radio Engineering.- 1998.- Vol.52, №1.- P. 90-96.

2. Botsula O. V., Prokhorov E. D// Conductivity modulation of GaAs-Cr diodes// Functional matertials.- 1997.- Vol. 4, № 1.-P. 51-55.

3. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Неустойчивость тока в GasAs в условиях захвата электронов на ловушки// Доклады НАН Украины.- 1998.- №1.- C. 107-112.

4. Botsula O. V., Prokhorov E. D, Externaly stimulation stochastic curent oscillations in GaAs diodes// Telecommunicaition and Radio Engineering.- 1997.- Vol.51, №1.- P. 146-148.

5. Botsula O. V., Prokhorov E. D., Medvedev V.V. Application of resonant-tunneling for frequencies multiplication at millimeter wave length// Telecommunicaition and Radio Engineering.- 2002.- Vol.57, №1.- P. 62-67.

6. Боцула О.В, Прохоров Э.Д., Медведев В.В Энергетические характеристики генераторов на РТД AlGaAs\GaAs // Вестник Харьковского университета. Радиофизика и электроника.- 1999.- № 427. - C. 108-111.

7. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Некоторые особенности работы диодов Ганна на основе GaAs с глубокими уровнями // Вестник Харьковского университета. Радиофизика и электроника.- 2000.- № 467. - C. 90-92.

8. Боцула О.В. К расчету переходных процессов в компенсированном арсениде галлия в условиях высокочастоной доменной неустойчивости // Вестник Харьковского университета им. В.Н. Каразина. Радиофизика и электроника.-2001.- № 513. - C. 58-61.

9. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Эффективность работы диода Ганна с n⁺GaAs – Al_0,2Ga_0,8As – n⁺ GaAs катодом // Вестник Харьковского университета им. В.Н. Каразина. Радиофизика и электроника. - 2002. - № 544. - C. 159-161.

10. Botsula O. V., Prokhorov E. D. Tunnel n⁺-D-n⁺ cathode for Gunn diodes// Telecommunicaition and Radio Engineering.- 2002.-Vol.58, №7-8.- P. 107-114.

11. Боцула О.В, Прохоров Э.Д., Стороженко И.П. О совместной работе резонансно-туннельного диода и диода с междолинным переносом электронов // Вестник Харьковского университета им. В.Н. Каразина. Радиофизика и электроника.- 2002.-№570.- С. 88-91.

12. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Особенности совместной работы резонансно-туннельного диода и диода Ганна // Радиофизика и электроника.- Харьков: Ин- т радиофизики и электроники НАН Украины. - 2002.- T.7, №3.- C. 527-531.

13. Botsula O. V., Prokhorov E. D. Joint operation of two-level resonant tunneling and Gunn diodes// Telecommunicaition and Radio Engineering.- 2003.- Vol.60, №5-6.- P. 140-147.

14. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Совместная работа диода Ганна и туннельного диода // Вестник Харьковского университета им. В.Н. Каразина. Радиофизика и электроника.-2004.-№ 622.- C.7-12.

15. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Резонансно-туннельный диод с туннельным анодом // Доклады НАН Украины. Физика.- 2004.- № 6.- C. 47-52.

16. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Импедансные характеристики совместной работы диодов с ОДП // Радиофизика и электроника.- Харьков: Ин- т радиофизики и электроники НАН Украины.- 2004.-T.9, № 1.- C. 282- 289

17. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. К вопросу моделирования полупроводниковых структур с туннельными контактами // Вестник Харьковского университета им. В.Н. Каразина. Радиофизика и электроника.- 2006.- №712. - C.119-122.

18. Боцула О.В., Прохоров Э.Д. Медведев В. В. Калмыкова Л.И.Модуляция СВЧ излучения диодами на основе GasAs-Cr// Материалы 6 – й Крымской Междунар. конф. “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо 1996) .- Севастополь( Украина).- 1996.- C. 328-330.

19. Боцула О.В., Прохоров Э.Д. Моделирование стохастических колебаний тока в диодах на GaAs-Cr. // Материалы 6 – ой Крымской Междунар. конф. “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо 1996) .- Севастополь( Украина).- 1996. - C. 331-333.

20. Боцула О.В., Прохоров Э.Д. Диоды Ганна на основе компенсированного GaAs // Материалы 7 – ой Крымской Междунар. конф. “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо 1996) .- Севастополь( Украина).- 1997.- C. 352-353.

21. Боцула О.В, Прохоров Э.Д., Полянский Н.Е. Энергетические характеристики СВЧ генераторов с диодами на основе компенсированного GaAs // Материалы 7 – ой Крымской Междунар. конф. “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо 1996) .- Севастополь( Украина).- 1997. - C. 350-351.

22. Botsula O. V., Prokhorov E. D Compensented GaAs diodes oscillator // Proc. 3 International symposium – Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves(MSMW 98).- Kharkov(Ukraine).- 1998.- Vol.1. - P. 161-162.

23. Botsula O. V., Prokhorov E D Medvedev V.V. Frequency multiplying in mm-range on resonance-tunneling diodes // Proc. 4 International symposium – Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves(MSMW 01).- Kharkov(Ukraine).- 2001.- Vol.2.- P. 783-784.

24. Боцула О.В, Прохоров Э.Д. Энергетические характеристики диода Ганна СВЧ диапазона с туннельным катодом // Сб. научн.трудов 1 - ого Международного Радиоэлектронного Форума “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы” (МРФ-2002).- Харьков( Украина) .- 2002.- C. 423-425.

25. Botsula O. V., Prokhorov E D. Storozhenko I.P. Simulation short TED with resonance tunneling cathode // Proc. 4 International symposium – Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves(MSMW 04).- Kharkov(Ukraine). - 2004.- Vol.2. - P. 549-541.

26. Боцула О.В, Дядченко А.В., Прохоров Э.Д. Диод Ганна с туннельным анодом// Тез. докладов 10 –ой Юбилейной научной конфер. ”Теория и техника передачи, приема и обработки информации”.- Туапсе (Россия).- 2004.- C.329-330.

27. Botsula O. V., A.V., Prokhorov E. D.,Storozhenko I.P Oscillation efficiency of the diodes with cathode Al_0,3Ga_0,7As/GaAs Proc. 5 International symposium – Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves(MSMW 04).- Kharkov(Ukraine). - 2007.- Vol.2.- P. 629-631.