Д. В. Павленко, Э. Д. Прохоров

Харьковский национальный университет им.В.Н.Каразина,

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ОНОЗ-ДИОДОВ НА ОСНОВЕ InN, GaN, AlN С УЧЕТОМ УДАРНОЙ ИОНИЗАЦИИ

 

         Напряженности электрического поля  в объеме полупроводника могут составлять десятки и сотни кВ/см и могут достигать критических полей, при которых возможно развитие ударной ионизации в объеме. Развитие ударной ионизации приведет к увеличению тока через диод, искажению формы колебаний тока  и уменьшению эффективности генерации.

         Цель настоящей работы – определить влияние ударной ионизации на эффективность генерации ОНОЗ-диодов [1] на основе перспективных соединений AlN, GaN, InN.

         Методика расчетов. Рассмотрим образец диода с МПЭ, в котором поле однородно по длине диода (предполагаем, что контакты не искажают однородность электрического поля). Тогда условие пробоя или развития ударной ионизации записывается в виде

,                      (1)

где  -- коэффициент ударной ионизации для конкретного соединения (полупроводника).

         Общие выражения для  в дрейфовом и диффузионном приближениях записываются в виде

,                                            (2)

для дрейфового приближения  и

                                (3)

  для диффузионного приближения.

         Для однородного электрического поля  критические напряженности электрического поля будут равны для дрейфового и диффузионного приближений соответственно

                                    (4);                          (5)

         Коэффициенты  А1, А2, В и С определены ранее для AlN, GaN, InN в  [2].

         При расчетах использовалась V(E)  в виде [3]:

                                         (6)

Подпись: Таблица 2 (GaN) , см Umax/Uпор дрейф КПДmax ,% дрейф Umax/Uпор диффузия КПДmax ,% диффузия 0,1 1,4 2,3 4,3 13,4 0,01 1,53 3,2 4,7 13,6 0,001 1,67 4,15 5,0 13,9 Подпись: Таблица 1 (InN) , см Umax/Uпор дрейф КПДmax ,% дрейф Umax/Uпор диффузия КПДmax ,% диффузия 0,1 1,6 3,6 5,0 11,5 0,01 1,75 4,7 5,42 11,65 0,001 1,92 6,0 5,85 11,85

с соответствующими конкретному соединению подвижностью , скоростью насыщения  и пороговой напряженностью электрического поля Епор (таблицы 1- 3)

         Для InN  cоставляет: для дрейфового приближения 157 кВ/см (0,1 см), 177 кВ/см (0,01 см) и 200 кВ/см (0,001 см), для диффузионного приближения соответственно 650 кВ/см, 690 кВ/см, 750 кВ/см.

Подпись: Таблица 3 (AlN) ,см Umax/Uпор дрейф КПДmax ,% дрейф Umax/Uпор диффузия КПДmax ,% диффузия 0,1 1,06 0,05 2,9 3,16 0,01 1,13 0,15 3,05 3,26 0,001 1,22 0,23 3,27 3,36

          Для GaN  cоставляет: для дрейфового приближения 270 кВ/см, 310 кВ/см, 350 кВ/см, для диффузионного приближения соответственно 1160 кВ/см, 1250 кВ/см, 1350 кВ/см для тех же длин диодов.

         Для AlN  cоставляет: для дрейфового приближения 500 кВ/см, 570 кВ/см, 650 кВ/см, для диффузионного приближения соответственно 2170 кВ/см, 2300 кВ/см, 2500 кВ/см для тех же длин диодов.

         По показанным зависимостям определены возможные перенапряжения на ОНОЗ диодах и КПД. На диод подавался сигнал , по V(E) определялась форма тока, разлагалась в ряд Фурье и находилась амплитуда первой гармоники тока, после чего определялся КПД. Значения Umax/Uпор и максимальный КПД, который при этом может быть получен, приведены в таблицах 1-3.

         Анализируя полученные результаты по влиянию ударной ионизации на работу ОНОЗ диодов, можно сделать следующие выводы:

         1. Если справедливо дрейфовое приближение для развития ударной ионизации, то возможные  превышения напряжения над пороговым во всех ОНОЗ диодах на основе рассматриваемых соединений малы, малы и эффективности генерации (для InN Umax/Uпор 1,6…1,9 при КПД 3…6 %; для GaN Umax/Uпор 1,4…1,7 при КПД 2…4 %; для AlN Umax/Uпор 1,06…1,22 при КПД 0,05…0,23 %). Следует отметить, что все оценки сделаны для длинных диодов от 10мкм до 1000 мкм, именно на таких длинах наиболее выгодно реализовать ОНОЗ режим для получения больших мощностей в см- и мм-диапазонах.

         2. Если ударная ионизация будет развиваться в соответствие с диффузионным приближением, то характеристики ОНОЗ диодов становятся вполне приемлемыми (для InN Umax/Uпор ~ 5…5,85 при КПД 11…12 %; для GaN Umax/Uпор ~ 4…5 при КПД 13…14 %; для AlN Umax/Uпор ~ 2,9…3,3 при КПД 3,2…3,4 %). Учитывая высокие частотные возможности рассматриваемых соединений, полученные результаты вполне подойдут для ОНОЗ диодов при работе в импульсном режиме.

Литература

1. Copeland J.A. LSA Oscillator diode theory, J. Appl. Phys., 1967, 38, 3096.

2. Павленко Д.В., Прохоров Э.Д. Ширина вольтамперных характеристик диодов Ганна на основе InGaN.—Радиофизика и электроника, Харьков, ИРЕ НАНУ, 2006, т.11, №2, с. 291-297.

3. Зи С. Физика полупроводниковых приборов, М.: Мир, 1984, т.2, 456 с.