Generation of Electromagnetic Oscillations of Submillimeter Range by GazIn1 – zAs Diodes Using Impact Ionization

Abstract

Розвиток міліметрового і терагерцового діапазонів хвиль є одним з головних завдань сучасних високочастотних електронних приладів. Проте, немає активних елементів, які можуть працювати в цих діапазонах. Пристрої з переносом електронів (ППЕ) все ще залишаються більш поширеними компактними джерелами електромагнітних хвиль. Але ефективність коливань ППЕ, що працюють у субміліметровому діапазоні хвиль, невелика, і в більшості випадків генерація стає неможливою. Труднощі отримання максимальних частот в основному визначаються часом переходу електрона від верхньої долини до нижньої. Метою роботи є дослідження зменшення часу переходу електрона шляхом використання міжзонної ударної іонізації. У роботі розглянуто перенесення заряду в діодах зі змінною шириною забороненої зони на основі InzGa1 – zAs з довжиною активної області 0.64 мкм. Концентрація домішки в активній області n-типу становила 1016-8∙1016 см – 3. Метод Монте Карло для моделювання поведінки ансамблю частинок застосовується для опису динаміки носіїв заряду в пристрої. При цьому враховуються триполосні зони провідності і смуги важких отворів ГV1. Показано можливість використання локалізованої ударної іонізації як механізму енергетичної релаксації. Продемонстровано взаємозв'язок між кількістю актів ударної іонізації та зменшенням кількості електронів у верхніх долинах. Розраховано ефективність коливань діодів. Показано, що ударна іонізація може призвести до збільшення максимальної частоти генерації. Запропонований спосіб удосконалення частотних властивостей за рахунок модифікації транспорту електронів поблизу анодного контакту може бути застосований до коротких структур і дає можливість отримати максимальні частоти генерації.

Development of millimeter and terahertz wave ranges is one of the main objectives of modern highfrequency electronic devices. However, there are not many active elements able to operate in these ranges. Transferred electron devices (TED) still remain a more widespread compact electromagnetic wave sources. But oscillation efficiency of TED operating in the submillimeter wave range is small and, in most cases, generation becomes impossible. Difficulties in obtaining maximum frequencies are mainly determined by the electron transition time from the upper valley to the lower one. The aim of the work is to investigate reduction of the transition time problem by using band to band impact ionization. The paper deals with charge transport in short diodes with InzGa1 – zAs-based graded band structure with the active region length of 0.64 m. Doping concentration in the n-type active region was 1016…8∙1016 cm – 3. Ensemble Monte-Carlo Technique is carried out to describe the charge carrier dynamics in the device. A three-valley conduction band and heavy hole band ГV1 are taken into account. It is shown a possibility of using localized impact ionization as an energy relaxation mechanism. Correlation between the number of acts of impact ionization and decrease in electron number in the upper valleys are demonstrated. Oscillation efficiency of the diodes is calculated. It is shown that impact ionization can lead to increase in the maximum generation frequency. The proposed way of improving frequency properties due to modification of electron transfer near the anode contact can be applied to short structures and allows maximum generation frequencies.