Energy and Frequency Properties of Planar n+-n-n+ Diodes with Active Side Boundary

Abstract

У роботі досліджується генерація електромагнітних коливань у довгохвильовій частині терагерцового діапазону GaAs діодами. Діоди є планарними структурами довжиною 1,28 мкм, шириною 0,32 мкм та концентрацією донорної домішки 6·1022 м – 3. Вони мають провідний канал, який розміщено на напівізолюючій підкладці, два контакти та активну бічну границю у вигляді області nтипу, яка розміщуються між каналом і металевим електродом та електрично з'єднана з омічним контактом аноду. Електронні процеси в структурі аналізуються з використанням багаточастинкового методу Монте-Карло. Показано, що в таких діодах виникають нестійкості струму, які можна пов'язати з ефектом міждолинного переносу електронів. Проте залежності постійного струму від напруги не мають вираженої ділянки з від'ємною диференціальною провідністю, що пов'язано з існуванням областей з високою напруженістю електричного поля в анодній частині діода. Одночасне існування ефекту міждолинного переносу електронів в каналі та в області бічної границі призводить до збільшення частоти коливань та розширення частотного діапазону роботи. Визначено ефективність коливань та частотні властивості приладів та встановлено, що їх частотний діапазон роботи знаходиться в інтервалі від 100 до 300 ГГц, а максимальні значення ефективності генерації складають близько 3 % на частоті 150-180 ГГц. Досліджено вплив положення і розміру елементів бічної границі на частотні та енергетичні властивості приладів. Показано, що частотний діапазон діодів визначається в основному товщиною бічного активного елемента. Максимальну частоту генерації (до 300 ГГц) та ширину частотного діапазону отримано для діодів з товщиною бічного елементу 0,32 мкм, проте їх максимальна ефективність менше 1,4 %.

Generation of electromagnetic oscillations in the long-wavelength part of the terahertz range by GaAs diodes is investigated. Diodes are planar structures with a length of 1.28 μm, a width of 0.32 μm and a concentration of donor impurity of 6·1022 m – 3. Diodes include a conductive channel placed on a semiinsulating substrate, two contacts and an active side boundary in the form of an n-type region located between the channel and the metal electrode electrically connected to the ohmic contact of the anode. Electronic processes in the structure are analyzed by means of Ensemble Monte Carlo method. Current instabilities occurring in such a diode connected with the effect of inter-valley electron transfer are shown up. Dependences of direct current on voltage do not have a pronounced region with negative differential conductivity, which may be due to the existence of regions with high electric field strength in the anode part of the diode. Our research reveals that the simultaneous existence of the effect of interval valley electron transfer in the channel and in the region of lateral boundary leads to an increase in the frequency of oscillations and an expansion of the frequency range. Oscillation efficiency and frequency properties of the diodes are determined. The frequency range of diodes is established to be in the range from 100 to 300 GHz. The maximum generation efficiency is about 3 % at a frequency of 160-180 GHz. The influence of the position and size of the elements forming the active side boundary on the frequency and energy properties of diodes is explored. The operating frequency range of diodes is shown to be determined mostly by the thickness of the side boundary element. The maximum oscillation frequency (up to 300 GHz) and frequency bandwidth are obtained for diodes with a thickness of the side boundary element of 0.32 μm, but with the maximum efficiency of less than 1.4 %.