基于噪声性能的异质结DDR MITATT设备在w频段

文摘

不同结构的噪声性能anisotype异质结双偏移法区域(DDR)混合隧道和雪崩交通时间(MITATT)设备进行了研究。操作设备的设计的毫米波w频段频率。仿真模型研究了噪声谱密度和噪声测量的装置。两个不同的摩尔分数和通用电气和相应的四种类型的设备结构被认为是模拟。结果表明,硅异质结结构DDR MITATT设备胜过所有其他结构至于噪声谱密度( sec)和噪声测量(33.09 dB)以及毫米波特性如DC-to-RF转换效率(20.15%)和连续波功率输出(773.29 mW)。

1。介绍

雪崩影响运输时间(碰撞雪崩渡越时间)设备噪声设备平均有30 - 40分贝的噪音水平(1- - - - - -4]。碰撞雪崩渡越时间设备产生的噪音主要来自随机性质的载体一代通过碰撞电离和雪崩倍增现象。碰撞雪崩渡越时间的内在雪崩噪声设备主要取决于载体的电离率基本半导体材料(5]。该集团IV-IV化合物半导体,已经作为一个重要的基础材料光电子和微电子设备(6- - - - - -9]。能带工程材料的材料特性依赖于通用电气(摩尔分数)[10]。

混合隧道雪崩交通时间(MITATT)装置是一个重要的成员雪崩渡越时间(ATT)设备家庭操作毫米波频率更高(11- - - - - -23]。在1958 W。t .阅读(11]在他的早期论文预测结构隧穿现象可能会限制DC-to-RF碰撞雪崩渡越时间二极管的光电转化效率在高频率。郭和哈达德(12]报道的影响隧道的负电导设备。他们认为通过隧道瞬时载波生成过程相当于一个field-dependent载体来源。这一概念诞生的新模式碰撞雪崩渡越时间装置,即MITATT和隧道交通时间(TUNNETT)模式。Nishizawa et al。13)的设计和原理描述脉冲振荡砷化镓TUNNETT二极管的特征。Elta公司和哈达德(14,15]分析了冲渡二极体的高频性能通过使用修改后的阅读方程和考虑死亡空间校正碰撞电离的运营商收费。他们提出,上述三种不同的模式(纯碰撞雪崩渡越时间,MITATT和TUNNETT模式)的碰撞雪崩渡越时间取决于雪崩区域的宽度。Luy和Kuehnf16)发现设备效率降低由于隧道生成的运营商。广义计算机模拟方法MITATT模式基于提出的模型罗伊et al。17,18]后来报道[19]。Elta公司(20.和凯恩21)表明,碰撞雪崩渡越时间设备的性能恶化由于tunneling-induced相位失真。会怎样,哈达德(22)也进行了实验工作TUNNETT模式操作的碰撞雪崩渡越时间二极管上生长金刚石热沉。他们报道射频TUNNETT设备的转换效率最高。根据(23),特殊设计的MITATT设备可以提供更高的效率,更高的输出功率,降低噪音比正常的碰撞雪崩渡越时间二极管。隧道的影响在DDR Si碰撞雪崩渡越时间的高频特性的操作在毫米波太赫兹频率进行了研究,报道了Acharyya等人早在他们的论文(24,25)表明,临界背景掺杂浓度和操作频率高于隧道效应成为占主导地位的是5.0×10²³米⁻³分别和260 GHz。碰撞雪崩渡越时间的毫米波表现在MITATT运营模式研究了Acharyya等人从雪崩渡越时间的转变(ATT)相位延迟和报道26]。报告的结果表明,随着频率的转变ATT相位延迟增加解释的物理原因恶化毫米波器件的性能在更高的频率。由于隧道是一个无声的现象,预计MITATTs噪声水平将低于碰撞雪崩渡越时间。此外,据报道(27],异质结碰撞雪崩渡越时间比同质结同行有较低的噪音水平。所有这些事实都启发了作者研究四种类型的噪声性能anisotype异质结DDR MITATT设备结构W波段。在这项研究中,只有两个不同的摩尔分数的通用电气,和,被认为是。不同的异质结结构的性能DDR MITATTs与同质结同行相比基于Si操作在同一频带。

2。模拟方法研究噪声特性

反向偏置的一维模型DDR MITATT设备如图1被认为是噪声分析。直流损耗层中的电场和电流密度配置文件获得设备的基本设备的数值解方程组,也就是说,泊松方程,连续性方程的稳态载体相结合,电流密度方程,和移动空间电荷方程受到适当的边界条件,详细讨论了在前面的论文的作者24- - - - - -26]。在其他地方(描述double-iterative模拟方法17)用于解决这些方程,得到电场和电流密度配置文件。电场的边界条件在耗尽层边缘,即和,是由 同样,归一化电流密度的边界条件(总电流密度=()+(),(),()是电子和空穴电流密度,分别在空间点在的耗尽层的边缘) 在哪里(),(0)分别是电子和洞乘法因素在耗尽层边缘的值是10的顺序⁶黑暗的视角或环无光的条件下设备。

峰值的大小字段交界处(),击穿电压(),雪崩和漂移区宽度(和,在那里=+)和电压降穿过这些区域(,=)获得double-iterative直流模拟程序。这些值反馈作为输入参数的小信号模拟程序来获取设备的导纳特性如雪崩谐振频率()、最佳频率(),负电导(),相应的电纳()作为频率的函数。两个二阶微分方程的解决二极管阻抗到它的实部和虚部(18,19,24,25,28- - - - - -31日]。在这里,,在那里和分别是负电阻系数在空间点和具体的电抗吗对于角频率(频率)。double-iterative模拟初始值的选择和描述的细节(18)是用于解决同时上面的两个二阶微分方程表示服从于适当的边界条件在耗尽层边缘。-特定的阻力和特定的电抗的空间配置文件(即,与和与),得到一个特定频率从上面的解决方案在耗尽层内的设备。设备负阻(())和电抗(())的数值积分和概要文件的出发层宽度()。因此, 的设备的阻抗和设备导纳。负电导和相应的电纳在不同频率计算从以下表达式:

碰撞电离过程的随机性质噪声的主要来源在雪崩渡越时间(ATT)设备。这个随机碰撞电离过程产生波动的直流电流和直流电场出现作为他们的直流小信号组件值即使没有电压变化的装置。开路状态没有任何外加电压的变化被认为是噪声分析的碰撞雪崩渡越时间/ MITATT设备。从交流小信号由于噪声,两个二阶微分方程对应的(())和虚((电场)的部分噪声。这个领域被认为是由于噪声来源位于空间点在设备的耗尽区(32- - - - - -34]。两个微分方程组的数值解,包括噪声电场的实部和虚部由使用double-iterative技术,和龙格-库塔方法满足适当的边界条件在耗尽层边缘(32- - - - - -34]。噪音的来源首先认为是位于一个枯竭的边缘地区。噪声源然后转移到下一个空间点,重复这个过程,直到整个耗尽区覆盖,另耗尽层的边缘。数值积分的噪音电场在整个耗尽层提供了终端电压产生的噪声源, 设备的转移阻抗的定义是 在哪里()是生成的平均电流的时间间隔由于位于。从获得的均方噪声电压 均每带宽噪声电压称为噪声谱密度(V²秒)。设备的噪声性能可以从一个已知的参数称为噪声测量(NM)定义为 在哪里波尔兹曼常数(J K⁻¹),绝对温度,是设备负阻,是积极的寄生串联电阻与该设备相关联。

3所示。材料参数和设计

的现实场依赖性电离率(,)和漂移速度(,如果和(和在现实的接点温度500 K)取自最近发表的实验报告(35- - - - - -40]。如果和其他材料参数(和)等内在载体浓度(),传导的有效态密度和帷幔乐队(,),扩散系数(,)、机动性(,)和扩散长度(,)的运营商和介电常数()从发布的数据给10]。活性层的宽度(,)和掺杂浓度(,)的不同结构MITATTs宽度调制后在考虑设计设计方法提出了MITATT设备(23)操作频率在94 GHz大气窗口。的掺杂浓度- - -层(,)在10的顺序²⁵对w频段操作。表列出了掺杂和结构参数设计1。

4所示。结果与讨论

作者使用了一个double-iterative模拟方法(18,19,24,25,28- - - - - -31日]研究静态和高频特性的同质结(N- - - - - -si)和异质结(如果_0.9通用电气_0.1,N- - - - - -如果_0.7通用电气_0.3,n如果_0.9 如果和n如果_0.7 si) DDR碰撞雪崩渡越时间操作94 GHz大气窗口。峰隧道产生率(),峰值雪崩产生率(),的比例来((%))的所有设备在考虑表中列出2。这一比率(%)非常高(31.69%),如果同质结DDR碰撞雪崩渡越时间。因此,相位失真与隧穿导致恶化的射频性能的硅单质结装置和设备在MITATT运营模式。但同样的((%))是非常小的-0.29% 0.06%左右异质结ddr,这表明这些设备在纯碰撞雪崩渡越时间经营模式(没有大量的结构隧道)94 GHz。

模拟直流参数如峰值电场(),击穿电压()、雪崩电压(),雪崩层宽度(),雪崩层宽度比全耗尽层宽度((%),)和DC-to-RF转换效率()所有的设备相应的偏置电流密度()表3。图2显示了这些设备的电场的概要文件。很明显从图2和表3异质结的ddr要求较低的领域分解相比他们如果同质结。击穿电压()是通过数值积分得到电场概要的耗尽层宽度(即。,从来)。异质结器件的击穿电压的模拟值低于同质结装置。又可以从数值积分获得雪崩电压降的雪崩地区(即电场资料。,从来)。异质结的雪崩电压MITATTs发现比同质结的小设备。雪崩窄宽度的异质结MITATTs显示更清晰的归一化电流密度的增长概要文件(与)。剧烈的增长概要文件,雪崩区域越窄。这导致DC-to-RF转换效率更高(异质结的设备比他们的同质结同行基于Si (41]。表3进一步表明,这种效率是最高的n如果_0.7 硅异质结DDR设备(20.15%)的所有其他类型的DDR。

的导纳特性考虑设备在图所示3。表3显示负电导(峰值的大小)和负阻()高异质结MITATTs作为Si同质结同行相比。可以指出,上述参数(,)是最大的n如果_0.7 硅异质结结构(nSGPS2)。输出功率()从特定的结构(nSGPS2)是最高(773.29 mW)相比,从所有其他结构。的最小值因素()结构(nSGPS2)表明碰撞雪崩渡越时间的增长速度与稳定振荡。所有结构的空间变化的负电阻率MITATT设备如图4。所有这些负电阻率资料展览两个峰两个漂移区雪崩地区最低。负电阻率的大小是最高的山峰在漂移层结构(nSGPS2)相对于其他结构。

此外,它是有趣的观察表3,虽然击穿电压()n如果_0.9 如果和n如果_0.7 硅异质结DDR几乎一半的Si的同质结DDR由于规模小得多的细分领域比斯(10,37- - - - - -39),功率输出(),击穿电压(成正比)和DC-to-RF转换效率()异质结的设备比他们的高同质结同行由于更大的DC-to-RF转换效率(说上面的异质结设备。

数据5和6分别显示,模拟噪声谱密度()和噪声措施(NM)的频率异质结和Si同质结DDR MITATT设备。可以看出NSD和海里都是最低(0.82×10⁻¹⁶V²秒和33.09 dB)n如果_0.7 硅异质结DDR MITATT设备94 GHz。特定结构的最低噪音是由于抑制噪声影响电离现象从最狭隘的雪崩区。

仿真结果提出了交叉检查之前报道的实验结果来验证仿真方案通过的作者。Luy et al。42)实验获得的连续波输出功率600兆瓦的94 GHz Si同质结平DDR 1987年6.7%的效率。后者,装饰板材等。43)测量了连续波输出功率约为500兆瓦,94 GHz在1990年有8.0%的转换效率。这些实验结果与仿真结果接近协议提出了Si同质结平DDR(表3)。模拟和实验报告的微小差异值功率输出和DC-to-RF转换效率可能是由于设计参数的细微差别和直流偏置电流密度。第一个实验结果/混合异质结构隧穿雪崩交通时间(MITATT)二极管为Luy et al。441988年)。他们获得25兆瓦的功率输出在103 GHz 1.3%的转换效率。但是他们如果使用_0.4通用电气_0.6合金制造/异质结构。由于这一事实,也由于缺乏优化的设计,他们获得这样的低功率输出和低效率,但仿真结果提出了优化设计设备的预测这一事实/异质结ddr尤其是如果_0.7通用电气_0.3/硅异质结ddr能够提供更大的力量和更多的转换效率相比获得的实验值。因此,合适的选择通用电气的摩尔分数()、器件结构和设备的适当的优化设计是必不可少的获取预期的功率输出。

5。结论

在本文中,作者试图研究不同结构的毫米波和噪声特性anisotype异质结DDR MITATT设备。这个模拟研究清楚地表明n如果_0.7 硅异质结MITATT结构是最适合代高功率转换效率高和低噪声的措施。实验的结果是非常令人鼓舞的装配n如果_0.7 硅异质结MITATTs毫米波应用程序。

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