УСТРОЙСТВА НА ВОЛНАХ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В

УСТРОЙСТВА НА ВОЛНАХ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В
ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ С
ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
– ПЕРСПЕКТИВНЫЙ КЛАСС УСТРОЙСТВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
А.И. Михайлов, С.А. Сергеев
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
E-mail: MikhailovAI@info.sgu.ru, Ssergeev@bk.ru)
Физический предел минимальных размеров активных зон приборов
и элементов схемотехнической микро электроники, по-видимому, уже
достигнут. Это является серьезным дополнительным стимулом к
становлению и развитию функциональной электроники, которая
использует динамические неоднородности для обработки и хранения
информации.
Известно
большое
количество
динамических
неоднородностей различной физической природы. Это ансамбли
заряженных частиц и квазичастиц (зарядовые пакеты, флуксоны и т.п.),
домены (электрические домены, домены Ганна, цилиндрические
магнитные домены и т.п.), динамические неоднородности волновой
природы (поверхностные акустические волны, волны пространственного
заряда (ВПЗ), магнитные статические волны и т.п.). Основной тенденцией
развития данного несхемотехнического направления микроэлектроники,
использующего в качестве носителей информации динамические
неоднородности, является интеграция функциональных возможностей
приборов и устройств [1-8].
Применение волновых принципов разной природы перспективно в
СВЧ микроэлектронике. Для обработки сигналов могут быть использованы
различные волновые процессы: акустические волны, электромагнитные
волны, магнитостатические волны и волны пространственного заряда.
Устройства, использующие динамические неоднородности волновой
природы обладают рядом преимуществ:
1) Хорошая электрическая развязка между входом и выходом.
2) Устройства хорошо совместимы с распределенными параметрами
линий передачи.
3) Многофункциональность.
4) Протяженность участка распространения волн, что дает
возможность эффективного воздействия на полезный сигнал в процессе
распространения.
5) Обработка информации происходит в аналоговом виде.
6) Малая длина волны. Это позволяет существенно уменьшить
размеры структур.
7) Возможность усиления сигнала за счет внутренних свойств
электронной подсистемы.
Особое внимание в работах авторов уделено функциональным
возможностям распространения и параметрического взаимодействия ВПЗ
в тонкопленочных полупроводниковых структурах (ТПС) с отрицательной
дифференциальной проводимостью (ОДП). Показано, что устройства на
ВПЗ в ТПС с ОДП могут выполнять в СВЧ диапазоне такие
радиотехнические функции, как усиление, преобразование частоты,
генерирование (при введении обратной связи), задержку, управляемую
фильтрацию, коммутацию, синтез частот и др. [8-10]. Также показано, что
механизм параметрического взаимодействия ВПЗ в ТПС с ОДП при
низкочастотной накачке [10-15] приводит к заметному увеличению
верхней граничной частоты усиливаемых ВПЗ, а также может являться
основой для создания управляемых фильтров, перестраиваемых при
изменении частоты накачки, и активных смесителей в коротковолновой
части СВЧ диапазона в интегральном исполнении.
Был проведен анализ литературных данных, содержащих параметры
и характеристики соединений А3В5 с целью выяснения перспектив их
использования в устройствах на волнах пространственного заряда. Был
проведен анализ современной отечественной и зарубежной литературы,
посвященной этим полупроводниковым соединениям. Проводилось
сравнение таких параметров полупроводниковых соединений, как
диэлектрическая проницаемость, пороговое поле эффекта Ганна,
коэффициент диффузии электронов, напряженность электрического поля
пробоя, коэффициент теплопроводности, ширина запрещенной зоны и
значения энергетических зазоров между центральной и боковыми
долинами,
величина
модуля
отрицательной
дифференциальной
подвижности и дрейфовая скорость электронов. Также анализировались
времена релаксации энергии электронов в центральной долине и
междолинных переходов, и условие электрической устойчивости
(критерий Кремера) для полупроводниковой структуры.
Сравнительный анализ основных свойств соединений А3В5
показывает, что фосфид индия InP, а также нитриды галлия GaN, индия
InN и алюминия AlN являются перспективными материалами для
использования их в устройствах на волнах пространственного заряда и
потенциально по ряду свойств заметно превосходят GaAs. Причем, для
каждого конкретного применения может быть выбрано наиболее
подходящее соединение из группы А3В5.
При этом следует иметь в виду, что технология получения и работы
с
новыми
полупроводниковыми
соединениями
постоянно
совершенствуется. И не исключено, что в ближайшее время появятся
новые сведения об уже известных или пока еще недостаточно изученных
материалах с хорошими перспективами их использования в приборах на
волнах пространственного заряда.
Библиографический список
1. Щука А.А. Функциональная электроника // Успехи современной радиоэлектроники.
– 2004. – № 5-6. – С. 149-168.
2. Соляник С.П., Небогатых В.Е., Потапов А.С. Перспективные направления
функциональной микроэлектроники: учеб. пособие. Владивосток: Изд-во ДВГТУ,
2009. – 103 с.
3. Щука А.А. Функциональная электроника: Учебник для вузов. – М.: МИРЭА, 1998. –
260 с.
4. Гуляев Ю.В. Акустоэлектроника (исторический обзор) // УФН. – 2005. – Т. 175, № 8.
– С. 887-895.
5. Некоторые тенденции развития акустоэлектроники сверхвысоких частот / С.Г.
Алексеев, Ю.В. Гуляев, И.М. Котелянский, Г.Д. Мансфельд // УФН. – 2005. – Т. 175,
№ 8. – С. 895-900.
6. Щука А.А. Наноэлектроника. – М. Физматкнига, 2007. – 464 с.
7. Калиникос Б.А. Спиновые волны в ферромагнитных пленках // СОЖ. – 1996. – № 5.
– С. 93-100.
8. Барыбин А.А. Волны в тонкопленочных полупроводниковых структурах с горячими
электронами. – М.: Наука, 1986. – 288 с.
9. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Граничная частота усиления волн проcтранcтвенного
заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах на основе n-GaAs, n-InP и
n-GaN // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2010. – Т. 13,
№ 1. – С. 33-37.
10. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Функциональные возможности распространения и
параметрического
взаимодействия
волн
пространственного
заряда
в
тонкопленочных полупроводниковых структурах n-GaAs и n-InP в миллиметровом
диапазоне // Перспективные направления развития электронного приборостроения.
Материалы науч.-технич. конф. Саратов, ФГУП НПП «Контакт», 18-19 февраля
2003 г. – Саратов, 2003. – С. 252-256.
11. Барыбин А.А., Михайлов А.И. Параметрическое взаимодействие волн
пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах //
ЖТФ. – 2000. – Т. 70, вып. 2. – С. 48-52.
12. Михайлов А.И., Сергеев С.А., Горячев А.А. Интегральный преобразователь частоты
миллиметрового диапазона длин волн на волнах пространственного заряда в
полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью // Изв.
ВУЗов. Радиоэлектроника. – 2000. – Т. 43, № 2. – С. 16-24.
13. Барыбин А.А., Михайлов А.И. Анализ параметрического взаимодействия волн
пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах
асимметричного типа на основе арсенида галлия n-типа // ЖТФ. – 2003. – Т. 73, вып.
6. – С. 103-109.
14. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Анализ параметрического взаимодействия волн
пространственного заряда в асимметричных тонкопленочных полупроводниковых
структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью. Часть 1.
Формулировка модели // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.
– 2010. – Т. 13, № 2. – С. 102-107.
15. Михайлов А.И., Сергеев С.А. Анализ параметрического взаимодействия волн
пространственного заряда в асимметричных тонкопленочных полупроводниковых
структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью. Часть 2.
Результаты моделирования // Физика волновых процессов и радиотехнические
системы. – 2010. – Т. 13, № 4. – С. 70-74.
Сведения об авторах
Михайлов Александр Иванович – заведующий кафедрой физики полупроводников
факультета нано- и биомедицинских технологий Саратовского государственного
университета имени Н.Г. Чернышевского, д.ф.-м.н., профессор, дата рождения:
23.02.1953г.
Сергеев Сергей Алексеевич – доцент кафедры физики полупроводников факультета
нано- и биомедицинских технологий Саратовского государственного университета
имени Н.Г. Чернышевского, к.ф.-м.н., дата рождения: 10.06.1968г.
Вид доклада: устный (/ стендовый)